KR20140112006A - 에너지 하비스터 - Google Patents
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Abstract
에너지 하비스터는 매스를 운동하는 매스의 상태로 전환시키기 위해 환경의 힘을 받을 수 있는 매스 및 운동하는 매스에서 구현되는 에너지를 변환 및 저장하기 위해 매스에 연결되고, 에너지의 후속 방출을 위해 배치되는 수단을 포함하고, 매스는 프레임 및 프레임에 매스를 연결하는 제 1 탄성 빔 및 제 2 탄성 빔을 포함하는 협력적 시스템의 일부이고, 제 1 탄성 빔 및 제 2 탄성 빔은 운동하는 매스의 운동역의 소정의 범위에 이것을 배치하도록 반대 강성을 갖고, 매스는 사전에 선택된 강성을 경험한다.
Description
본 발명은 운동하는 매스의 상태로 전환시키기 위해 환경의 힘을 받을 수 있는 매스를 포함하는 에너지 하비스터에 관한 것이다.
지난 10 년간, 에너지 하비스팅 분야는 점점 더 관심을 끌어오고 있고, 공보 및 시작품의 수가 증가하는 것에 의해 입증되는 바와 같이 중요한 것이 되고 있다. 일반적으로 말하면, 에너지 하비스팅을 위한 근원은 빛, 라디오파, 온도 기울기 및 운동의 4 가지 형태로서 사용할 수 있다. 실외의 태양 에너지는 다른 근원보다 약 2 자릿수 더 큰 출력 밀도를 제공한다. 그러나, 태양 에너지는 실내 환경을 위한 매력적인 에너지원이 아니다. 특히 실내의 적용을 위해 운동 에너지가 매력적인 선택지로서 고려된다.
예를 들면, 광범위하게 분포하는 환경의 진동 및 사람의 일상의 운동 또는 특히 그러나 비배타적으로 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 기술에 의한 다른 유형의 운동으로부터의 에너지 하비스팅은 휴대형 장치 및 무선 센서 네트워크용으로 사용될 수 있는 전원의 유망한 근원인 것으로 생각된다. 환경으로부터 유래하는 진동 또는 운동은 세가지 유형의 전기기계식 트랜스듀서, 즉 전자기, 정전기, 및 압전 트랜스듀서를 이용하여 전기 에너지로 전환될 수 있거나 추후의 사용을 위해 변형 에너지(strain energy)의 형태로 저장될 수 있다.
논문 '향상된 전력 효율 및 광대역 동작을 위한 기계 주파수-업 전환 메커니즘을 구비한 에너지-하비스팅 장치'(Seok-Min Jung and Kwang-Seok Yun, Applied Physics Letters 96, 111906(2010))은 기계 주파수-업 전환을 위해 스냅 스루 좌굴(snap through buckling)을 이용하는 에너지 하비스팅 장치를 설명한다. 이 제안된 장치는 시험 질량을 구비하는 좌굴된 세장형 브릿지 및 이것에 부착되는 외팔보 빔으로 이루어진다. 이것은 장치의 사용가능 대역폭을 향상시킨다.
논문 '에너지를 하비스팅하기 위해 사용되는 중앙 매스를 부착한 후좌굴된 압전 빔의 실험적 조사'(A.J. Sneller, P. Cette, and B.P. Mann, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part I: Journal of Systems and Control Engineering 2011 Volume 225, pages 497-509)는 고조파 베이스 여기(excitation)에 대한 좌굴된 압전 빔의 반응을 조사한다. 이 연구는 비교적 큰 진폭 운동에 기인되어 에너지 하비스팅에 명확하게 적용되는 지속성 스냅 스루 거동에 미치는 부착된 매스의 효과에 대해 보고한다.
논문 '외팔보 빔에 기초한 압전 에너지 컨버터의 양방향성 주파수 동조'(C. Eichhorn, F. Goldschmidtboeing and P. Woias, Journal of Micro mechanics and Microengineering 19, 2009, pages 1-6)는 그 구조에 기계적 응력을 가함에 의한 압전 에너지 컨버터의 공명 주파수의 동조에 관하여 보고한다.
논문 '형상 기억 합금을 이용하는 압전 에너지 하비스터에서의 온도 보상'(Mohammed Rhimi and Nizar Lajnef, Proceedings of SPIE, volume 7981 798139 1-9)은 전형적으로 하비스팅된 진동 에너지는 보건용 센서 네트워크 및 민간 및 기계 구조물에서의 사용상황 모니터링을 위한 대안적인 전원으로서 고려된다는 것을 설명한다. 본 논문은 이론적 하비스팅 가능한 에너지 레벨 뿐만 아니라 보상 방법론에 미치는 온도 편차의 효과를 설명한다.
모든 종류의 용도에서 운동 에너지의 하비스팅, 저장 및 방출을 위한 명백한 요구에 직면하여, 본 발명의 목적은 이러한 요구에 부합하는 에너지 하비스터를 제공하는 것으로서, 본 에너지 하비스터는 매스를 운동하는 매스의 상태로 전환시키기 위해 환경으로부터의 힘(예를 들면, 진동에 기인하는 힘)을 받을 수 있는 매스, 및 운동하는 매스에서 구현되는 에너지의 변환 및 저장을 위해 매스에 연결되는 수단을 포함하고, 이 수단은 상기 에너지의 후속 방출을 위해 배치되고, 매스는 프레임 및 프레임에 매스를 연결하는 제 1 탄성 빔 및 제 2 탄성 빔을 포함하는 시스템의 일부이고, 제 1 탄성 빔 및 제 2 탄성 빔은 운동하는 매스의 운동역(excursion)의 소정의 범위에 이것을 배치하도록 반대 강성을 갖고, 매스는 사전에 선택된 강성을 경험한다.
예를 들면, 제 1 탄성 빔이 양의 강성을 갖는 것을 고려하면, 제 2 탄성 빔은 음의 강성을 갖도록 배치되고, 여기서 음의 강성은 0의 강성 또는 0에 근접하는 강성까지 시스템의 강성을 하향 동조시킨다. 원리적으로, 동조는 양의 강성에 의해 또는 음의 강성으로 실행될 수 있으나, 구현하기가 더 용이한 양의 강성으로의 동조가 바람직하다. 환경의 진동력의 주파수를 갖는 공명으로 매스를 동조시키는 값으로 사전에 선택된 강성이 선택되는 것이 때때로 유리할 수 있다.
일반적으로 말하면, 전술한 특징을 구비하는 본 발명의 에너지 하비스터를 배치함으로써, 조립 및 유지보수 비용이 낮아지고, 또한 소규모 용도에서, 특히 협력적(compliant) 시스템으로서의 시스템을 배치하기 위해 특히 적합한 마이크로-전자 기계(MEMS) 용도에서 유용한 재사용 가능한 포텐셜(potential) 에너지로 운동 에너지를 효과적이고 정확하게 전환할 수 있다. 다른 주목할 만한 이점은 바람직한 0의 강성 또는 0에 근접하는 강성이 발생하는 운동하는 매스의 운동역의 소정의 범위 및 운동하는 매스가 공명하는 범위가 비교적 클 수 있으므로 본 발명의 하비스터가 비교적 큰 에너지의 전환을 위해 적용될 수 있다는 것이다.
바람직하게, 에너지의 변환 및 저장을 위한 수단은 스프링 코일 및 압전 요소를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 컴포넌트를 포함한다. 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 용도의 경우, 선택된 컴포넌트는 바람직하게 판스프링이다. 이들은 에너지의 신뢰성 있는 전환을 위해 매우 자주 설치되는 것으로 공지된 수단이다.
본 발명의 에너지 하비스터는 제 1 탄성 빔 또는 빔들이 운동하는 매스의 운동역의 소정의 범위에서 소정의 제 1 강성을 갖도록, 그리고 상기 소정의 범위에서 제 2 탄성 빔 또는 빔들은 상기 소정의 범위에서 제 1 탄성 빔 또는 빔들의 제 1 강성에 반작용하는 제 2 강성을 갖도록 적절히 구현된다.
이하에서 본 발명은 첨부된 청구항을 제한하지 않는 본 발명의 에너지 하비스터의 예시적 실시형태의 도면을 참조하여 더 설명된다.
도 1은 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스터의 개략 구조를 도시하고;
도 2a 및 2b는 정적 밸런서(SB)와 협력적 에너지 하비스팅 시스템(compliant energy harvesting system; CEH)의 후속 작용(subsequent action)에 대한 도 1의 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스팅 시스템의 힘 편향 거동을 도시하고;
도 2c 및 2d는 각각 중력(매스)이 추가되지 않는 상태 및 추가된 상태의 정적 밸런서(SB)와 협력적 에너지 하비스팅 시스템(CEH)의 공동 작용에 대한 도 1의 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스팅 시스템의 힘 편향 거동을 도시한다.
도 2a 및 2b는 정적 밸런서(SB)와 협력적 에너지 하비스팅 시스템(compliant energy harvesting system; CEH)의 후속 작용(subsequent action)에 대한 도 1의 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스팅 시스템의 힘 편향 거동을 도시하고;
도 2c 및 2d는 각각 중력(매스)이 추가되지 않는 상태 및 추가된 상태의 정적 밸런서(SB)와 협력적 에너지 하비스팅 시스템(CEH)의 공동 작용에 대한 도 1의 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스팅 시스템의 힘 편향 거동을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하비스터는 도면부호 1로 표시되어 있다. 본 에너지 하비스터(1)는 매스(2)를 포함하고, 이 매스(2)는 운동하는 매스(2)의 상태로 전환되도록 환경으로부터의 힘(진동일 수 있음)을 받을 수 있다. 운동하는 매스(2)에서 구현되는 에너지를 변환 및 저장하기 위해 매스(2)에 연결되는 수단(5)이 있고, 이 수단(5)은 상기 에너지의 후속 방출을 위해 배치된다.
매스(2)는 프레임(6) 및 이 프레임(6)에 매스(2)를 연결하는 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)을 포함하는 바람직하지만 필수적인 것은 아닌 협력적 시스템의 일부이고, 여기서 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)은 운동하는 매스(2)의 운동역(excursion)의 소정의 범위에 배치되도록 반대 강성을 구비하고, 상기 매스(2)는 바람직하게는 0의 강성 또는 0에 근접하는 강성인 소정의 강성을 경험한다. 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)을 구비하는 매스(2)의 시스템은 매스(2)가 환경의 진동력의 주파수와 공명하도록 동조될 수 있는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)의 적어도 하나의 강성은 동조될 수 있는 것이 유리하다.
에너지를 변환 및 저장하기 위한 수단(5)은 판스프링, 코일 스프링(5), 및 압전 요소를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직한 컴포넌트를 포함한다. 도 1은 운동하는 매스(2)의 에너지를 변환 및 저장하기 위해 사용되는 코일 스프링(5)의 선택을 도시한다. 그러나, 다른 선택은 본 기술분야의 당업자의 영역 내에, 그리고 본 발명의 범위 내에 속한다. 예를 들면, 본 시스템이 마이크로 기계 전기 시스템(MEMS)으로서 구현된 경우, 바람직한 선택은 에너지의 변환 및 저장을 위한 컴포넌트로서 판스프링을 사용하는 것이다.
전술한 설명으로부터, 본 구조의 핵심은 매스(2)에 0의 강성을 제공하는 정적 평형기(3, 4)에 의해 음의 강성을 부가하거나, 매스가 그 프레임(6) 내에서 운동하고 있을 때 환경으로부터의 힘에 공명하도록 배치하는 것이다. 0의 강성 또는 0에 근접하는 강성이 가해지면, 매스(2)는 특정의 운동 범위에서 정적 평형 상태(즉, 0의 작동 힘을 갖는 0의 강성)가 될 수 있다.
본 발명에 따른 정적 평형 상태의 협력적 운동 에너지 하비스팅 시스템(1)에서, 탄성 부재(3, 4, 5)의 편향에 기인되는 에너지 손실이 해결되고, 그러므로 강성 조절을 통해 동조되는 고유 주파수, 따라서 출력/입력 에너지 비는 증대된다. 다시 말하면, 동일한 크기의 힘에 대해, 매스(2)의 더 큰 편향이 달성될 수 있고, 또는 대안적으로 더 작은 매스(2)가 동일한 정도로 편향될 수 있다(즉, 더 많은 변형 에너지가 생성될 수 있다). 그 결과, 더 많은 에너지가 하비스팅될 수 있고, 더 많은 에너지가 저장될 수 있다.
본 발명의 에너지 하비스터의 힘 편향 거동은 도 2a 내지 도 2d에 도시되어 있다.
도 2a는 빔(5)(실선) 및 빔(3, 4)(점선)의 조합된 힘-편향 그래프를 개별적으로 도시한다. 도 2b는 도 2a에서 SB-구역이라는 용어로 표시된 제한된 영역에서의 매스(2)의 운동역의 확대도이다.
도 2c는 SB 구역으로 표시된 영역에서 진동하는 매스(2)에 의해 경험되는 0의 강성이 존재하는 것을 보여주는 매스(2)에 의해 경험되는 빔(3)(실선)과 빔(4)(점선)의 복합 효과를 도시한다.
도 2d는 마지막으로 빔(5)(실선)과 빔(3, 4)(점선) 및 사전에 선택된 값의 매스(2)(표시된 마크를 갖는 실선)에서의 중력의 복합 효과를 도시한다.
Claims (7)
- 매스(2)를 운동하는 매스(2)의 상태로 전환시키기 위해 환경의 힘을 받을 수 있는 상기 매스(2) 및 상기 운동하는 매스(2)에서 구현되는 에너지를 변환 및 저장하기 위해 상기 매스(2)에 연결되고, 상기 에너지의 후속 방출을 위해 배치되는 수단(5)을 포함하는 에너지 하비스터(energy harvester; 1)로서, 상기 매스(2)는 프레임(6) 및 상기 프레임(6)에 상기 매스(2)를 연결하는 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)을 포함하는 시스템의 일부이고, 상기 제 1 탄성 빔(3) 및 제 2 탄성 빔(4)은 상기 운동하는 매스(2)의 운동역(excursion)의 소정의 범위에 이것을 배치하도록 반대 강성을 갖고, 상기 매스(2)는 사전에 선택된 강성을 경험하는, 에너지 하비스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 사전에 선택된 강성은 0의 강성이거나 0에 근접하는 강성인, 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
상기 사전에 선택된 강성은 환경의 진동력의 주파수와 공명하도록 매스(2)를 동조시키는 값으로 선택되는, 에너지 하비스터. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지의 변환 및 저장을 위한 수단(5)은 판스프링, 코일 스프링(5), 및 압전 요소를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 컴포넌트를 포함하는, 에너지 하비스터. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 탄성 빔(3) 또는 빔들은 상기 진동 매스(2)의 운동역의 소정의 범위에서 소정의 제 1 강성을 갖고, 상기 소정의 범위에서 상기 제 2 탄성 빔(4) 또는 빔들은 상기 소정의 범위에서 상기 제 1 탄성 빔(3) 또는 빔들의 제 1 강성에 반작용하는 제 2 강성을 갖는, 에너지 하비스터. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 협력적(compliant) 시스템, 바람직하게는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)인, 에너지 하비스터. - 제 6 항에 있어서,
상기 매스(2)는 마이크로 전자 기계 시스템의 일부이고, 상기 에너지의 변환 및 저장을 위한 컴포넌트는 판스프링인, 에너지 하비스터.
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