KR20170124835A - Apparatus for energy harvesting - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직류전송환경에서 도체에 감겨진 코일의 권선수를 변경시키고 이에 따라 발생하는 유도전류를 이용하여 전기에너지를 획득하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an energy harvesting device, and more particularly, to an energy harvesting device that changes the winding of a coil wound around a conductor in a direct current transmission environment and generates an induction current And an energy harvesting apparatus using the energy harvesting apparatus.
제조업경제기반 사회에서 경제활동의 중심이 제조업에서 서비스업으로 이동하는 상황에서 생산성 향상의 핵심 중 하나는 에너지 효율성이다. 또한, 텔리메틱스와 IoT등의 지속적인 유비쿼터스 네트워크 또는 센서 네트워크를 구성하기 위해 효율적인 에너지 하베스팅이 필요하다. Manufacturing In the economy-based society, the center of economic activity moves from manufacturing to the service industry. One of the key to productivity improvement is energy efficiency. In addition, efficient energy harvesting is required to construct a continuous ubiquitous network or sensor network such as telematics and IOT.
송전선 등의 감시시스템과 같이 지속적인 관리가 힘든 경우 자가발전을 통한 자율적인 네트워크 구성이 가능해야 한다. 이러한 자가발전을 위해 고전압 교류 송전선에서 발생하는 전자기장을 이용하여 에너지 하베스팅을 하여 자가발전을 한다.If it is difficult to manage continuously such as surveillance system such as transmission line, autonomous network configuration should be possible through self-development. For self-generation, self-power generation is performed by energy harvesting using the electromagnetic field generated from the high-voltage alternating current transmission line.
이러한 에너지 하베스팅을 위하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0013635호에서도 자발자화 특성을 가지는 인덕션 코일과 이러한 인덕션 코일의 양단에서 유기되는 기전력을 전기 공진시켜 미소한 전력을 지속적으로 생산할 수 있는 에너지 하베스팅 장치 및 방법이 개시된 바 있다.For such energy harvesting, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0013635 also discloses an induction coil having spontaneous magnetization characteristics and an energy capable of continuously generating minute power by electrically resonating the electromotive force generated at both ends of the induction coil A harvesting apparatus and method are disclosed.
일반적으로 전자기 유도현상은 도 1에 도시된 바와 같이, 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상으로 도체 주변에 자기장 변화가 있어야 한다.Generally, as shown in FIG. 1, a magnetic induction phenomenon is a phenomenon in which a voltage is induced when a magnetic field is changed at a periphery of a conductor and a magnetic field is changed around a conductor.
이때, 도선에 흐르는 전류의 크기는 코일에 감긴 전선의 수와 코일을 통과하는 자기장의 시간당 변화율에 비례한다. At this time, the magnitude of the current flowing through the wire is proportional to the number of wires wound on the coil and the rate of change of the magnetic field passing through the coil per hour.
이처럼 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력 선속의 시간적 변화율에 비례하며, 이 관계를 나타낸 것을 패러데이의 법칙이라고 한다.The magnitude of the electromotive force induced in the circuit by electromagnetic induction is proportional to the rate of change of the magnetic flux passing through the circuit, and this relationship is called Faraday's law.
도선에 직류전류가 흐를 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 동심원의 모양의 자기장이 발생하며, 직류의 경우 자기력 선속의 시간적 변화가 없다. 따라서, 직류전송환경에서는 도선 주위에 자기장의 변화가 없다.When a direct current flows through the conductor, a concentric magnetic field is generated as shown in FIG. 2, and in the case of a direct current, there is no temporal change in the magnetic flux. Therefore, there is no change in the magnetic field around the conductor in the direct current transmission environment.
이와 같이, 종래의 교류전류가 흐르는 도선에서 사용한 유도전류방법으로는 전자기 유도에 의한 전류를 만들 수 없으므로 즉, 종래의 기술은 교류를 이용하여 자가발전을 하지만 직류환경에서는 적용이 불가능하므로 직류전송환경에 맞는 에너지 하베스트 장치의 개발이 필요한 실정이다.As described above, since the conventional induction current method used in the conductor that flows the alternating current can not make the current by the electromagnetic induction, the conventional technology uses the alternating current to generate electricity, but it is not applicable in the direct current environment. It is necessary to develop an energy harvesting apparatus suitable for the environment.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 직류전송환경에서 도체에 감겨진 코일의 권선수를 변경시키고 이에 따라 발생하는 유도전류를 이용하여 전기에너지를 획득하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide an induction motor in which, in a DC transmission environment in which a winding of a coil wound around a conductor is changed, And an energy harvesting apparatus using the energy harvesting apparatus.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 도체에 일정 권선수의 코일이 감겨진 에너지 획득부; 상기 코일에 형성된 다수의 탭과 각각의 접점의 접촉 위치를 변경하여 그 권선수를 변경하는 스위치부; 미리 설정된 프로그램에 따라 상기 스위치부의 변경 위치, 속도 및 횟수를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 에너지 획득부는, 상기 스위치부의 권선수 변경에 의하여 발생하는 유도전류를 이용하여 전기에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an energy recovery apparatus including: an energy acquisition unit in which a coil of a constant winding is wound around a conductor; A switch unit for changing a contact position of each of the plurality of tabs formed on the coil and the contact point so as to change the winding position; And a control unit for controlling the change position, speed and frequency of the switch unit according to a preset program, wherein the energy obtaining unit obtains electrical energy by using an induced current generated by changing the turn of the switch unit To provide an energy harvesting device.
상기 에너지 획득부에서 획득한 에너지를 저장하는 충전 배터리부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 유도전류의 발생량에 따라 상기 충전 배터리부의 충전량 및 충전속도를 제어하는 것이 바람직하다.The charging unit may further include a rechargeable battery unit that stores the energy acquired by the energy acquiring unit. The controller may control a charging amount and a charging rate of the rechargeable battery unit according to an amount of the induced current.
상기 충전배터리부의 일측은 상기 코일의 일단에 연결되고, 상기 충전배터리부의 타측은 상기 스위치부의 다수의 접점 변경에 따라 순차적으로 선택되는 특정 위치의 상기 탭을 거쳐 상기 코일의 타단에 연결되는 것이 더욱 바람직하다.It is further preferable that one side of the rechargeable battery unit is connected to one end of the coil and the other side of the rechargeable battery unit is connected to the other end of the coil through the tab at a specific position sequentially selected in accordance with a change of a plurality of contacts of the switch unit Do.
상기 에너지 획득부는 상기 도체에 감겨진 코일로부터 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하여 전기 에너지를 획득할 수 있다.The energy obtaining unit may obtain electrical energy by using an electromagnetic induction phenomenon generated from a coil wound around the conductor.
상기 도체는 도넛 형상이고, 상기 코일은 상기 도넛 형상의 도체를 따라 나선형으로 감겨진 것이 바람직하다.The conductor is preferably donut-shaped, and the coil is wound helically along the donut-shaped conductor.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 의하면, 종래의 교류전류가 흐르는 도선에서 사용한 유도전류방법으로는 전자기 유도에 의한 전류를 만들 수 없었으나, 본 발명은 직류전송환경에서 도체에 감겨진 코일의 권선수를 시간에 따라 변경하고 이때 발생하는 유도전류를 이용한 전기에너지를 획득함으로써, 직류전송환경에 맞는 최적의 에너지 하베스트 장치를 개발하고 효율적으로 에너지를 공급할 수 있는 효과가 있다.According to the energy harvesting apparatus using the induction current in the direct current transmission environment according to the present invention configured as described above, the induction current method used in the conductor in which the conventional alternating current flows can not generate the electromagnetic induction current, Is to develop the optimum energy harvest device suitable for the DC transmission environment by changing the winding time of the coil wound around the conductor in the DC transmission environment and obtaining the electric energy using the induced current generated at this time, There is an effect that can be.
도 1은 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 나타낸 도면,
도 2는 직류전류가 흐르는 도선에 발생하는 전자기를 나타낸 개념도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 나타낸 블록도로서, 도 3은 스위치부의 접점 TM이 연결된 상태를, 도 4는 스위치부의 접점 T1이 연결된 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 나타낸 블록도이다.1 is a view showing a phenomenon in which a voltage is induced and a current flows when a magnetic field is changed around a conductor,
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an electromagnetic wave generated in a conductor through which a direct current flows,
3 and 4 are block diagrams showing an energy harvesting apparatus using induction current in a DC transmission environment according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a state where a contact point TM of a switch unit is connected, A contact T1 is connected,
5 is a block diagram illustrating an energy harvesting apparatus using an induction current in a DC transmission environment according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. The present invention may have various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 나타낸 블록도로서, 특히 도 3은 스위치부의 접점 T1이 연결된 상태를, 도 4는 스위치부의 접점 TM이 연결된 상태를 나타낸다.3 and 4 are block diagrams showing an energy harvesting apparatus using an induction current in a DC transmission environment according to a preferred embodiment of the present invention. Particularly, FIG. 3 shows a state where a contact T1 of a switch unit is connected, And the negative contact TM is connected.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 에너지 획득부(100), 코일(101), 도체(102), 스위치부(200), 충전 배터리부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.The energy harvesting apparatus according to the present invention includes an
먼저, 도체(102)에 일정 권선수(N)의 코일(101)이 감겨진 에너지 획득부(100)가 구비된다.First, an
스위치부(200)는 상기 도체(102)에 감겨진 코일(101)의 권선수(N)를 시간에 따라 변경한다. 즉, 스위치부(200)는 제어부(400)의 제어에 따라 일단의 접점 TM에서 타단의 접점T1으로 스위칭하면서 시간에 따라 코일(101)의 권선수(N)가 변하도록 한다. The
이때, 상기 코일(101)에는 권선을 따라 다수의 탭(미도시)이 형성되어 있고, 다수의 탭은 스위치부(200)의 각각의 접점(T1~TM)과 1:1로 대응되게 연결되어 있다.At this time, a plurality of taps (not shown) are formed on the
따라서, 스위치부(200)의 접점이 T1~TM으로 변경되면, 상기 코일(101)에 형성된 다수의 탭과의 접촉 위치가 변경하게 되어 그 권선수(N)를 변경할 수 있다.Therefore, when the contact point of the
이때, 상기 제어부(400)는 미리 설정된 프로그램에 따라 상기 스위치부(200)의 각각의 접점(T1~TM)의 변경 위치, 속도 및 횟수를 제어한다.At this time, the
상기 에너지 획득부(100)는 상기 스위치부(200)의 권선수 변경에 의하여 발생하는 전기에너지를 획득한다. 이때, 상기 에너지 획득부(100)는 상기 도체(102)에 감겨진 코일(101)로부터 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하여 전기 에너지를 획득한다.The
즉, 본 발명은 렌츠와 패러데이 법칙에 의해 유도전류는 권선을 통과하는 자기력 선속의 시간적 변화율에 비례하는 것으로 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.That is, according to the present invention, the induced current is proportional to the time-dependent rate of change of the magnetic flux passing through the winding according to the Lenz and Faraday rule, and can be expressed by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
여기서 N(t)는 권선의 수, Φ(t)는 자기력 선속이다.Where N (t) is the number of windings, and Φ (t) is the magnetic flux flux.
자기력 선속이 일정할 경우, 권선의 수를 변화시켜 유도전류를 발생하게 한다. When the magnetic flux is constant, the induction current is generated by changing the number of windings.
따라서, 도 3 및 도 4에서 보듯이 일정한 자력선이 통과하는 권선수(N)를 스위치를 접점 변경을 이용하여 변화시킴으로써 권선수(N)를 변화에 따른 유도전류를 발생시킬 수 있으며, 더욱이 그 속도 및 횟수를 제어하여 더욱 유효한 유도전류를 발생시킬 수 있다.Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, by changing the switch N through which the constant magnetic line passes, the switch can be changed by using the contact change, thereby generating the induced current according to the change of the winding N. Further, And the number of times can be controlled to generate a more effective induced current.
충전 배터리부(300)는 상기 에너지 획득부(100)에서 획득한 에너지를 저장한다. 이를 위하여 상기 충전 배터리부(300)는 통상의 충전지(rechargeable battery)가 사용될 수 있다. The
잘 알려진 바와 같이 충전지는 이미 방출된 전류를 다시 외부로부터 유입시켜 전압이 회복되는 전지로서 즉, 사용한 전지에 반대 방향의 전류를 흘려 내용물을 원래대로 되돌려 놓는 장치이다. 이와 같은 충전지의 종류로는 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 알카라인 전지, 니켈 수소(Ni-Mh), 밀폐형 납산(SLA), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 폴리머(Li-polymer) 중의 어느 하나를 적용할 수 있으며, 주로 전기 화학 반응의 가역적 특성을 이용한다.As is well known, a rechargeable battery is a battery in which a voltage is restored by introducing a current that has already been discharged from the outside, that is, a current is flowed in a reverse direction to a used battery to return the contents to the original state. Examples of such rechargeable batteries include any one of nickel-cadmium (Ni-Cd), alkaline batteries, nickel hydride (Ni-Mh), sealed lead acid (SLA), lithium ion (Li-ion), and lithium polymer And mainly utilizes reversible characteristics of the electrochemical reaction.
상기 코일(101)의 일단은 상기 충전 배터리부(300)의 일측 (예로서, +전극)에 연결되고, 상기 코일(101)의 타단은 상기 스위치부(200)의 접점 T1~TM의 변경에 따라 대응되는 특정 탭이 순차적으로 선택되면서 상기 충전 배터리부(300)의 타측 (예로서, -전극)에 연결되는 것이 바람직하다.One end of the
즉, 상기 충전배터리 부(300)의 일측은 상기 코일(101)의 일단에 연결되고, 상기 충전 배터리부(300)의 타측은 상기 스위치부(200)의 다수의 접점(T1~TM) 변경에 따라 순차적으로 선택되는 특정 위치의 상기 탭을 거쳐 상기 코일(101)의 타단에 연결된다.That is, one side of the
이와 함께 제어부(400)는 충전 배터리부(300)의 상태를 체크하면서 스위치의 변환 동작을 설정한다. 따라서, 제어부(400)는 상기 유도전류의 발생량에 따라 상기 충전 배터리부의 충전량 및 충전속도를 제어할 수 있다. At the same time, the
일예로서, 제어부(400)는 미리 설정된 배터리 전력의 기준값에 따라 과충전일 경우에는 충전상태를 차단하고, 충전량이 부족할 때는 충전 속도 및 전력을 상승시켜 신속하게 충전을 유도할 수 있다.For example, when the battery power is overcharged in accordance with a predetermined reference value of the battery power, the
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 나타낸 블록도이다.5 is a block diagram illustrating an energy harvesting apparatus using an induction current in a DC transmission environment according to another embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 도선에 직류가 흐를 때 도 5와 같은 도넛 모양의 권선을 이용할 수 있다. 이를 위하여 상기 도체(102)는 도넛 형상이고, 상기 코일(101)은 상기 도넛 형상의 도체(102)를 따라 나선형으로 감겨짐으로써, 전류유도 효율을 더욱 상승시키며 장치의 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있다. 이와 같은 구성에 따라서, 본 발명은 지속 가능한 센서네트워크를 위해 직류전류가 흐르는 도선환경에서도 에너지 하베스팅을 수행할 수 있다.As shown in FIG. 5, a donut-shaped winding as shown in FIG. 5 can be used when a direct current flows through the lead. For this purpose, the
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.The embodiments of the present invention described in the present specification and the configurations shown in the drawings relate to the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to encompass all of the technical ideas of the present invention so that various equivalents It should be understood that water and variations may be present. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. , Such changes shall be within the scope of the claims set forth in the claims.
100 : 에너지 획득부
101 : 코일
102 : 도체
200 : 스위치부
300 : 충전 배터리부
400 : 제어부
T1~TM : 접점100: Energy acquisition unit
101: Coil
102: conductor
200:
300: Rechargeable battery unit
400:
T1 to TM: Contact
Claims (5)
상기 코일에 형성된 다수의 탭과 각각의 접점의 접촉 위치를 변경하여 그 권선수를 변경하는 스위치부;
미리 설정된 프로그램에 따라 상기 스위치부의 변경 위치, 속도 및 횟수를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 에너지 획득부는, 상기 스위치부의 권선수 변경에 의하여 발생하는 유도전류를 이용하여 전기에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치.An energy acquisition unit in which a coil of a constant winding is wound around a conductor;
A switch unit for changing a contact position of each of the plurality of tabs formed on the coil and the contact point so as to change the winding position;
And a control unit for controlling the change position, speed and frequency of the switch unit according to a preset program,
Wherein the energy obtaining unit obtains electric energy by using an induced current generated by changing the winding of the switch unit.
상기 에너지 획득부에서 획득한 에너지를 저장하는 충전 배터리부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 유도전류의 발생량에 따라 상기 충전 배터리부의 충전량 및 충전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a rechargeable battery unit for storing the energy acquired by the energy acquisition unit,
Wherein the control unit controls the charging amount and the charging speed of the rechargeable battery unit according to an amount of the induction current generated.
상기 충전배터리부의 일측은 상기 코일의 일단에 연결되고,
상기 충전배터리부의 타측은 상기 스위치부의 다수의 접점 변경에 따라 순차적으로 선택되는 특정 위치의 상기 탭을 거쳐 상기 코일의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치.3. The method of claim 2,
One end of the rechargeable battery unit is connected to one end of the coil,
And the other end of the rechargeable battery unit is connected to the other end of the coil through the tab at a specific position sequentially selected according to a change of a plurality of contacts of the switch unit.
상기 에너지 획득부는
상기 스위칭부의 스위칭 동작에 따라 상기 도체에 감겨진 코일로부터 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하여 전기 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 3,
The energy obtaining unit
Wherein an electric energy is obtained by using an electromagnetic induction phenomenon generated from a coil wound on the conductor according to a switching operation of the switching unit.
상기 도체는 도넛 형상이고, 상기 코일은 상기 도넛 형상의 도체를 따라 나선형으로 감겨진 것을 특징으로 하는 직류전송환경에서 유도전류를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the conductor has a donut shape and the coil is helically wound along the donut-shaped conductor. 2. The energy harvesting apparatus according to claim 1, wherein the conductor is a donut-shaped conductor.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200008730A (en) | 2018-07-17 | 2020-01-29 | 인하대학교 산학협력단 | energy harvesting pager |
| KR20200051894A (en) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | 한국철도기술연구원 | Magnetic field coupling device for energy havesting of power line |
-
2016
- 2016-05-03 KR KR1020160054759A patent/KR20170124835A/en not_active Application Discontinuation
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| KR20200008730A (en) | 2018-07-17 | 2020-01-29 | 인하대학교 산학협력단 | energy harvesting pager |
| KR20200051894A (en) * | 2018-11-05 | 2020-05-14 | 한국철도기술연구원 | Magnetic field coupling device for energy havesting of power line |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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