KR101714368B1 - 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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이승찬
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    • 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

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

Abstract

서로 접합된 압전 부재와 비자성 탄성 부재로 구성된 탄성 빔(beam); 탄성 빔에 삽입되어, 열원과 냉각원 사이에서 왕복 이동을 하며 탄성 빔의 형상을 변형시키는 강자성체; 탄성 빔의 일 측에서 탄성 빔을 고정하는 고정 지지 수단; 및 탄성 빔의 타 측에서 탄성 빔의 회전을 허용하며 지지하는 단순 지지 수단을 포함하되, 압전 부재는, 강자성체의 왕복 이동에 의해 탄성 빔의 형상이 변형되는 경우 전기 에너지를 생산하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 탄성 빔에 설치되는 프루프 매스 부재에 의해 고유 진동수가 조절됨으로써, 외부 진동을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.

Description

스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 {Hybrid Energy Harvesting Apparatus Using Smart Materials for Heat and Vibration}
본 발명은 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 스마트소재를 이용하여 열 및 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
최근, 사물 인터넷(Internet of Things, ioT) 기술의 발전으로 인해 무선 센서 시스템(WSN)의 사용 증가가 예상된다. 무선 센서의 신뢰성을 향상시키기 위해, 무선 센서에 대한 파워 제공 방법으로 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 진동, 열, 온도 변화 및 빛 등 우리 주변 자연환경에 존재하는 여러 형태의 활용되지 않고 있는 미소 에너지 자원을 유용한 전기 에너지로 변환시키는 기술이다. 특히, 열 에너지 하베스팅 기술은 산업현장, 빌딩, 자동차 엔진 등에서 발생하는 폐열과 스마트폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기의 발열 및 인체의 미소열 등을 에너지 소스로 이용하여 전기 에너지로 변환시킨다.
앞으로, 무선 센서의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되므로, 여러 에너지 자원을 동시에 전기 에너지로 변환하는 효율적인 하이브리드 방식의 기술이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 열전 변환의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 열 에너지뿐만 아니라 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는,
서로 접합된 압전 부재와 탄성 부재로 구성된 탄성 빔(beam); 상기 탄성 빔에 삽입되어, 열원과 냉각원 사이에서 왕복 이동을 하며 상기 탄성 빔의 형상을 변형시키는 강자성체; 상기 탄성 빔의 일 측에서 상기 탄성 빔을 고정하는 고정 지지 수단; 및 상기 탄성 빔의 타 측에서 상기 탄성 빔을 지지하는 단순 지지 수단을 포함하되, 상기 압전 부재는, 상기 강자성체의 왕복 이동에 의해 상기 탄성 빔의 형상이 변형되는 경우 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상기 열원은, 상기 탄성 빔의 제 1 방향에 위치되고, 상기 냉각원은, 상기 탄성 빔의 제 2 방향에 위치되되, 상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 상기 탄성 빔의 상기 제 1 방향에 위치한 자석을 더 포함할 수 있다.
상기 강자성체는, 상기 강자성체의 온도가 소정 온도 이하인 경우, 상기 자석에 부착되고, 상기 강자성체의 온도가 상기 소정 온도를 초과하는 경우, 상기 자석으로부터 떨어질 수 있다.
상기 탄성 빔은, 상기 강자성체와 상기 자석 사이의 자기 인력에 의해 그 형상이 변형되며, 상기 강자성체가 상기 자석에서 떨어졌을 때 탄성력에 의해 원래의 형상으로 복원될 수 있다.
상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 상기 탄성 빔의 상부면 끝단에 위치되는 프루프 매스(proof mass) 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 상기 탄성 빔으로 진동력을 인가하는 진동력 인가 수단을 더 포함하되, 상기 압전 부재는, 상기 진동력에 의해 상기 탄성 빔의 형상이 변형되는 경우 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는, 상기 탄성 빔의 상부면에 위치되는 프루프 매스(proof mass) 부재를 더 포함하되, 상기 프루프 매스 부재의 무게가 조절됨으로써, 외부 환경 진동수에 대응하는 고유 진동수의 진동력이 상기 탄성 빔으로 인가될 수 있다.
상기 고정 지지 수단과 상기 단순 지지 수단 사이의 길이(L)에 대한 상기 고정 지지 수단과 상기 강자성체 사이의 길이(a)의 비율(a/L)은 0.5 내지 0.65일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 열전 변환의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는 열 에너지뿐만 아니라 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 강자성체의 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 다른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치의 또 다른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 탄성 빔(110), 강자성체(120), 고정 지지 수단(130) 및 단순 지지 수단(140)을 포함한다.
탄성 빔(110)은 서로 접합된 압전 부재(112)와 비자성(Non-magnetic) 탄성 부재(114)로 구성된다. 압전 부재(112)는 응력(stress) 또는 변형력(strain)이 가해지면 전기 에너지를 생산한다. 압전 부재(112)는 예를 들어, PZT 또는 PVDF를 포함할 수 있다. 탄성 부재(114)는 후술하는 바와 같이, 강자성체(120)의 왕복 이동에 따라 그 형태가 변화된다. 비자성 탄성 부재(114)는 메탈(CuBe 등), 고무, 실리콘 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
강자성체(120)는 탄성 빔(110)에 삽입된다. 강자성체(120)는 소정 온도(퀴리 온도)를 중심으로 그 특성이 변화한다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 강자성체(120)는 강자성체(120)의 온도가 소정 온도 이하이면 강자성의 성질을 갖고, 강자성체(120)의 온도가 소정 온도를 초과하면 상자성의 성질을 갖는다. 본 발명에 따른 강자성체(120)는 Gd(Gadolinium)를 포함할 수 있다.
고정 지지 수단(130)은 탄성 빔(110)의 일 측(side)에서 탄성 빔(110)을 고정한다. 고정 지지 수단(130)은 탄성 빔(110)의 하부에서 탄성 빔(110)을 고정할 수 있다.
단순 지지 수단(140)은 탄성 빔(110)의 타 측에서 탄성 빔(110)을 지지한다. 단순 지지 수단(140)은 고정 지지 수단(130)과 달리 탄성 빔(110)을 고정시키지 않고 단순히 탄성 빔(110)의 하부에서 탄성 빔(110)을 지지함으로써, 탄성 빔(110)이 회전할 수 있게 한다.
도 1을 보면, 탄성 빔(110)의 상부 방향에는 냉각원(170)이 위치되고, 탄성 빔(110)의 하부 방향에는 열원(150)이 위치될 수 있다. 또한, 탄성 빔(110)의 하부 방향에는 자석(160)이 위치된다. 구현예에 따라서는 냉각원(170)이 탄성 빔(110)의 하부 방향에 위치되고, 열원(150)이 탄성 빔(110)의 상부 방향에 위치될 수도 있다. 이 경우, 자석(160)은 탄성 빔(110)의 상부 방향에 위치될 수 있다. 예를 들어, 열원(150)은 인체의 피부를 포함하고, 냉각원(170)은 공냉식 냉각 장치를 포함할 수도 있다.
냉각원(170)의 온도는 강자성체(120)의 퀴리 온도보다 낮고, 열원(150)의 온도는 강자성체(120)의 퀴리 온도보다 높을 수 있다. 본 발명에 따른 열원(150)과 냉각원(170)은 열을 가하거나 열을 뺏는 별도의 장치가 아닌, 소정 온도보다 높은 고온 영역 및 소정 온도보다 낮은 저온 영역을 의미할 수도 있다.
강자성체(120)는 자신의 온도 변화에 따라 자석(160)에 부착되었다가 떨어졌다가를 반복하며 열원(150)과 냉각원(170) 사이에서 왕복 이동을 하고, 압전 부재(112)는 강자성체(120)의 왕복 이동에 의해 탄성 빔(110)의 형상이 변형되면, 전기 에너지를 생산한다.
또한, 냉각원(170)으로부터 자석(160)까지 강자성체(120)가 이동하는 거리와, 자석(160)으로부터 냉각원(170)까지 강자성체(120)가 이동하는 거리가 동일하도록 탄성 빔(110)의 위치 또는 높이가 조절될 수 있다. 이는, 갭거리(Gap Distance)가 동일하면 압전 부재(112)의 변위가 일정해지므로, 이에 따라 발생되는 전압의 크기가 거의 일정해질 수 있기 때문이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
강자성체(120)의 퀴리 온도가 상온보다 높은 경우, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 초기에 강자성체(120)는 자석(160)과의 자기 인력에 따라 자석(160)에 부착될 수 있다. 이 경우, 탄성 빔(110)의 형상은 최대로 변형될 수 있다. 강자성체(120)가 열원(150)으로부터 가열되어 강자성체(120)의 온도가 퀴리 온도를 초과하면, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 강자성체(120)와 자석(160) 사이의 자기 인력보다 탄성 빔(110)의 탄성력이 더 강해져 강자성체(120)와 자석(160)이 분리되면서, 강자성체(120)가 냉각원(170)에 부착된다. 다시, 강자성체(120)가 냉각원(170)에 의해 냉각되어 강자성체(120)의 온도가 퀴리 온도 이하로 떨어지면, 도 3(a)와 같이 강자성체(120)가 자석(160)에 부착된다.
전술한 바와 같이, 고정 지지 수단(130)은 탄성 빔(110)을 고정하는 반면에, 단순 지지 수단(140)은 탄성 빔(110)을 단순히 지지하므로, 강자성체(120)의 왕복 이동에 따라 탄성 빔(110)의 형상이 쉽게 변형될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치(100)가 많은 양의 전기 에너지를 생산하기 위해서는 강자성체(120)의 왕복 이동 주기가 짧아야 한다. 압전 부재(112)가 생산하는 전력을 하기의 수학식으로 표현할 수 있다.
[수학식]
Figure 112015017643595-pat00001
P는 압전 부재(112)에서 생산되는 전력량, C는 압전 부재(112)의 커패시턴스, V는 압전 부재(112)에서 발생하는 전압, f는 강자성체(120)의 이동 주파수를 의미한다.
상기 수학식을 보면, 압전 부재(112)가 많은 양의 전력을 생산하기 위해서는 강자성체(120)의 이동 주파수가 커야한다. 다시 말하면, 강자성체(120)가 열원(150)과 냉각원(170) 사이에서 빠르게 이동하여야 하는데, 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는 고정 지지 수단(130)과 강자성체(120) 사이의 거리(a)를 조절하고, 탄성 빔(110)의 상부 면 끝단에 프루프 매스(proof mass) 부재를 위치시킨다.
도 1을 다시 보면, 고정 지지 수단(130)과 단순 지지 수단(140) 사이의 거리를 L이라 하고, 고정 지지 수단(130)과 강자성체(120) 사이의 거리를 a라 하는 경우, L에 대한 a의 비율은 0.5 내지 0.65일 수 있다. 이는 강자성체(120)를 자석(160) 또는 냉각원(170)에 평행하게 접촉시키기 위함이다. 만약, 강자성체(120)와 자석(160) 또는 강자성체(120)와 냉각원(170)이 평행하지 않게 접촉되는 경우(즉, 강자성체(120)의 표면과 냉각원(170)의 표면 또는 자석(160)의 표면이 0도보다 큰 각도를 이루며 접촉하는 경우), 강자성체(120)의 일부 영역만이 자석(160) 또는 냉각원(170)에 접촉하게 되고, 결국, 접촉 면적이 작아서 열 전달이 효율적으로 발생하지 않게 된다.
탄성 빔(110)의 형상이 변형되지 않는 경우에는 강자성체(120)가 고정 지지 수단(130)과 단순 지지 수단(140)의 중간 지점에 위치하는 것이 이상적이나, 도 3(a)와 같이, 탄성 빔(110)의 형상이 변형되면, 고정 지지 수단(130)과 단순 지지 수단(140) 사이에 위치하는 탄성 빔(110)의 실제 길이가 증가하기 때문에 이 경우에는 강자성체(120)가 고정 지지 수단(130)과 단순 지지 수단(140)의 중간 지점에서 단순 지지 수단(140) 쪽으로 벗어나 위치되는 것이 바람직하다. 따라서, L에 대한 a의 비율이 0.5 내지 0.65인 경우에 전력 생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 도 1을 다시 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 탄성 빔(110)의 상부면에 위치하는 프루프 매스 부재(180)를 더 포함할 수 있는데, 이 프루프 매스 부재(180) 역시 강자성체(120)의 이동 속도를 증가시키는 역할을 한다. 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여 전술한 바와 같이, 상온에서는 강자성체(120)와 자석(160)이 서로 부착되어 있는데, 강자성체(120)의 온도가 올라 강자성체(120)가 냉각원(170) 측으로 부착되려고 할 때, 프루프 매스 부재(180)는 하부 방향으로 힘을 가하므로, 열원(150)으로부터 냉각원(170)으로의 강자성체(120)의 이동 속도가 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 다양한 방법으로 강자성체(120)의 이동 속도를 증가시킴으로써, 전기 에너지의 생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치(100)의 다른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 하베스팅 장치(100)는 외부 환경으로부터 인가되는 진동력을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수도 있다. 도 4를 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 장치(100)는 진동력 인가 수단(190)을 더 포함할 수 있다. 진동력 인가 수단(190)은 예를 들어, 모터 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
진동력 인가 수단(190)은 탄성 빔(110)으로 진동력을 인가하여 탄성 빔(110)이 R과 같이 진동하도록 한다. 이때, 진동력 인가 수단(190)은 프루프 매스 부재(180)의 고유 진동수에 대응하는 진동수의 진동력을 탄성 빔(110)으로 인가하여 공명 현상을 통해 탄성 빔(110)의 형상 변형을 극대화할 수 있다. 압전 부재(112)는 진동력에 의해 탄성 빔(110)의 형상이 변형되면 변형 정도에 대응하는 전기 에너지를 생산할 수 있다.
구현예에 따라서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 진동력 인가 수단(190)이 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)에 포함되지 않을 수도 있다. 무선 센서 내에 포함된 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 무선 센서의 움직임에 따라 진동이 발생하는 경우, 발생된 진동을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 프루프 매스 부재(180)는 진동에 의해 탄성 빔(110)의 형상이 더욱 잘 변형되도록 할 수 있다. 이 경우, 프루프 매스 부재(180)의 무게가 조절됨으로써, 외부 환경 진동수에 대응하는 고유 진동수의 진동력이 탄성 빔(110)에 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트소재를 이용한 열 및 진동 하이브리드 에너지 하베스팅 장치(100)는 열전 변환의 효율을 향상시킬 수 있으며, 열 에너지뿐만 아니라 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 상기 장치를 동작시킴으로써 산업 현장 장비, 빌딩, 차량 및 인체의 미활용열과 버려진 진동원을 동시 활용하여 사물 인터넷용 또는 웨어러블 장비용 무선 센서의 반영구적인 전원 공급원으로 구현될 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 하이브리드 에너지 하베스팅 장치
110: 탄성 빔
112: 압전 부재
114: 탄성 부재
120: 강자성체
130: 고정 지지 수단
140: 단순 지지 수단
150: 열원
160: 자석
170: 냉각원
180: 프루프 매스 부재
190: 진동력 인가 수단

Claims (8)

  1. 서로 접합된 압전 부재와 탄성 부재로 구성된 탄성 빔(beam);
    상기 탄성 빔에 삽입되어, 열원과 냉각원 사이에서 왕복 이동을 하며 상기 탄성 빔의 형상을 변형시키는 강자성체;
    상기 탄성 빔의 일 측에서 상기 탄성 빔을 고정하는 고정 지지 수단; 및
    상기 탄성 빔의 타 측에서 상기 탄성 빔을 지지하는 단순 지지 수단을 포함하되,
    상기 압전 부재는, 상기 강자성체의 왕복 이동에 의해 상기 탄성 빔의 형상이 변형되는 경우 전기 에너지를 생산하며,
    상기 강자성체는 상기 고정 지지 수단과 상기 단순 지지 수단 사이에서 왕복 이동하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열원은, 상기 탄성 빔의 제 1 방향에 위치되고, 상기 냉각원은, 상기 탄성 빔의 제 2 방향에 위치되되,
    상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는,
    상기 탄성 빔의 상기 제 1 방향에 위치한 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강자성체는,
    상기 강자성체의 온도가 소정 온도 이하인 경우, 상기 자석에 부착되고, 상기 강자성체의 온도가 상기 소정 온도를 초과하는 경우, 상기 자석으로부터 떨어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄성 빔은,
    상기 강자성체와 상기 자석 사이의 자기 인력에 의해 그 형상이 변형되며, 상기 강자성체가 상기 자석에서 떨어졌을 때 탄성력에 의해 원래의 형상으로 복원되는 것을 특징으로 하는 것을 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는,
    상기 탄성 빔의 상부면에 위치되는 프루프 매스(proof mass) 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는,
    상기 탄성 빔으로 진동력을 인가하는 진동력 인가 수단을 더 포함하되,
    상기 압전 부재는,
    상기 진동력에 의해 상기 탄성 빔의 형상이 변형되는 경우 전기 에너지를 생산하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하이브리드 에너지 하베스팅 장치는,
    상기 탄성 빔의 상부면에 위치되는 프루프 매스(proof mass) 부재를 더 포함하되,
    상기 프루프 매스 부재의 무게가 조절됨으로써, 외부 환경 진동수에 대응하는 고유 진동수의 진동력이 상기 탄성 빔으로 인가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정 지지 수단과 상기 단순 지지 수단 사이의 길이(L)에 대한 상기 고정 지지 수단과 상기 강자성체 사이의 길이(a)의 비율(a/L)은 0.5 내지 0.65인 것을 특징으로 하는 하이브리드 에너지 하베스팅 장치.
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