KR20190033675A - 다중공명 압전 에너지 하베스터 - Google Patents

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Abstract

대역폭 향상을 위해 복수의 벤더형 압전 하베스터 모듈을 결합하는 것에 의해 다중공명이 가능하도록 설계된 다중공명 압전 에너지 하베스터에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는 복수의 압전 하베스터 모듈이 결합된 다중공명 압전 에너지 하베스터로서, 상기 압전 하베스터 모듈 각각은 플레이트 구조의 금속판; 상기 금속판에 부착된 압전 시트; 상기 금속판의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스가 구비된 지지대; 및 상기 금속판 하면의 중앙 부분에 부착되어, 상기 리세스 내에 배치된 무게 추; 를 포함하며, 상기 복수의 압전 하베스터 모듈 각각의 무게 추는 서로 상이한 무게를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

다중공명 압전 에너지 하베스터{MULTI-RESONANCE PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTER}
본 발명은 다중공명 압전 에너지 하베스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대역폭 향상을 위해 복수의 벤더형 압전 하베스터 모듈을 결합하는 것에 의해 다중공명이 가능하도록 설계된 다중공명 압전 에너지 하베스터에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 태양광 발전, 열전소자의 지백(Zeeback) 효과를 이용하여 온도 차로부터 전기 에너지를 얻는 열전 발전 및 압전체를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전으로 구분될 수 있다. 이 중, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.
압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 다른 발전 방식 보다 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지의 변환 효율 또한 높은 장점을 갖는다. 또한, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.
대부분의 압전 에너지 하베스터는 금속판에 압전 시트가 부착된 압전 캔틸레버 형태를 이용하여 에너지를 수확하고 있다. 그러나, 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터의 경우, 공진 주파수 부근에서 발전량이 높게 나타나고 공진 주파수를 벗어나게 되면 발전량이 현저히 낮아지게 된다. 이에 따라, 압전 에너지 하베스터의 진동원이 고정된 주파수가 아닌 여러 대역에 걸쳐 진동하는 경우에는 에너지 하베스팅시 원하는 발전량을 얻기가 어렵다는 문제가 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허 10-1713798호(2017.03.08 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 광대역 압전 에너지 하베스터가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 대역폭 향상을 위해 복수의 벤더형 압전 하베스터 모듈을 결합하는 것에 의해 다중공명이 가능하도록 설계된 다중공명 압전 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는 복수의 압전 하베스터 모듈이 결합된 다중공명 압전 에너지 하베스터로서, 상기 압전 하베스터 모듈 각각은 플레이트 구조의 금속판; 상기 금속판에 부착된 압전 시트; 상기 금속판의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스가 구비된 지지대; 및 상기 금속판 하면의 중앙 부분에 부착되어, 상기 리세스 내에 배치된 무게 추; 를 포함하며, 상기 복수의 압전 하베스터 모듈 각각의 무게 추는 서로 상이한 무게를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는 복수의 압전 하베스터 모듈이 결합된 다중공명 압전 에너지 하베스터로서, 상기 압전 하베스터 모듈 각각은 플레이트 구조의 금속판; 상기 금속판에 부착된 압전 시트; 상기 금속판의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스가 구비된 지지대; 상기 금속판 하면의 중앙 부분에 부착되어, 상기 리세스 내에 배치된 무게 추; 및 상기 금속판과 지지대 사이에 장착된 탄성 부재; 를 포함하며, 상기 복수의 압전 하베스터 모듈 각각의 무게 추는 서로 상이한 무게를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는, 압전 시트가 부착된 금속판이 캔틸레버 형태로 지지대에 고정되는 것이 아니라, 압전 시트가 부착된 금속판의 가장자리가 고정되는 벤더형 구조를 갖기 때문에 금속판의 중앙에 매달리도록 장착된 무게 추에 의해 전압의 피크가 2개 이상 나타나게 되며, 복수의 압전 하베스터 모듈들을 결합하는 것에 의해 대역폭을 확장시키는 것이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는, 압전 시트가 부착된 금속판이 캔틸레버 형태로 지지대에 고정되는 것이 아니라, 압전 시트가 부착된 금속판의 가장자리가 탄성 부재를 매개로 지지대에 고정되는 벤더형 구조를 갖기 때문에 금속판의 중앙에 매달리도록 장착된 무게 추에 의해 전압의 피크가 2개 이상 나타나게 되며, 복수의 압전 하베스터 모듈들을 결합하는 것에 의해 대역폭을 확장시키는 것이 가능해질 수 있다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는 지지대와 금속판 상호 간을 탄성 부재로 결합한 구조이므로 공진주파수를 낮출 수 있게 되며, 무게 추의 무게를 증가시킬 경우에도 공진주파수를 낮출 수 있으므로, 설치하고자 하는 진동원의 주파수를 측정하여 그 진동 주파수 영역에서 일정 전력 이상이 발생되도록 공진주파수를 무게 추와 지지대에 결합되는 탄성 부재의 탄성계수를 이용하여 조절하는 것이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터를 나타낸 모식도.
도 2는 도 1의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 사시도.
도 3은 도 1의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터를 나타낸 모식도.
도 5는 도 4의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 사시도.
도 6은 도 4의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 단면도.
도 7은 스프링 결합된 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터의 발전특성을 나타낸 그래프.
도 8은 스프링 없는 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터에 대한 무게 추의 질량별 발전량을 측정하여 나타낸 그래프.
도 9는 스프링 없는 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터에 대한 발전량 측정 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터를 나타낸 모식도이고, 도 2는 도 1의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 1의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터(100)는 복수의 압전 하베스터 모듈(150)이 결합된다. 복수의 압전 하베스터 모듈(150)은 상호 간이 수평 방향으로 결합되는 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 수직 구조로 적층되는 구조를 가질 수도 있다. 여기서, 복수의 압전 하베스터 모듈(150)이 3개 결합된 것을 나타내었으나, 이는 예시적인 것으로 그 수는 다양하게 변경될 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
이러한 압전 하베스터 모듈(150) 각각은 금속판(110), 압전 시트(120), 지지대(130) 및 무게 추(140)를 포함한다.
금속판(110)은 플레이트 구조를 갖는다. 이러한 금속판(110)은 압전 시트(120)를 안착시키기 위한 것으로, 그 재질은 탄성을 갖는 금속이며, 그 구체적인 예로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
압전 시트(120)는 금속판(110)에 부착된다. 이러한 압전 시트(120)는 금속판(110)의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상이 부착될 수 있다. 이때, 압전 시트(120)의 재질로는 (Na, K)NbO3, (Na, K, Li)NbO3, BiFeO3, BaTiO3 등에서 선택될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 압전 특성을 나타내는 것이라는 제한 없이 사용될 수 있다.
지지대(130)는 금속판(110)의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스(R)가 구비된다. 구체적으로, 지지대(130)는 금속판(110)과 평행하게 이격 배치된 수평부(130a)와, 수평부(130a)로부터 수직 방향으로 연장되어, 금속판(110)의 가장자리에 맞닿도록 배치된 수직부(130b)를 갖는다.
이에 따라, 압전 시트(120)가 부착된 금속판(110)은 지지대(130)의 수직부(130b)와 맞닿도록 장착되어 고정된다.
무게 추(140)는 금속판(110) 하면의 중앙 부분에 부착되어, 리세스(R) 내에 배치된다. 여기서, 복수의 압전 하베스터 모듈(150) 각각의 무게 추(140)는 서로 상이한 무게를 갖는다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는, 압전 시트가 부착된 금속판이 캔틸레버 형태로 지지대에 고정되는 것이 아니라, 압전 시트가 부착된 금속판의 가장자리가 고정되는 벤더형 구조를 갖기 때문에 금속판의 중앙에 매달리도록 장착된 무게 추에 의해 전압의 피크가 2개 이상 나타나게 되며, 복수의 압전 하베스터 모듈들을 결합하는 것에 의해 대역폭을 확장시키는 것이 가능해질 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터를 나타낸 모식도이고, 도 5는 도 4의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 사시도이며, 도 6은 도 4의 압전 하베스터 단위 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터(100)는 복수의 압전 하베스터 모듈(150)이 결합된다. 복수의 압전 하베스터 모듈(150)은 상호 간이 수평 방향으로 결합되는 구조를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 수직 구조로 적층되는 구조를 가질 수도 있다. 여기서, 복수의 압전 하베스터 모듈(150)이 3개 결합된 것을 나타내었으나, 이는 예시적인 것으로 그 수는 다양하게 변경될 수 있다는 것은 자명한 사실일 것이다.
이때, 압전 하베스터 모듈(150) 각각은 금속판(110), 압전 시트(120), 지지대(130), 무게 추(140) 및 탄성 부재(150)를 포함한다.
금속판(110)은 플레이트 구조를 갖는다. 이러한 금속판(110)은 압전 시트(120)를 안착시키기 위한 것으로, 그 재질은 탄성을 갖는 금속이며, 그 구체적인 예로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
압전 시트(120)는 금속판(110)에 부착된다. 이러한 압전 시트(120)는 금속판(110)의 상면 및 하면 중 적어도 하나 이상이 부착될 수 있다. 이때, 압전 시트(120)의 재질로는 (Na, K)NbO3, (Na, K, Li)NbO3, BiFeO3, BaTiO3 등에서 선택될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 압전 특성을 나타내는 것이라는 제한 없이 사용될 수 있다.
지지대(130)는 금속판(110)의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스(R)가 구비된다. 구체적으로, 지지대(130)는 금속판(110)과 평행하게 이격 배치된 수평부(130a)와, 수평부(130a)로부터 수직 방향으로 연장되어, 금속판(110)의 가장자리에 맞닿도록 배치된 수직부(130b)를 갖는다.
탄성 부재(150)는 금속판(110)과 지지대(130) 사이에 장착된다. 이때, 탄성 부재(150)는 판 스프링, 코일 스프링 등을 포함하는 스프링이 이용될 수 있다.
여기서, 지지대(130)의 수직부(130b)는 금속판(110)의 네 가장자리에 각각 맞닿도록 배치되며, 탄성 부재(150)는 지지대(130)의 수직부(130b)와 금속판(110) 사이에 각각 장착된다. 이에 따라, 압전 시트(120)가 부착된 금속판(110)은 탄성 부재(150)에 의해 지지대(130)의 수직부(130b)에 고정된다.
무게 추(140)는 금속판(110) 하면의 중앙 부분에 부착되어, 리세스(R) 내에 배치된다. 여기서, 복수의 압전 하베스터 모듈(150) 각각의 무게 추(140)는 서로 상이한 무게를 갖는다.
전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는, 압전 시트가 부착된 금속판이 캔틸레버 형태로 지지대에 고정되는 것이 아니라, 압전 시트가 부착된 금속판의 가장자리가 탄성 부재를 매개로 지지대에 고정되는 벤더형 구조를 갖기 때문에 금속판의 중앙에 매달리도록 장착된 무게 추에 의해 전압의 피크가 2개 이상 나타나게 되며, 복수의 압전 하베스터 모듈들을 결합하는 것에 의해 대역폭을 확장시키는 것이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중공명 압전 에너지 하베스터는 지지대와 금속판 상호 간을 탄성 부재로 결합한 구조이므로 공진주파수를 낮출 수 있게 되며, 무게 추의 무게를 증가시킬 경우에도 공진주파수를 낮출 수 있게 된다.
이 결과, 설치하고자 하는 진동원의 주파수를 측정하여 그 진동 주파수 영역에서 일정 전력 이상이 발생되도록 공진주파수를 무게 추와 지지대에 결합되는 탄성 부재의 탄성계수를 이용하여 조절하는 것이 가능해질 수 있다.
한편, 도 7은 스프링 결합된 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터의 발전특성을 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 스프링 결합된 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터는 압전 시트가 부착된 금속판이 탄성 부재에 의해 고정되는 벤더형 구조로서, 압전 하베스터 모듈 3개, 즉 서로 다른 질량을 갖는 3개의 무게 추를 결합한 경우 전압의 피크가 2개 이상으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 스프링 없는 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터에 대한 무게 추의 질량별 발전량을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 스프링 없는 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터에 대한 발전량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 스프링 없는 벤더형 다중공명 압전 에너지 하베스터의 경우, 무게 추의 질량이 증가할수록 공진주파수가 낮아지는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이때, 도 9에 도시된 바와 같이, 대역폭을 향상시키기 위해 무게 추가 다른 3개의 벤더형 압전 하베스터 모듈을 결합하여 제작한 다중공명 압전 에너지 하베스터의 경우, 진동주파수 피크가 2개 이상 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 벤더형 압전 하베스터 모듈을 다수 결합하는 것에 의해 다중공명이 가능한 다중공명 압전 에너지 하베스터의 제작이 가능함을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 다중공명 압전 에너지 하베스터 110 : 금속판
120 : 압전 시트 130 : 지지대
130a : 지지대의 수평부 130b : 지지대의 수직부
140 : 무게 추 150 : 압전 하베스터 모듈
160 : 탄성 부재 R : 리세스

Claims (8)

  1. 복수의 압전 하베스터 모듈이 결합된 다중공명 압전 에너지 하베스터로서,
    상기 압전 하베스터 모듈 각각은
    플레이트 구조의 금속판;
    상기 금속판에 부착된 압전 시트;
    상기 금속판의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스가 구비된 지지대; 및
    상기 금속판 하면의 중앙 부분에 부착되어, 상기 리세스 내에 배치된 무게 추; 를 포함하며,
    상기 복수의 압전 하베스터 모듈 각각의 무게 추는 서로 상이한 무게를 갖는 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 시트는
    상기 금속판의 상면 및 하면 중 적어도 하나에 부착된 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지대는
    상기 금속판과 평행하게 이격 배치된 수평부와,
    상기 수평부로부터 수직 방향으로 연장되어, 상기 금속판의 가장자리에 맞닿도록 배치된 수직부를 갖는 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  4. 복수의 압전 하베스터 모듈이 결합된 다중공명 압전 에너지 하베스터로서,
    상기 압전 하베스터 모듈 각각은
    플레이트 구조의 금속판;
    상기 금속판에 부착된 압전 시트;
    상기 금속판의 가장자리를 지지하며, 내부 중앙에 리세스가 구비된 지지대;
    상기 금속판 하면의 중앙 부분에 부착되어, 상기 리세스 내에 배치된 무게 추; 및
    상기 금속판과 지지대 사이에 장착된 탄성 부재; 를 포함하며,
    상기 복수의 압전 하베스터 모듈 각각의 무게 추는 서로 상이한 무게를 갖는 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지지대는
    상기 금속판과 평행하게 이격 배치된 수평부와,
    상기 수평부로부터 수직 방향으로 연장되어, 상기 금속판의 가장자리에 맞닿도록 배치된 수직부를 갖는 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 지지대의 수직부는 상기 금속판의 네 가장자리에 각각 맞닿도록 배치되며,
    상기 탄성 부재는 상기 지지대의 수직부와 금속판 사이에 각각 장착된 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄성 부재는
    스프링인 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 다중공명 압전 에너지 하베스터는
    상기 무게 추와 탄성 부재를 이용하여 공진주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 다중공명 압전 에너지 하베스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110039864A (ko) * 2009-10-12 2011-04-20 서울대학교산학협력단 에너지 하베스터
JP2011152004A (ja) * 2010-01-22 2011-08-04 Toyota Central R&D Labs Inc 発電ユニットおよび発電装置
JP5761336B2 (ja) * 2011-04-07 2015-08-12 株式会社村田製作所 圧電発電装置

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