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KR100817319B1 - 이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한자가발전시스템 - Google Patents

이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한자가발전시스템 Download PDF

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KR100817319B1
KR100817319B1 KR1020060107440A KR20060107440A KR100817319B1 KR 100817319 B1 KR100817319 B1 KR 100817319B1 KR 1020060107440 A KR1020060107440 A KR 1020060107440A KR 20060107440 A KR20060107440 A KR 20060107440A KR 100817319 B1 KR100817319 B1 KR 100817319B1
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KR
South Korea
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piezoelectric
mobile device
mass
piezoelectric beam
base
Prior art date
Application number
KR1020060107440A
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Inventor
장영수
이헌주
이윤표
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한국과학기술연구원
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    • H10N30/306—Cantilevers

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

Abstract

이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한 자가발전시스템이 개시된다. 본 발명인 이동형 기기의 전력 발생장치는, 이동형 기기에 일단이 고정되고 타단에 질량이 달린 압전빔; 및 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부;를 포함한다. 또한, 본 발명인 자가발전시스템은 이동형 기기; 및 상기 이동형 기기에 일단이 고정되고 타단에 질량이 달린 압전빔과, 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부를 포함하는 이동형 기기의 전력 발생장치;를 포함한다. 이에 따르면, 압전빔 자체의 탄성과 빔 끝단에 인가된 하중을 이용해 외부로부터의 움직임을 압전빔의 수직방향 진동으로 변환하여 압전빔에 지속적인 진동을 유발하며, 공진을 이용하면 에너지 변환효율이 높은 이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한 자가발전시스템이 제공된다.
이동형 기기, 전력 발생장치, 자가발전시스템

Description

이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한 자가발전시스템{ELECTRIC POWER GENERATING APPARATUS FOR MOVEMENT TYPE EQUIPMENT AND SELF-GENERATION SYSTEM HAVING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조및 그 m-c-k 모델링을 나타낸 도면으로, 여기서 L은 압전빔의 길이, W는 폭, m은 질량, k는 스프링 상수, c는 감쇠계수를 나타내고, x는 질량부의 진폭을 y는 기저부의 진폭을 나타낸다.
도 2는 도 1의 m-c-k 모델링에 대한 변위전달률(Q)을 주파수비(ω/ωn)와 감쇠비(ζ)의 변화에 따라 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조를 나타낸 도면으로, 압전빔을 복수개로 하여 일단이 이동형 기기에 고정되고 타단이 질량부에 고정된 전력발생장치의 기본구조와 그 질량부의 수평진동시 압전빔이 변형되는 모습을 나타낸 도면으로, X는 질량부의 진폭을 Y는 이동형 기기의 진폭을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조를 나타낸 도면,
도 5는 도 4의 A부를 확대한 도면,
도 6은 도 4의 이동형 기기의 전력발생장치의 전체구조를 나타낸 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치를 구비한 자가발전시스템을 나타낸 도면이고,
도 9는 도 8의 알루미늄 휠의 상하좌우에 4개의 이동형 기기의 전력발생장치가 장착된 자가발전시스템을 나타낸 도면이고,
도 10은 도 9의 압전빔의 끝단의 변위를 질량부의 중력-마찰력-원심력을 계산하여 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 11은 도 9의 압전빔이 변형될 경우, 축전전압을 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 12는 도 9의 압전빔이 변형될 경우, 축전에너지를 시간과 축전용량에 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11, 21, 30, 40 : 이동형 기기 13, 23, 31, 52: 압전빔
12, 22, 32, 51 : 질량 또는 질량부 33 : 베어링
34 : 가이드봉 35 : 스토퍼
36 : 지지대 37 : 정류부
38 : 베이스 50: 이동형 기기의 전력발생장치
본 발명은 이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한 자가발전시스템으로서, 이동형 기기의 동력 공급을 배터리나 인위적인 외부의 에너지의 공급 없이, 이동형 기기의 진동, 주기적인 움직임, 회전운동을 이용하여 전력을 발생시키는 이동형 기기의 전력 발생장치 및 이를 구비한 자가발전시스템에 관한 것이다.
미래의 생활에서는 모든 전자기기들의 이동성이 보편화 된다. 따라서 다양한 형태의 모바일(mobile)전원의 개발과 상용화가 진행될 것이다. 유비쿼터스 시대에 수요가 급증할 것으로 예상되는 무선센서(wireless sensor), 지능형 무선식별시스템(intelligent RFID), 독립형센서(standalone sensor)의 동력원의 경우, 연료의 주입이나 배터리 교체 없이 주변의 에너지원을 이용하여 전기적으로 축적 변환함으로써 오랜 시간 사용 가능한 방식이 연구되고 있다. 즉, 열에너지, 진동에너지 등 일반적으로 버려지는 에너지를 수집하여 전기에너지로 변환, 저장하는 이동형 기기의 전력 발생장치에 관한 연구가 진행되고 있다.
이러한, 이동형 전력 발생장치의 발전 방식으로, 구조의 단순화와 소형화를 위해 압전물질을 이용한 발전 방식이 많이 이용되고 있다. 압전물질이란, 가해지는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호간에 변환시킬 수 있는 특성을 지닌 재료라 정의할 수 있는데, PZT, PVDF 등의 압전물질은 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전기장이 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호변환이 가능하며 변환효율이 매우 높은 재료로 알려져 있다. 에너지 변환에 따라 센서와 액추에이터로 기능이 나뉘며, 압력센서, 하중센서, 가속도 센서와 정밀 이송기기용 액추에이터 등으로 응용이 활발한 재료이다.
이러한 압전물질을 빔 형태로 구성하여, 압전빔이 외력에 의한 변형이 생길 때 발생하는 미세전압을 에너지원으로 이용하고자 하는 발명이 미국 특허 20030160543(Microelectromechanical generator using bubbles)에서 제안되었다.
한편, 이러한 이동형 기기의 전력발생장치가 동력원이 응용될 수 있는 대표적인 예로 TPMS(Tire Pressure Monitoring System)를 들 수 있다. 이중에서도 타이어 내부에 장착되는 압력 및 온도를 측정하고 신호를 내보내는 무선센서(wireless sensor)의 동력원으로 사용될 수 있다.
차량의 안전 운행을 위한 여러 가지 전자 장치 중, 타이어 공기압 모니터링 기술(TMPS)은 타이어 내부에 센서를 장착하여 타이어 내부의 온도 및 압력을 감지하고, 운전자에게 안전 운행 및 경제적 운행을 위한 정보를 제공한다. 그러나 센서의 작동과 신호 송신을 위한 전력은 배터리에 의존하고 있어, 주기적인 배터리 교체가 필요하다.
이에, 일본국 특개 제2000-214037에서는 타이어 내부 공기압 측정시 소모되는 전력을 타이어의 회전을 이용한 자가 발전 장치로부터 얻고자 하는 기술이 발명되었다. 이 기술은 자동차의 운행 중 속도 변화로 인한 가속도로부터 힘을 얻어 자석회전판을 회전시키고 회전판 주위에 설치된 코일로부터 유도전기를 얻어 센서 구동에 필요한 전력을 얻는 방식이다.
이와 매우 유사한 국내 특허(김승래외 2005-0003595, 타이어의 자가발전 장 치)에서는 구조가 복잡한 회전판 대신 회전추를 대칭으로 사용하여 회전을 유도하는 방식으로 구조를 단순화 시켰다.
또한, 미국 특허 2005013444 (Self-powered sensing module and tire pressure monitoring system using the same)에서는 압전물질을 타이어 안쪽 내부에 붙이고, 주행시 주기적인 수축팽창을 이용해 압전물질에 변형을 주는 방식이 발명되었다. 다만, 내부 전선 연결 부위 및 재료의 피로파괴 문제가 있어 안정성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 한국 특허 2002-0059284 (타이어에 가해지는 차체의 하중을 이용한 동력발생 장치)에서는 타이어 내부에 다수의 격실을 형성하고 유체의 출입이 가능하도록하여, 유체가 받는 힘을 이용해 회전자를 회전하여 발전하는 방식이 발명되었다. 다만, 타이어 내부에 복잡한 형상의 가공이 필요하고 에너지 변환 효율이 낮다는 문제점이 있었다.
또한, 미국 특허 6433465(Energy-harvesting device using electrostrictive polymers)에서는 여러층의 압전폴리머 층을 이용하여, 변형시 발생하는 전압을 정류 및 축전하여 사용하는 방식이 발명되었다.
또한, 미국특허 7081693 (Energy harvesting for wireless sensor operation and data transmission)에서는 무선통신을 위한 전기회로 구성 및 데이터 전송 방식이 발명되었고, 미국특허 5801475(Piezo-electric generation device)에서는 교류전원을 정류하고 축전하며, 발생전압을 제어하여 안정적인 전력발생을 위한, 캔틸레버 구조와 멤브레인 구조가 발명되었다.
그러나, 상술한 특허들의 경우 타이어의 회전속도가 변할 경우에만 가속도가 발생하여 장치가 작동하고, 정속 운동시에는 원심력이 중력에 비하여 워낙 커서 반경 방향으로만 힘을 받고 장치는 작동하지 않는다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에너지 변환 효율이 높은 이동형 기기의 전력발생장치를 제공하는 데 있다.
또한, 압전빔과 평행한 방향으로 지나치게 하중이 많이 걸리거나, 정속 회전 운동 시에도 에너지 변환 효율이 높은 이동형 기기의 전력발생장치를 제공하는 데 있다.
또한, 상술한 특징을 가진 이동형 기기의 전력발생장치를 포함하는 자가발전시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 이동형 기기의 전력 발생장치는, 이동형 기기에 일단이 고정되고 타단에 질량이 달린 압전빔; 및 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부;를 포함한다.
또한, 상기 목적은 이동형 기기에 장착되는 베이스; 상기 베이스에 일단이 장착되는 압전빔; 상기 압전빔의 타단에 장착되는 질량부; 및 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부;를 포함하는 이동형 기기의 전력 발생장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 압전빔은 복수개가 상기 베이스상에 일단이 병렬로 배치되며, 상기 질량부는 상기 복수개의 압전빔들의 타단을 연결되며, 상기 질량부에는 상기 압전빔들의 타단이 삽입되는 복수개의 장착홈들이 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 이동형 기기의 전력발생장치는 상기 질량부를 상기 압전빔의 수직방향으로 미끄러질 수 있도록 가이드하는 가이드부; 및 상기 가이드부를 지지하는 지지대;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 이동형 기기의 전력발생장치는 상기 질량부의 이동범위를 제한하는 스토퍼;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은 이동형 기기; 및 상기 이동형 기기에 일단이 고정되고 타단에 질량이 달린 압전빔과, 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부를 포함하는 이동형 기기의 전력 발생장치를 포함하는 자가발전시스템에 의해서도 달성된다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조및 그 m-c-k 모델링을 나타낸 도면으로, 여기서 L은 압전빔의 길이, W는 폭, m은 질량, k는 스프링 상수, c는 감쇠계수를 나타내고, x는 질량부의 진폭을 y는 기저부의 진폭을 나타낸다. 도 2는 도 1의 m-c-k 모델링에 대한 변위전달률(Q)을 주파수비(ω/ωn)와 감쇠비(ζ)의 변화에 따라 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 이동형 기기의 전력 발생장치는, 이동형 기기(11)에 일단이 고정되고 타단에 질량(12)이 달린 압전빔(13); 및 압전빔(13)의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부(미도시);를 포함한다.
압전빔(13)의 일단을 이동형 기기(11)에 고정하고 타단에 질량(12)을 매달은 시스템은 도 2와 같이 스프링-질량-감쇠기 시스템으로 모델링이 가능하고, 이를 기저진동(base excitation) 혹은 지지대운동(support motion)이라고 한다. 기저 진동은 식(1) 같이 지배방정식이 성립되며, 질량의 변위는 식(2)와 같이 표현된다. 이 때, Y는 기저운동의 진폭, ωn은 고유 진동주파수, ω는 기저 진동주파수,
Figure 112006080214511-pat00001
는 감쇠비를 나타낸다.
Figure 112006080214511-pat00002
(1)
Figure 112006080214511-pat00003
(2)
변위전달률, Q는 식(3)과 같이 나타낼 수 있으며, Y는 기저운동의 진폭, X는 질량부의 진폭으로, 기저로부터의 운동이 질량으로 얼마나 전달되었는가를 나타낸다.
Figure 112006080214511-pat00004
(3)
도 2에서 알 수 있듯이, 압전빔의 형상이나 질량을 적절히 조절하면, 30배 이상의 변위전달률을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 외부로부터의 어떠한 형태로든 움직임이 있을 경우, 그 움직임과 유사한 고유진동수로 압전빔의 형상을 조절하거나 질량을 변화시켜 공진시키면, 최대의 에너지 변환 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조를 나타낸 도면으로, 압전빔을 복수개로 하여 일단이 이동형 기기에 고정되고 타단이 질량부에 고정된 전력발생장치의 기본구조와 그 질량부의 수평진동시 압전빔이 변형되는 모습을 나타낸 도면이로, X는 질량부의 진폭을 Y는 이동형 기기의 진폭을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치는, 이동형 기기(21)에 일단이 고정되는 복수개의 압전빔(23)들; 압전빔(23)들의 타단을 연결하는 질량부(22); 및 압전빔(23)의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부(미도시);를 포함한다.
제 2실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치는, 단일 빔의 경우 발생에너지에 한계가 있어 유용할만한 충분한 에너지를 얻기에는 부족하다는 문제점을 극복 하기 위하여, 압전빔(23)을 이동형 기기(21)에 병렬로 복수개를 배치한다. 이 경우, 병렬배치로부터 발생되는 전압은 변위가 모두 같은 위상을 가지므로, 발생되는 전기에너지도 빔의 개수에 비례하여 증가한다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치의 기본구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 A부를 확대한 도면이고, 도 6은 도 4의 이동형 기기의 전력발생장치의 전체구조를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치는, 이동형 기기(30)에 장착되는 베이스(38); 복수개가 베이스(38)상에 병렬로 장착되는 압전빔(31)들; 복수개의 압전빔(31)들의 타단을 연결하며 압전빔(31)들의 타단이 삽입되는 복수개의 장착홈(32a)들이 형성된 질량부(32); 질량부(32)를 압전빔(31)의 수직방향인 X방향으로 미끄러질 수 있도록 가이드하는 가이드부(33, 34); 가이드부(33, 34)를 지지하는 지지대(36); 질량부(32)의 이동범위를 제한하는 스토퍼(35);및 압전빔(31)의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부(37);를 포함한다.
제 3실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치는, 지나치게 질량을 증가시킬 경우 중력에 의해 빔이 휘거나 한계 변형량 이상으로 변형되어 크랙이 생기면, 더 이상 압전빔(31)으로서의 기능을 못하게 되고, 회전운동의 경우 원심력의 영향이 지배적이어서 질량이 반경방향으로만 향하게 되고 미세한 진동은 원심력에 비해 미약하여 질량의 운동을 유발하지 못한다는 두 가지 문제점을 동시에 극복하면서, 제작이 가능한 구조를 제시하였다.
즉, 가진되는 기저의 진동주파수가 낮거나, 같은 공간에서 더 많은 변형을 일으켜 에너지를 뽑아내기 위해서, 빔 끝단의 하중을 늘여 공진주파수를 맞춰주어야 하는데, 이를 위해, 질량부(33)에 복수개의 장착홈(32a)을 파고 압전빔(23)을 장착홈(32a)에 끼워 넣는 방식으로 구성하여, 지지대(36)에 의해 질량부(32)가 지탱이 되고, 질량부(32)는 가이드부(34)의 길이 방향으로 수평진동이 자유롭도록 제작되었다.
상기 가이드부(34)는 질량부(32)와 가이드부(34)의 마찰을 최소화하기 위하여, 질량부(32)에 상면에 장착되는 베어링(33)과 베어링(33)에 끼워져 수평방향인 X방향으로 이동될 수 있도록 가이드 하는 가이드봉(34)으로 구성된다.
상기 스토퍼(35)는 나사로 구성되며, 지지대(36)의 양측을 관통하는 나사구멍(미도시)에 끼워져 질량부(32)의 X방향 이동범위를 제한한다. 즉, 나사를 조이면 질량부(32)의 X방향 이동범위가 더 작아지고, 반대로 나사를 풀면 질량부(32)의 X방향 이동범위가 커지게 된다. 물론, 스토퍼(35)를 우레탄이나 고무재질로 구성하여 지지대(36)의 안측에 고정 설치할 수도 있을 것이다. 이 경우, 질량부(32)의 이동범위는 우레탄이나 고무재질의 두께에 의해 고정된다.
상술한 이동형 기기의 전력 발생장치는, 움직임이 있는 곳에 장착이 될 경우, 외부로부터 가해지는 힘을 압전빔과 수직한 방향의 진동으로 변환시켜 압전물질을 변형 시키고, 이때 발생하는 전기에너지를 이용하는 장치로서, 무선센서(wireless sensor), 지능형 무선식별시스템(intelligent RFID), 독립형센 서(standalone sensor), TPMS 센서 등에 응용이 가능하며, 배터리의 교체가 필요없어 유비쿼터스 이동형 기기의 동력원으로 다양하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 제4실시예에 따른 자가발전시스템을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 이동형 기기의 전력발생장치를 구비한 자가발전시스템을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 알루미늄 휠의 상하좌우에 4개의 이동형 기기의 전력발생장치가 장착된 자가발전시스템을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 자가발전시스템은 이동형 기기(40); 및 이동형 기기(40)에 일단이 고정되고 타단에 질량(51)이 달린 복수개의 압전빔(52)과, 압전빔(52)의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부(미도시)를 구비하는 이동형 기기의 전력 발생장치(50);를 포함한다.
여기서, 이동형 기기(40)는 타이어의 알루미늄 휠로 구성되며, 전력발생장치(50)는 알루미늄 휠의 상면에 장착된다.
도 9를 참조하면, 알루미늄 휠의 고속회전시 야기될 수 있는 회전불균형을 해소하기 위해, 알루미늄 상하 좌우면에 전력 발생장치(50)가 4개가 대칭 배치된다.
도 10은 도 9의 압전빔의 끝단의 변위를 질량부의 중력-마찰력-원심력을 계산하여 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 알루미늄 휠이 회전함에 따라 압전빔(52)이 시간이 흐름에 따라 주기적으로 변형되는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 9의 압전빔이 변형될 경우, 축전전압을 시간에 따라 나타낸 그래프이고, 도 12는 도 9의 압전빔이 변형될 경우, 축전에너지를 시간과 축전용량에 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 압전빔(52, 도 9참조)의 변형으로 인해 시간이 흘러감에 따라 정류부의 100μF의 용량을 가진 축전지에 2.3V의 전압이 충전됨을 알 수 있다. 또한, 도 12을 참조하면, 압전빔(52, 도 9참조)의 변형으로 인해 시간이 흘러감에 따라 정류부의 100μF의 용량을 가진 축전지에는 260μJ의 축전에너지가 충전되고, 정류부의 200μF의 용량을 가진 축전지에는 850μJ의 축전에너지가 충전됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 전력발생장치에 의해 실제로 전력의 발생이 가능함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 자가발전시스템은 타이어 내부의 온도나 압력을 측정하고 그 정보를 무선으로 전달하는 타이어 공기압 모니터링 시스템(Tire Pressure Monitoring System)에 필요한 전력을 타이어의 회전운동으로부터 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따른 이동형 기기의 전력 발생장치는, 압전빔 자체의 탄성과 빔 끝단에 인가된 하중을 이용해 외부로부터의 움직임을 압전빔의 수직방향 진동으로 변환하여 압전빔에 지속적인 진동을 유발하는데 있어 에너지 변환효율이 높다는 효과를 가진다.
또한, 적절한 압전 빔의 설계 및 질량부 선정으로, 공진효과를 기대할 수 있다는 장점이 있다. 공진을 이용하면, 주기적인 약한 힘을 되풀이함으로써 큰 진동 을 얻을 수 있는데, 축방향 응력이 발생 전압과 비례 관계에 있는 압전 물질의 경우, 축방향 변형이 클수록 유리하고, 공진시 발생 에너지량은 그렇지 않을 때보다 매우 크다.
또한, 구조적으로 원심력을 상쇄시키고, 공진 현상을 이용하여 정속 운전시에도 많은 에너지 변환 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 회전운동과 공진현상을 이용하여 에너지 변환 효율을 극대화 하는데 있어 독창성을 갖는다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 이동형 기기에 장착되는 베이스;
    상기 베이스에 일단이 장착되는 압전빔;
    상기 압전빔의 타단에 장착되는 질량부; 및
    상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부;를 포함하며,
    상기 압전빔은 복수개가 상기 베이스상에 일단이 병렬로 배치되며, 상기 질량부는 상기 복수개의 압전빔들의 타단을 연결하는 이동형 기기의 전력 발생장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 질량부에는 상기 압전빔들의 타단이 삽입되는 복수개의 장착홈들이 형성된 이동형 기기의 전력 발생장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 질량부를 상기 압전빔의 수직방향으로 미끄러질 수 있도록 가이드하는 가이드부; 및
    상기 가이드부를 지지하는 지지대;를 더 포함하는 이동형 기기의 전력 발생장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 질량부의 이동범위를 제한하는 스토퍼;를 더 포함하는 이동형 기기의 전력 발생장치.
  7. 이동형 기기; 및
    상기 이동형 기기에 장착되는 베이스와, 상기 베이스에 일단이 장착되는 압전빔과, 상기 압전빔의 타단에 장착되는 질량부와, 상기 압전빔의 변형으로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 축전하는 정류부를 포함하고, 상기 압전빔은 복수개가 상기 베이스상에 일단이 병렬로 배치되며, 상기 질량부는 상기 복수개의 압전빔들의 타단을 연결하는 이동형 기기의 전력 발생장치;를 포함하는 자가발전시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 이동형 기기는 타이어의 알루미늄 휠로 구성되며, 상기 전력 발생장치는 상기 타이어의 알루미늄 휠에 장착되는 자가발전시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전력발생장치는 상기 알루미늄 휠의 상하면에 2개 또는 상하 좌우면에 4개가 대칭 배치된 자가발전시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101141697B1 (ko) 2011-12-28 2012-05-04 주식회사 에너지팜테크놀러지 압전소자를 이용한 발전장치
CN102598329A (zh) * 2009-10-27 2012-07-18 高丽大学校产学协力团 压电纳米器件
KR101457533B1 (ko) * 2013-04-01 2014-11-03 부산외국어대학교 산학협력단 안경형 전자 기기의 전원 공급 장치

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10359990B4 (de) * 2003-12-19 2006-11-16 Enocean Gmbh Auf rotierenden Elementen angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie
JP5101497B2 (ja) * 2005-06-10 2012-12-19 コンパニー ゼネラール デ エタブリッスマン ミシュラン 電子装置パッケージ・ハウジングに取り付けられている圧電センサの使用
DE102006039936B4 (de) * 2006-08-25 2011-07-28 EnOcean GmbH, 82041 Elektromechanischer Rotationswandler und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels eines elektromechanischen Rotationswandlers
ITRM20070079A1 (it) * 2007-02-15 2008-08-16 Wisepower S R L Generatore piezoelettrico bistabile.
CN101641804A (zh) * 2007-03-21 2010-02-03 佛蒙特大学及州立农业学院 结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获系统
US20090267452A1 (en) * 2008-04-24 2009-10-29 Vmonitor, Inc. System and method for energy generation in an oil field environment
US7821183B2 (en) * 2008-06-19 2010-10-26 Omnitek Partners Llc Electrical generators for low-frequency and time-varying rocking and rotary motion
US7936111B2 (en) * 2008-08-07 2011-05-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same
KR101454686B1 (ko) * 2008-09-17 2014-10-28 삼성전자주식회사 에너지 변환 장치 및 방법
US20100141094A1 (en) * 2008-12-05 2010-06-10 Seagate Technology Llc Piezoelectric energy harvesting system
EP2410649B1 (en) * 2009-03-18 2017-05-17 Fujitsu Limited Piezoelectric power generating device
US8487514B2 (en) * 2009-09-10 2013-07-16 Romy Fain Apparatus and method for harvesting energy
US8258644B2 (en) * 2009-10-12 2012-09-04 Kaplan A Morris Apparatus for harvesting energy from flow-induced oscillations and method for the same
US7986076B2 (en) * 2009-11-02 2011-07-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc, Energy harvesting device
JP2011004598A (ja) * 2010-09-03 2011-01-06 Seiko Epson Corp 圧電型発電機および圧電型発電機を用いた電子機器
US8878421B2 (en) * 2011-06-23 2014-11-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Energy harvesting/tire pressure, temperature and tire data transmitter
FI123941B (fi) * 2010-09-07 2013-12-31 Murata Electronics Oy Energiankerääjärakenne ja -menetelmä
US20140035438A1 (en) * 2011-04-12 2014-02-06 Massachusetts Institute Of Technology Passive, Self-Tuning Energy Harvester for Extracting Energy From Rotational Motion
US9222465B2 (en) 2011-04-15 2015-12-29 Northeastern University Non-rotating wind energy generator
GB201300403D0 (en) * 2013-01-10 2013-02-20 Smiths Medical Int Ltd Flow sensors and apparatus
US9366234B2 (en) * 2013-08-10 2016-06-14 James Michael Sanchez Apparatus and methods for recovery of variational wind energy
US11791748B2 (en) * 2019-07-24 2023-10-17 Tdk Corporation Smart wheel energy harvester

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103265A (ja) * 2002-09-05 2004-04-02 Nec Tokin Corp 発光ユニットおよびそれを用いた発光靴
KR20050003595A (ko) * 2003-06-27 2005-01-12 한국타이어 주식회사 타이어의 자가 발전장치

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3456134A (en) * 1967-10-05 1969-07-15 Us Health Education & Welfare Piezoelectric energy converter for electronic implants
US4307602A (en) * 1978-12-29 1981-12-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Knock sensor
US4387318A (en) * 1981-06-04 1983-06-07 Piezo Electric Products, Inc. Piezoelectric fluid-electric generator
SU1642962A3 (ru) * 1989-06-16 1991-04-15 Е.И.Новиков Пьезочастотный датчик силы
US5801475A (en) * 1993-09-30 1998-09-01 Mitsuteru Kimura Piezo-electricity generation device
US5539270A (en) * 1993-11-19 1996-07-23 Matsushita Electric Works, Ltd. Acceleration detector
JPH07245970A (ja) * 1994-03-02 1995-09-19 Calsonic Corp 圧電素子発電装置
JPH08153829A (ja) * 1994-11-28 1996-06-11 Matsushita Electric Works Ltd 半導体装置
JPH09205781A (ja) * 1995-02-01 1997-08-05 Seiko Epson Corp 圧電体発電装置及びこれを備えた携帯型電力供給装置、携帯型電子機器
JP3687385B2 (ja) 1999-01-22 2005-08-24 セイコーエプソン株式会社 発電装置及びこれを用いたタイヤ内圧検出装置
US6252336B1 (en) * 1999-11-08 2001-06-26 Cts Corporation Combined piezoelectric silent alarm/battery charger
US6433465B1 (en) 2000-05-02 2002-08-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Energy-harvesting device using electrostrictive polymers
US6407484B1 (en) * 2000-09-29 2002-06-18 Rockwell Technologies Inc Piezoelectric energy harvester and method
KR100494067B1 (ko) 2002-02-25 2005-06-13 한국과학기술연구원 기포를 이용한 미소 전자 기계 구조의 발전장치
US7081693B2 (en) 2002-03-07 2006-07-25 Microstrain, Inc. Energy harvesting for wireless sensor operation and data transmission
US6771007B2 (en) * 2002-04-17 2004-08-03 The Boeing Company Vibration induced perpetual energy resource
US6725713B2 (en) * 2002-05-10 2004-04-27 Michelin & Recherche Et Technique S.A. System for generating electric power from a rotating tire's mechanical energy using reinforced piezoelectric materials
KR20020059284A (ko) 2002-05-30 2002-07-12 김재석 타이어에 가해지는 차체의 하중을 이용한 동력발생장치
US20040075367A1 (en) * 2002-10-17 2004-04-22 Rado Gordon E. Piezoelectric power generating device for a single cylinder engine
US6858970B2 (en) * 2002-10-21 2005-02-22 The Boeing Company Multi-frequency piezoelectric energy harvester
US7132939B2 (en) * 2004-07-07 2006-11-07 Michelin Recherche Et Technique S.A. Integrated self-powered tire revolution counter
EP1803168A4 (en) * 2004-10-21 2009-05-20 Michelin Soc Tech MINIATURIZED PIEZOELECTRICALLY BASED VIBRATION ENERGY COLLECTION DEVICE
US7132757B2 (en) * 2005-02-17 2006-11-07 General Electric Company Power control system and method
CA2602342A1 (en) * 2005-03-24 2006-09-28 Yale University Power harvesting scheme based piezoelectricity and nonlinear deflections
WO2007061610A1 (en) * 2005-11-18 2007-05-31 Par Technologies, Llc Human powered piezoelectric power generating device
US7692365B2 (en) * 2005-11-23 2010-04-06 Microstrain, Inc. Slotted beam piezoelectric composite
GB0524737D0 (en) * 2005-12-03 2006-01-11 Rolls Royce Plc Vibration sensor
GB0525989D0 (en) * 2005-12-21 2006-02-01 Qinetiq Ltd Generation of electrical power from fluid flows

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103265A (ja) * 2002-09-05 2004-04-02 Nec Tokin Corp 発光ユニットおよびそれを用いた発光靴
KR20050003595A (ko) * 2003-06-27 2005-01-12 한국타이어 주식회사 타이어의 자가 발전장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102598329A (zh) * 2009-10-27 2012-07-18 高丽大学校产学协力团 压电纳米器件
KR101141697B1 (ko) 2011-12-28 2012-05-04 주식회사 에너지팜테크놀러지 압전소자를 이용한 발전장치
US8581475B2 (en) 2011-12-28 2013-11-12 In Seo KIM Generating device using piezoelectric energy harvester
KR101457533B1 (ko) * 2013-04-01 2014-11-03 부산외국어대학교 산학협력단 안경형 전자 기기의 전원 공급 장치

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