WO2015147560A1 - 전력 발생 장치 - Google Patents

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WO2015147560A1
WO2015147560A1 PCT/KR2015/002950 KR2015002950W WO2015147560A1 WO 2015147560 A1 WO2015147560 A1 WO 2015147560A1 KR 2015002950 W KR2015002950 W KR 2015002950W WO 2015147560 A1 WO2015147560 A1 WO 2015147560A1
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WO
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impact
power
housing
impactor
generating device
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/002950
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English (en)
French (fr)
Inventor
지창현
주선아
Original Assignee
이화여자대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이화여자대학교 산학협력단 filed Critical 이화여자대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • a power generating apparatus according to an embodiment, and more particularly, a power generating apparatus capable of generating energy by impact.
  • Energy harvesting can be used to convert the energy discarded from the surroundings into electrical energy that can be harvested and used. This is one of the fields of micro power production. It can be applied to fields such as wireless sensor nodes and low power electronic devices.
  • Vibration is an excellent resource for a wide range of applications in that it is easily available among many energy sources and is sufficient in the environment.
  • Korean Patent Application Publication No. 10-2013-0057062 discloses a power generation apparatus using a marine shock.
  • the published patent is characterized by producing electricity by directly using the impact force of the sea.
  • the conventional piezoelectric power generation apparatus using a shock directly impacts the piezoelectric module, so that the piezoelectric module may be damaged and the stability may be deteriorated.
  • the conventional power generator using the spring-damper-mass system has a problem of generating a high output only near the resonance frequency.
  • An object according to an embodiment is to provide a power generator that can generate power without directly impacting the piezoelectric element, thereby increasing stability.
  • An object according to an embodiment is to provide a power generating device capable of generating power in a wide frequency range without being limited to a resonance frequency.
  • An object according to an embodiment is to provide a power generating device that can be applied to various fields through miniaturization.
  • the object according to an embodiment as described above is achieved by providing a power generating device as follows.
  • a power generating device includes a housing including an impact wall, a housing including an inner space, a shock body movable in the inner space of the housing, and a harvesting force generated by receiving an impact amount applied to the impact wall. It may include a unit.
  • the harvest unit may include at least one end of the support portion fixed to the impact wall and a piezoelectric element attached to the support portion.
  • the harvest unit may further include a mass weight provided on the support.
  • the support may be characterized in that the elastic material.
  • the harvest unit may be plural and fixed to the plurality of impact walls to be disposed to face each other.
  • the impactor may be characterized in that the magnetic body.
  • the harvest unit may generate additional power by the change of the magnetic field due to the movement of the impactor.
  • the impact member may be characterized in that the spherical shape.
  • the impact wall is rotatable, it may be characterized in that by rotating the impact of the impact body to shrink the support.
  • the bottom surface of the housing may be characterized in that rotatable.
  • the impactor may collide with the sidewall piezoelectric element to generate additional power.
  • the bottom surface of the housing may include a friction reducing member for reducing friction or lubricant may be applied.
  • the power generating apparatus may generate power without directly impacting the piezoelectric element, thereby increasing stability.
  • the power generating apparatus may generate power in a wide frequency range without being limited to the resonance frequency.
  • the power generating apparatus may be applied to various fields through miniaturization.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power generating apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power generating device according to another embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power generator according to still another embodiment.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a peak to peak open circuit voltage value according to an input frequency and an acceleration of a power generator according to an embodiment.
  • 5 is a graph comparing output voltages measured by a power generator with a mass weight and a power generator without a mass weight.
  • FIG. 6A is a graph illustrating waveforms of an open circuit voltage of a power generator having a mass weight
  • FIG. 6B is a graph illustrating waveforms of an open circuit voltage of a power generator without a mass weight.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a relationship between an RMS voltage and an average power vs. a load resistance of a power generator according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power generation device 1 according to an embodiment.
  • the power generator 1 may generate power by using an impact applied to the housing 110 while moving the impactor 120 by external vibration.
  • the vibration generated by the impact may be transmitted to the harvest unit 130 to generate power.
  • the power generation device 1 may include a housing 110, an impactor 120, and a harvest unit 130.
  • the housing 110 may include an impact wall 111 and may have an inner space 112.
  • the impact wall 111 may form both sidewalls of the housing 110.
  • the impactor 120 may move in the inner space 112 of the housing 110. When vibration occurs in the housing 110, the impactor 120 may collide with the impact wall 111 while moving.
  • the impactor 120 may have a spherical shape.
  • the spherical impactor 120 may be easily moved in the internal space 112 of the housing 110.
  • other shapes of impact bodies 120 such as polyhedrons, may be used.
  • Metal may be used as the material of the impactor 120.
  • the harvest unit 130 may generate electric power by receiving an impact amount applied by the impact body 120 to the impact wall 111.
  • vibration may occur in the housing 110.
  • the generated vibration is transmitted to the harvest unit 130, so that the harvest unit 130 may generate electric power. Since the impact is not directly applied to the harvest unit 130, there is little possibility of damage to the harvest unit 130 and stability may be high.
  • a spring-damper-mass structure is not used, power can be generated in a wide range without being limited to the resonance frequency.
  • Housing 110 may be constructed of a material that is beneficial for transmitting vibrations.
  • Aluminum can be used, for example. It may be composed of other materials.
  • the harvest unit 130 may be a power generation unit including a piezoelectric element 132.
  • the harvest unit 130 may include a support part 131 and a piezoelectric element 132. At least one end of the support part 131 may be fixed to the impact wall 111.
  • the support 131 may have a cantilever structure having one end fixed thereto or a bridge structure having both ends fixed thereto. Cantilever structures may be advantageous for vibration. In some cases, however, a bridge structure may be advantageous and an exemplary form is shown in FIG. 2.
  • the harvest unit 130 may be provided in plurality.
  • the harvest unit 130 may be fixed to the impact wall 111 and disposed to face each other.
  • An exemplary form is shown in FIG. 3.
  • the piezoelectric element has a piezoelectric effect in which voltage is generated when mechanical pressure is applied.
  • the piezoelectric element 132 may be attached to the support 131.
  • a piezoelectric fiber-based piezoelectric fiber composite (MFC) may be used as the piezoelectric element 132.
  • Other piezoelectric elements may be used.
  • the harvest unit 130 may further include a mass weight 133 provided on the support part 131.
  • the mass weight 133 is attached, since the amplitude of the support 131 increases due to gravity, more power may be generated. The effect of the mass weight 133 is explained with the graph of FIG.
  • the support part 131 is made of an elastic material, and large vibration may occur for a long time. The greater the amplitude and the longer the vibration, the greater the amount of deformation of the piezoelectric element 132. If the support 131 is made of an elastic material, it may be advantageous for power generation.
  • the support 131 may be made of another material.
  • the support part 131 may be made of a piezoelectric element.
  • the impactor 120 may be a magnetic body.
  • it may be made of a permanent magnet.
  • the support 131 may include a magnetostrictive material (not shown). This may be a configuration for generating additional power.
  • the magnetostrictive material (not shown) may be mechanically deformed according to the change in the magnetic field.
  • the piezoelectric element 132 and the magnetostrictive material may be stacked on the support part 131.
  • One piezoelectric element 132 and one magnetostrictive material (not shown) may be stacked, or a plurality of piezoelectric elements 132 or magnetostrictive material (not shown) may be stacked.
  • the power generating device 1 basically generates energy by vibration generated by the impact, but may generate additional power in the above configuration.
  • the power generator 1 may further include a sidewall piezoelectric element (not shown) attached to the impact wall 111.
  • the impactor 120 may collide with the sidewall piezoelectric element (not shown) to generate power.
  • the bottom surface 113 of the housing 110 may include a friction reducing member 140 or a lubricant may be applied to reduce the frictional force.
  • a friction reducing member 140 or a lubricant may be applied to reduce the frictional force.
  • the impactor 120 may move more smoothly in the inner space 112 of the housing 110.
  • the impact amount applied to the impact wall 111 may increase. Thus, high power can be generated.
  • a Teflon sheet may be used as the friction reducing member 140.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power generator 2 according to another embodiment.
  • the power generation device 2 may include a configuration for generating additional power.
  • the impact wall 211 may be rotatable.
  • the impact wall 211 may be perpendicular to the bottom surface of the housing 210 before colliding with the impact body 220, and may rotate when the impact body 220 is impacted.
  • the angle that can be rotated is limited so that the impactor 220 may not deviate from the internal space.
  • the connection portion 212 that is the center of rotation may include an elastic body. Therefore, when the impact body 220 is spaced apart from the impact wall 211, the impact body 220 may return to the initial state perpendicular to the bottom surface of the housing 210.
  • the position of the impact wall 211, the position of the connection portion 212, the rotation angle and the like are exemplary forms.
  • the impact wall 211 shown by the dotted line in FIG. 2 shows a rotating form.
  • the support part 231 may be connected to the impact wall 211.
  • the impact body 220 may collide with the impact wall 211, and the impact wall 211 may rotate in the inward direction of the support part 231. As the impact wall 211 rotates, the support part 231 or the piezoelectric element 232 may contract. High power may be generated when the piezoelectric element 232 is contracted.
  • the power generator 1 basically generates power by vibration of the harvest unit 230. However, it is possible to generate additional power, including the above configuration capable of shrinking the piezoelectric element 232.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a power generating device 3 according to another embodiment.
  • the bottom surface 313 of the housing 310 may be rotatable.
  • the center portion 312 of the bottom surface 313 may be fixed.
  • the bottom surface 313 may rotate in the moving direction of the impactor 320 based on the center portion 312. If the bottom surface 320 is capable of unlimited rotation, the rotor 320 may leave the inner space or collide with the harvest unit 330. Therefore, the rotation angle of the bottom surface 313 may be limited.
  • the inclination of the bottom surface 313 may be changed to increase the moving speed of the impactor 320.
  • large vibration may occur. Thus high power can be generated.
  • the configuration of the power generating device 3 depicted above is an exemplary form.
  • the plurality of harvest units 330 illustrated in FIG. 3 may be applied to the power generator 1 of FIG. 1.
  • FIG. 4 to 7 are graphs showing the results of experiments using the power generator.
  • a power generator 1 of the type shown in FIG. 1 may be used.
  • the power generating device used in the experiment may include a spherical metal impactor having a diameter of 5 mm.
  • a piezoelectric element a piezoelectric fiber composite (MFC) sheet is used, and the piezoelectric fiber composite sheet may have an area of 26 ⁇ 6.5 mm 2.
  • a mass of 1.6 g may be attached.
  • the housing is made of aluminum and the length of the housing can be 25 mm.
  • the volume of the power generating device may be 26 ⁇ 10 ⁇ 8 mm 3.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a peak to peak open circuit voltage value according to an input frequency and an acceleration of a power generator according to an embodiment.
  • the output was measured at input accelerations varying in sine waves from 7 Hz to 20 Hz at 1 Hz intervals and from 1 g to 3 g at 0.5 g intervals.
  • the output voltage increased constantly.
  • a constant output voltage appeared. From this, it can be seen that a high output value can be obtained at high acceleration and high frequency.
  • 5 is a graph comparing output voltages measured by a power generator with a mass weight and a power generator without a mass weight.
  • the power generator with the mass weight showed higher output voltage values at all frequencies and acceleration ranges than the power generator without the mass weight. From this it can be seen that mass weights can help to generate high power.
  • the maximum value of the output voltage was 17.04 V with the mass weight and 6.24 V without the mass weight at an acceleration of 3 g and a frequency of 20 Hz.
  • FIG. 6A is a graph illustrating waveforms of an open circuit voltage of a power generator having a mass weight
  • FIG. 6B is a graph illustrating waveforms of an open circuit voltage of a power generator without a mass weight.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a relationship between an RMS voltage and an average power vs. a load resistance of a power generator according to an embodiment.
  • the power generation device 1 can generate power of a size that can be used in real life.
  • the above-described power generating devices 1, 2, 3 can generate power without directly impacting the piezoelectric element, can generate power in a wide frequency range without being limited to the resonance frequency, and can be variously miniaturized. Applicable to the field.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

일 실시 예에 따른 전력 발생 장치가 개시되고, 더 구체적으로는 충격에 의하여 에너지를 생성할 수 있는 전력 발생 장치가 개시된다. 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치는 충격벽을 포함하여 내부공간을 구비하는 하우징, 상기 하우징의 내부공간 내에서 이동 가능한 충격체 및 상기 충격체가 상기 충격벽에 가하는 충격량을 전달받아 전력을 생성하는 하베스트 유닛을 포함할 수 있다.

Description

전력 발생 장치
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치가 개시되고, 더 구체적으로는 충격에 의하여 에너지를 생성할 수 있는 전력 발생 장치가 개시된다.
에너지 하베스팅(ENERGY HARVESTING)를 통해 주변에서 버려지는 에너지를 수확하여 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하여 이용할 수 있다. 이것은 마이크로 전력 생산 분야 중 하나이다. 무선 센서 노드 및 저전력 전자장치 등의 분야에 적용될 수 있다.
열, 진동, 빛, 전파 등 다양한 에너지 등을 활용할 수 있다. 진동은 많은 에너지원 중에서도 쉽게 활용할 수 있고 주위 환경에 충분히 존재한다는 점에서 다양한 분야에 적용할 수 있는 훌륭한 자원이 될 수 있다.
예를 들어, 공개 특허 제 10-2013-0057062호에는 해상 충격을 이용한 발전장치가 개시된다. 상기 공개 특허는 해상의 충격력을 직접적으로 이용하여 전기를 생산하는 것에 특징이 있다.
다만, 종래의 충격을 이용한 압전 발전 장치는 압전 모듈에 직접 충격을 가하므로, 압전 모듈이 손상되어 안정성이 떨어질 수 있다는 문제가 있다.
또한, 기존의 스프링-댐퍼-질량 시스템을 이용한 전력 발생 장치는 공진주파수 부근에서만 높은 출력을 발생시킨다는 문제가 있다.
일 실시 예에 따른 목적은, 압전소자에 직접적인 충격을 가하지 않고 전력을 생성할 수 있어 안정성을 높일 수 있는 전력 발생 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은, 공진주파수에 한정되지 않고 넓은 주파수 범위에서 전력을 생성할 수 있는 전력 발생 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 목적은, 소형화를 통해 다양한 분야에 적용될 수 있는 전력 발생 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 일 실시 예에 따른 목적은 하기와 같은 전력 발생 장치를 제공함으로써 달성된다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치는 충격벽을 포함하여 내부공간을 구비하는 하우징, 상기 하우징의 내부공간 내에서 이동 가능한 충격체 및 상기 충격체가 상기 충격벽에 가하는 충격량을 전달받아 전력을 생성하는 하베스트 유닛을 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하베스트 유닛은 적어도 일 단이 상기 충격벽과 고정된 지지부 및 상기 지지부에 부착된 압전소자를 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하베스트 유닛은 상기 지지부 상에 구비되는 질량추를 더 포함할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 지지부는 탄성 있는 재질인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 측에 있어서. 상기 하베스트 유닛은 복수이며, 복수의 상기 충격벽에 고정되어 상호간 마주보도록 배치될 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 충격체는 자성체인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하베스트 유닛은 상기 충격체의 이동에 의한 자기장의 변화에 의하여 추가 전력을 생성할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 충격체는 구형상인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 충격벽은 회동 가능하여, 상기 충격체의 충격에 의하여 회동하여 상기 지지부를 수축시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하우징의 바닥면은 회동 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하우징의 충격벽에 부착된 측벽압전소자를 더 포함하고, 상기 충격체가 상기 측벽압전소자와 충돌하여 추가 전력을 생성할 수 있다.
일 측에 있어서, 상기 하우징의 바닥면은 마찰력을 감소시키기 위한 마찰저감부재를 포함하거나 윤활제가 도포될 수 있다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치는, 압전소자에 직접적인 충격을 가하지 않고도 전력을 생성할 수 있어 안정성을 높일 수 있다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치는, 공진주파수에 한정되지 않고 넓은 주파수 범위에서 전력을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치는, 소형화를 통해 다양한 분야에 적용될 수 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 또 다른 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 입력 주파수 및 가속도에 따른 피크 투 피크(peak to peak) 개방 회로 전압값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 질량추를 구비한 전력 발생 장치 및 질량추를 구비하지 않은 전력 발생 장치로 측정한 출력 전압을 비교하는 그래프이다.
도 6a는 일 실시 예에 따른 질량추를 구비한 전력 발생 장치의 개방회로 전압의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 6b는 질량추를 구비하지 않은 전력 발생 장치의 개방회로 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 RMS 전압 및 평균 전력 대 부하 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면 실시 예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 여러 태양 중 하나이며, 하기의 기술은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치(1)의 구성을 도시하는 개략도이다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치(1)는 외부 진동에 의하여 충격체(120) 이동하면서 하우징(110)에 가하는 충격을 이용하여 전력을 발생시킬 수 있다. 특히, 압전소자(132)에 직접 충격을 가하지 않고, 충격으로 발생하는 진동이 하베스트 유닛(130)에 전달되어 전력을 생성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 전력 발생 장치(1)는 하우징(110), 충격체(120), 하베스트 유닛(130)을 포함할 수 있다.
하우징(110)은 충격벽(111)을 포함하여 내부공간(112)을 구비할 수 있다. 충격벽(111)은 하우징(110)의 양 측벽을 이룰 수 있다.
충격체(120)는 하우징(110)의 내부공간(112) 내에서 이동할 수 있다. 하우징(110)에 진동이 발생하면 충격체(120)는 이동하면서 충격벽(111)과 충돌할 수 있다.
충격체(120)는 구형상일 수 있다. 구형상의 충격체(120)는 하우징(110)의 내부공간(112)에서 이동이 용이할 수 있다. 다만, 다면체 등 다른 형상의 충격체(120)가 사용될 수도 있다. 충격체(120)의 재료로는 금속이 사용될 수 있다.
하베스트 유닛(130)은 충격체(120)가 충격벽(111)에 가하는 충격량을 전달받아 전력을 생성할 수 있다. 충격체(120)가 충격벽(111)에 충격을 가하면 하우징(110)에 진동이 발생할 수 있다. 발생한 진동이 하베스트 유닛(130)에 전달되어, 하베스트 유닛(130)이 전력을 생성할 수 있다. 하베스트 유닛(130)에 직접 충격을 가하지 않기 때문에 하베스트 유닛(130)의 손상 가능성이 적고, 안정성이 높을 수 있다. 또한, 스프링-댐퍼-질량의 구조를 사용하지 않기 때문에 공진주파수에 한정되지 않고 넓은 범위에서 전력을 생성할 수 있다.
하우징(110)은 진동을 전달하는데 유리한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어 알루미늄이 사용될 수 있다. 다른 재료로 구성될 수도 있다.
하베스트 유닛(130)은 압전소자(132)(piezoelectric element)를 포함하는 발전 유닛일 수 있다. 하베스트 유닛(130)은 지지부(131) 및 압전소자(132)를 포함할 수 있다. 지지부(131)는 적어도 일 단이 충격벽(111)과 고정될 수 있다. 지지부(131)는 일 단이 고정된 캔틸레버(cantilever) 구조일 수 있고, 양 단이 고정된 브릿지(bridge) 구조일 수 있다. 캔틸레버 구조가 진동에 유리할 수 있다. 다만, 경우에 따라 브릿지 구조가 유리할 수도 있고 도 2에 그 예시적인 형태가 도시된다.
하베스트 유닛(130)은 복수로 마련될 수 있다. 하베스트 유닛(130)은 충격벽(111)에 고정되어 상호간 마주보도록 배치될 수 있다. 도 3에 그 예시적인 형태가 도시된다.
압전소자는 기계적 압력을 인가하면 전압이 발생하는 압전효과를 지닌다.압전소자(132)는 지지부(131)에 부착될 수 있다. 압전소자(132)로는 압전섬유 기반의 압전섬유 복합체(MFC; Macro Fiber Composite)가 사용될 수 있다. 다른 압전소자가 사용될 수도 있다.
지지부(131)가 진동하면 압전소자(132)에 변형이 발생하여 전력이 생성될 수 있다. 하베스트 유닛(130)은 지지부(131) 상에 구비되는 질량추(133)를 더 포함할 수 있다. 질량추(133)가 부착되면 중력으로 인하여 지지부(131)의 진폭이 커지므로 더 많은 전력이 생성될 수 있다. 질량추(133)의 효과는 도 5의 그래프와 함께 설명된다.
지지부(131)는 탄성있는 재질로 이루어져 큰 폭의 진동이 오랫동안 발생할 수 있다. 진폭이 크고 진동이 오래 지속될수록 압전소자(132)의 변형량이 많아질 수 있다. 지지부(131)가 탄성있는 재질로 이루어지면 전력 생성에 유리할 수 있다.
다만 지지부(131)는 다른 재질로 이루어질 수도 있다. 예를 들어 지지부(131)가 압전소자로 이루어 질 수도 있다.
충격체(120)는 자성체 일 수 있다. 예를 들어, 영구자석으로 이루어질 수 있다. 지지부(131)는 자기변형물질(미도시)을 구비할 수 있다. 이는 추가적인 전력을 생성하기 위한 구성일 수 있다. 자기변형물질(미도시)은 자기장의 변화에 따라 기계적 변형이 일어날 수 있다.
지지부(131)에 압전소자(132) 및 자기변형물질(미도시)이 적층될 수 있다. 하나의 압전소자(132) 및 하나의 자기변형물질(미도시)이 적층되거나 복수의 압전소자(132) 또는 자기변형물질(미도시)이 적층될 수 있다.
영구자석으로 구성된 충격체(120)가 하우징(110) 내부공간(112)에서 이동하면 상기 내부공간(112)에 자기장 변화가 발생할 수 있다. 이러한 자기장의 변화는 자기변형물질(미도시)에 기계적 변형을 유발할 수 있다. 예를 들어 수축될 수 있다. 자기변형물질(미도시)에 변형이 발생되면 압전소자(132)에 변형이 발생되어 전력을 생성할 수 있다. 전력 발생 장치(1)는 기본적으로 충격에 의하여 발생한 진동으로 에너지를 생성하지만, 상기 구성으로 추가적인 전력을 생성할 수 있다.
전력 발생 장치(1)는 충격벽(111)에 부착된 측벽압전소자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 하베스트 유닛(130)이 진동하여 전력을 생성하는 것에 추가적으로, 충격체(120)가 측벽압전소자(미도시)와 충돌하여 전력을 생성할 수 있다.
하우징(110)의 바닥면(113)은 마찰력을 감소시키기 위한 마찰저감부재(140)를 포함하거나 윤활제가 도포될 수 있다. 마찰력이 감소되면 충격체(120)는 하우징(110)의 내부공간(112)에서 더 원활하게 이동할 수 있다. 충격체(120)가 자유롭게 이동하면 충격벽(111)에 가하는 충격량이 커질 수 있다. 따라서, 높은 전력이 생성될 수 있다.
마찰저감부재(140)로는 테플론(Teflon) 시트가 사용될 수 있다. 다만 이것은 예시적인 것으로 다른 부재가 사용될 수도 있다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 전력 발생 장치(2)의 구성을 도시하는 개략도이다.
일 실시 예에 따른 전력 발생 장치(1)와 유사한 구성을 포함할 수 있기 때문에 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 전력 발생 장치(2)는 추가적인 전력을 생성하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
충격벽(211)은 회동 가능할 수 있다. 충격벽(211)은 충격체(220)와 충돌하기 전 하우징(210)의 바닥면과 수직을 이루다가, 충격체(220)가 충격을 가하면 회동할 수 있다. 회동할 수 있는 각도는 제한되어 충격체(220)가 내부공간을 일탈하지 않을 수 있다. 회동의 중심이 되는 연결부(212)는 탄성체를 포함할 수 있다. 따라서, 충격체(220)가 충격벽(211)과 이격되면 하우징(210)의 바닥면과 수직인 처음 상태로 돌아올 수 있다. 충격벽(211)의 위치, 연결부(212)의 위치, 회동각도 등은 예시적인 형태이다. 도 2에서 점선으로 나타난 충격벽(211)은 회동중인 형태를 나타낸다.
지지부(231)는 충격벽(211)과 연결될 수 있다. 충격체(220)가 충격벽(211)에 충돌하여, 충격벽(211)이 지지부(231)의 내측 방향으로 회동할 수 있다. 충격벽(211)이 회동하여 지지부(231) 또는 압전소자(232)가 수축될 수 있다. 압전소자(232)가 수축될 때 높은 전력이 생성될 수 있다.
전력 발생 장치(1)는 기본적으로 하베스트 유닛(230)의 진동으로 전력을 발생시킨다. 다만, 압전소자(232)를 수축시킬 수 있는 상기 구성을 포함하여 추가적인 전력을 생성할 수 있다.
도 3은 또 다른 실시 예에 따른 전력 발생 장치(3)의 구성을 도시하는 개략도이다.
앞서 설명된 전력 발생 장치(1,2)와 유사한 구성을 포함할 수 있기 때문에 차이점 위주로 설명하기로 한다.
하우징(310)의 바닥면(313)은 회동 가능할 수 있다. 예를 들어 바닥면(313)의 중심부(312)가 고정될 수 있다. 충격체(320)가 이동하면 중심부(312)를 기준으로 바닥면(313)이 충격체(320)의 이동방향으로 회동할 수 있다. 바닥면(320)이 무제한 회동가능하면 회전체(320)가 내부공간을 이탈하거나 하베스트 유닛(330)과 충돌할 수 있다. 따라서 바닥면(313)의 회동 각도는 제한될 수 있다.
충격체(320)의 이동에 따라 바닥면(313)의 경사가 변화되어 충격체(320)의 이동속도가 빨라질 수 있다. 충격체(320)가 빠른속도로 충격벽(311)과 충돌하면 큰 진동이 발생할 수 있다. 따라서 높은 전력이 생성될 수 있다.
상기에서 묘사된 전력 발생 장치(3)의 구성은 예시적인 형태이다. 예를 들어 도 3에 도시된 복수의 하베스트 유닛(330)은 도 1의 전력 발생 장치(1)에 적용될 수도 있다.
도 4 내지 도 7은 전력 발생 장치를 이용한 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 실험에는 도 1에 도시된 형태의 전력 발생 장치(1)가 사용될 수 있다. 실험에 사용된 전력 발생 장치는 지름이 5mm인 구형상의 금속 충격체를 포함할 수 있다. 압전소자로 압전 섬유 복합재(MFC; Macro Fiber Composite) 시트가 사용되고 압전 섬유 복합재 시트의 면적은 26x6.5mm2일 수 있다. 1.6g의 질량추가 부착될 수 있다. 하우징은 알루미늄(aluminum)으로 이루어지고 하우징의 길이는 25mm일 수 있다. 전력 발생 장치의 부피는 26x10x8mm3일 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 입력 주파수 및 가속도에 따른 피크 투 피크(peak to peak) 개방 회로 전압값을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 출력은 7Hz부터 20Hz까지의 정현파에서 1Hz 간격으로, 1g부터 3g까지 0.5g 간격으로 변하는 입력 가속도에서 측정되었다. 2.5g 및 3g의 가속도에서 출력 전압은 일정하게 증가되었다. 상대적으로 높은 가속도에서 일정한 출력 전압이 나타났다. 이로부터 높은 가속도 및 높은 주파수에서 높은 출력값을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 5는 질량추를 구비한 전력 발생 장치 및 질량추를 구비하지 않은 전력 발생 장치에서 측정한 출력 전압을 비교하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 질량추를 구비한 전력 발생 장치는, 질량추를 구비하지 않은 전력 발생 장치보다 모든 주파수 및 가속도 범위에서 높은 출력 전압값을 나타내었다. 이로부터 질량추는 높은 전력을 생성하는데 도움이 될 수 있다는 것을 알 수 있다.
출력 전압의 최대값은 3g의 가속도 및 20Hz의 주파수에서, 질량추를 구비한 경우 17.04V이고 질량추를 구비하지 않은 경우 6.24V로 나타났다.
도 6a는 일 실시 예에 따른 질량추를 구비한 전력 발생 장치의 개방회로 전압의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 6b는 질량추를 구비하지 않은 전력 발생 장치의 개방회로 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 3g의 가속도 및 20Hz의 주파수에서 측정된 그래프가 도시된다. 질량추를 구비한 전력 발생 장치의 최대 개방 회로 전압 값은 질량추를 구비하지 않은 것에 비하여 273% 높은 값을 나타내었다. 따라서 질량추를 구비하면 높은 개방 회로 전압을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 전력 발생 장치의 RMS 전압 및 평균 전력 대 부하 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 3g의 가속도 및 20Hz의 주파수에서 측정된 그래프가 도시된다. 최대 출력 전력은 800Ω에서 104μW를 나타내었다. 출력 전력의 밀도는 50μW/cm3이고, 이것은 간단한 무선 센서 장치에 적용하기에 충분한 크기일 수 있다.
이로부터 전력 발생 장치(1)는 실생활에 사용될 수 있는 크기의 전력을 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기 묘사된 전력 발생 장치(1, 2, 3)는 압전소자에 직접적인 충격을 가하지 않고도 전력을 생성할 수 있고, 공진주파수에 한정되지 않고 넓은 주파수 범위에서 전력을 생성할 수 있으며, 소형화를 통해 다양한 분야에 적용될 수 있다.
일 실시 예가 첨부된 도면과 함께 설명 되었지만, 이러한 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 발명의 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아니다. 통상의 기술자는 일 실시 예에 따른 발명을 변형 또는 응용할 수 있을 것이고, 그러한 변형 또는 응용도 발명의 보호범위에 속할 것이다. 따라서, 발명의 범위는 여기에서 묘사된 특정한 실시 예에 한정되어서는 안된다.

Claims (12)

  1. 충격벽을 포함하여 내부공간을 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 내부공간 내에서 이동 가능한 충격체; 및
    상기 충격체가 상기 충격벽에 가하는 충격량을 전달받아 전력을 생성하는 하베스트 유닛;
    을 포함하는 전력 발생 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하베스트 유닛은,
    적어도 일 단이 상기 충격벽과 고정된 지지부; 및
    상기 지지부에 부착된 압전소자;
    를 포함하는 전력 발생 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하베스트 유닛은 상기 지지부 상에 구비되는 질량추를 더 포함하는 전력 발생 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 지지부는 탄성 있는 재질인 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 하베스트 유닛은 복수이며, 복수의 상기 충격벽에 고정되어 상호간 마주보도록 배치되는 전력 발생 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 충격체는 자성체인 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 하베스트 유닛은 상기 충격체의 이동에 의한 자기장의 변화에 의하여 추가 전력을 생성할 수 있는 전력 발생 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 충격체는 구형상인 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 충격벽은 회동 가능하여, 상기 충격체의 충격에 의하여 회동하여 상기 지지부를 수축시키는 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 바닥면은 회동 가능한 것을 특징으로 하는 전력 발생 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 충격벽에 부착된 측벽압전소자를 더 포함하고,
    상기 충격체가 상기 측벽압전소자와 충돌하여 추가 전력을 생성할 수 있는 전력 발생 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징의 바닥면은 마찰력을 감소시키기 위한 마찰저감부재를 포함하거나 윤활제가 도포되는 전력 발생 장치.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102024323B1 (ko) * 2018-03-28 2019-09-23 주식회사 한국미야마 지하 구조물 모니터링이 가능한 맨홀 뚜껑

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0730558U (ja) * 1993-11-02 1995-06-06 三菱重工業株式会社 発電装置をそなえた浮消波堤
JP2009240011A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Saitama Univ 発電装置及び発光ブイ
US20100072759A1 (en) * 2007-03-21 2010-03-25 The University Of Vermont And State Agricultural College Piezoelectric Vibrational Energy Harvesting Systems Incorporating Parametric Bending Mode Energy Harvesting
KR20110066645A (ko) * 2009-12-11 2011-06-17 한국전자통신연구원 진동 에너지 하베스트 소자
JP2014054161A (ja) * 2012-08-09 2014-03-20 Ngk Spark Plug Co Ltd 発電装置及び監視装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101234562B1 (ko) * 2011-12-07 2013-02-19 재단법인 포항산업과학연구원 외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈
KR101307743B1 (ko) * 2013-03-21 2013-09-11 유장석 압전 소자를 이용한 발전 장치, 이를 포함하는 전자 장치 및 이를 이용한 발전 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0730558U (ja) * 1993-11-02 1995-06-06 三菱重工業株式会社 発電装置をそなえた浮消波堤
US20100072759A1 (en) * 2007-03-21 2010-03-25 The University Of Vermont And State Agricultural College Piezoelectric Vibrational Energy Harvesting Systems Incorporating Parametric Bending Mode Energy Harvesting
JP2009240011A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Saitama Univ 発電装置及び発光ブイ
KR20110066645A (ko) * 2009-12-11 2011-06-17 한국전자통신연구원 진동 에너지 하베스트 소자
JP2014054161A (ja) * 2012-08-09 2014-03-20 Ngk Spark Plug Co Ltd 発電装置及び監視装置

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