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고출력 지속이 가능한 인체 구동 방식의 자가 발전기 개발
Human-Powered Generator designed for Sustainable Driving 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.7, 2015년, pp.135 - 142  

임윤호 (전북대학교 헬스케어공학과) ,  양윤석 (전북대학교 바이오메디컬공학부)

초록
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인체 구동 방식의 자가 발전기는 외부 환경에 덜 의존한다는 장점 덕분에 비상용 혹은 야외 활동 중의 소규모 전력 공급원으로 주목 받고 있다. 하지만 대부분의 자가 발전기는 전자기 유도 결합의 효율이 높지 않아 출력이 미미하며, 특정 부위의 근육만을 지속적으로 사용하는 단조로운 구동 방식을 택하고 있어, 사용 중에 쉽게 지루해질 뿐만 아니라 근피로가 쉽게 누적되어 실제 원하는 출력을 얻을 만큼 충분한 시간 동안 구동하는 것이 거의 불가능하다. 이러한 낮은 효율과 사용성의 문제로 인해 인체 구동 방식의 자가발전기가 실생활에서 사용되는 빈도는 높지 않다. 본 연구에서는 전자기 유도 효율이 높은 종축 결합 방식의 발전 장치를 간단한 구조로 구현하여 출력을 높이는 동시에, 자성체의 운동 관성에 의한 가속이 가능한 인체 구동 방식의 발전기를 설계 제작하였다. 개발된 발전기와 기존 상용 자가 발전기와의 비교 실험을 통해 높은 출력 뿐 아니라 장시간 구동이 가능함을 검증하였다. 아울러 인체 구동 발전기에서 실질적으로 중요한 요소임에도 불구하고 기존 연구에서 제시된 바 없는 인체의 투입 에너지를 실증적으로 파악하기 위해 호흡 가스 기반의 실제 운동 대사량 측정법에 근거한 실험을 시행하여 자가 발전기의 운동 부하를 추정하였다. 향후 성능 개선과 휴대성 증진을 통해 모바일 기기의 전력 지속 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Human-powered self-generating devices have been attractive with its operation characteristic independent from outer environment such as weather condition and wind speed. However, conventional self-generators have low electric power output due to their weakly-coupled electromagnetic structure. More i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 기존의 자가 발전기의 문제점인 출력 부족과 장시간 구동이 불가능한 단점을 동시에 해결할 수 있는 방안으로 훌라후프 형태의 자가 발전기를 제안하고 개발하였다.​​​​​​​
  • 본 연구에서는 높은 전자기 유도 효율을 갖는 세로 방향 전자기 결합 (longitudinal electromagnetic coupling) 방식을 적용하여 자가 발전기의 출력을 높이는 동시에, 이를 원통형 선형 발전기 (cylindrical linear generator)가 변형된 환형(ring) 구조로 구현하여 내부에서 이동하는 자성체의 운동 관성과 가속력을 유지시킴으로써, 이를 구동하는 사용자가 장시간 피로를 느끼지 않도록 하는 것에 목표를 두었다. 객관적인 성능 평가를 위해 상용 자가 발전기와의 비교 실험을 시행하고, 특히 발전기의 구동에 요구되는 인체의 운동 강도를 운동 역학적 추정 대신 호흡가스 기반의 실제 운동 대사량 측정을 통해 산출하였다[11∼12].
  • 그러나 세로 방향 결합 구조는 크랭크 핸들 등을 통해 회전 구동력을 전달하기에 용이하지 않기 때문에 기존 자가 발전기의 대부분은 다수의 극성을 갖는 자성체와 코일을 서로 근접시켜 가로 방향 변위를 이용하는 가로 방향 혹은 방사형 전자기 유도 결합(transverse or radial electromagnetic coupling) 방식으로 제작되어 왔다. 본 연구에서는 세로 방향 결합을 구성하여 증강된 출력을 얻는 동시에 회전 구동력을 인가하기 위한 방법으로, 코일이 감긴 환형 구조물 및 내부에서 순환하는 자성체를 훌라후프를 구성하는 폐곡선 튜브 형태로 구현하였다. 외부와 내부의 지름이 각각 30㎜와 25㎜인 엑셀파이프 XLPipe (㈜동신, Korea)를 전체 링의 지름이 1000㎜가 되도록 구부려 양 끝을 접합시킨 후 코일을 감고, 튜브의 내경에 적합한 네오디뮴 강자석 (NdFeB)을 삽입하여 자가 발전기를 제작하였다.
  • 훌라후프형 자가 발전기의 최대 출력은 48 Vpp, 2.1W, 기존 핸드크랭크 자가 발전기 제품의 최대 출력은 10 Vpp, 1.5 W로 측정되었으므로, 각각 1.7 W 와 1.3 W 수준의 출력을 유지하는 것을 목표로 구동 지속 실험을 실시하고 결과를 표 4에 정리하였다.​​​​​​​
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인체 구동 방식의 자가 발전기가 주목받는 국가들은 어떤 국가들인가? 낮은 효율과 사용성의 문제로 인해 인체 구동 방식의 자가 발전기는 실생활에서 사용되는 빈도는 아직 높지 않지만 그럼에도 불구하고, 외부환경에 덜 의존하며 설치가 쉽다는 중요한 장점을 갖고 있기 때문에 비상용 조명이나 통신용의 소규모 전원장치로는 계속 수요가 존재해 왔다. 특히 전력 인프라가 갖추어지지 않은 저개발 국가 등에서는 시급한 전력 문제를 해결할 수 있는 잠재력 높은 대안으로 꾸준히 주목받아 왔다[4∼5].
유도 전력이 생성되는 세로 방향 전자기 유도 결합 방식의 장점은? 자성체가 고정자 코일 (stator coil) 의 내부에 위치하고 종축 변위에 대하여 유도 전력이 생성되는 세로 방향 전자기 유도 결합 방식은 강한 유도 결합 특성으로 인해 보다 큰 출력을 낼 수 있어, 선형 진동 에너지를 대상으로 한 에너지 수확기에 활발히 적용되고 있다[8∼ 9, 13]. 그러나 세로 방향 결합 구조는 크랭크 핸들 등을 통해 회전 구동력을 전달하기에 용이하지 않기 때문에 기존 자가 발전기의 대부분은 다수의 극성을 갖는 자성체와 코일을 서로 근접시켜 가로 방향 변위를 이용하는 가로 방향 혹은 방사형 전자기 유도 결합(transverse or radial electromagnetic coupling) 방식으로 제작되어 왔다.
가로 방향 혹은 방사형 전자기 유도 결합(transverse or radial electromagnetic coupling) 방식으로 제작되는 이유는? 자성체가 고정자 코일 (stator coil) 의 내부에 위치하고 종축 변위에 대하여 유도 전력이 생성되는 세로 방향 전자기 유도 결합 방식은 강한 유도 결합 특성으로 인해 보다 큰 출력을 낼 수 있어, 선형 진동 에너지를 대상으로 한 에너지 수확기에 활발히 적용되고 있다[8∼ 9, 13]. 그러나 세로 방향 결합 구조는 크랭크 핸들 등을 통해 회전 구동력을 전달하기에 용이하지 않기 때문에 기존 자가 발전기의 대부분은 다수의 극성을 갖는 자성체와 코일을 서로 근접시켜 가로 방향 변위를 이용하는 가로 방향 혹은 방사형 전자기 유도 결합(transverse or radial electromagnetic coupling) 방식으로 제작되어 왔다. 본 연구에서는 세로 방향 결합을 구성하여 증강된 출력을 얻는 동시에 회전 구동력을 인가하기 위한 방법으로, 코일이 감긴 환형 구조물 및 내부에서 순환하는 자성체를 훌라후프를 구성하는 폐곡선 튜브 형태로 구현하였다.
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참고문헌 (20)

  1. Yong-ju Jang and Seongsoo Lee, "Battery lifetime enhancement technology using recovery effect", The Institute of Electronics Engineers of Korea-SD, Vol. 48, no. 6, pp. 33-38, June, 2011. 

  2. Wha_young Kim and Kihyun Chung, "The power management technique in the embedded system", ProThe Institute of Electronics Engineers of Korea, pp. 1119-1120, June, 2008. 

  3. Jung Jin Yeo, Mun Ho Ryu, Jung Ja Kim and Yoon Seok Yang, "Enhanced Energy Harvester The Institute of Electronics Engineers of Korea-SC, Vol. 49, no. 1, pp. 47-56, Jan., 2012. 

  4. H. Louie and S. J. Szablya, "Electromagnetic field modeling of appropriate technology generators for rural electrification applications", IEEE Global humanitarian technology conference, pp. 242-246, 2011. 

  5. H. Louie, K. Peng, and E. Hoffstetter, "Design and testing of a small human-powered generator for developing rural communities", IEEE North american power symposium (NAPS), pp. 1-8, 2010. 

  6. K. Lindberg-Poulsen, M.A.E. Andersen, A. Knott and T. Andersen, "Energy harvesting from an exercise bike using a switch-mode converter controlled generator", IEEE ICSET 2010, pp. 6-9 ,Kandy, Sri Lanka, Dec. 2010. 

  7. J. A. Paradiso and T. Starner, "Energy scavenging for mobile and wireless electronics", IEEE Pervasive Computing, pp. 18-27, March 2005. 

  8. Ho-Yong Choi, Sang-Yong Jung, Hyun-Kyo Jung and Yang-Seong Choi, "Analysis of Permanent Magnet Linear Generator For Charging the Battery of Mobile Lighting Apparatus", The 10th International Symposium on Applied Electromagnetics and Mechanics, pp. 569-570, Tokyo, Japan, May 13-16, 2001. 

  9. X. Zhuang, X. Wen, F. Zhao, T. Fan, L. Gu and Q. Li, "Research on electromagnetic coupling characteristic of dual mechanical port machine with longitudinal placed PM", International Conference on Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2012. 

  10. E. Arroyoa, A. Badela, F. Formosaa, Y. Wub and J. Qiub, "Comparison of electromagnetic and piezoelectric vibration energy harvesters: Model and experiments", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 183, pp. 148-156, 2012. 

  11. Yi-Sub Kwak, Young-Wan Jin and Chan-Ho, Park, "Effects of Changes in Exercise Intensity on Resting Metabolic Rate (RMR) and Energy Expenditure in Young Men", J. of Life Science, Vol. 15, no. 3, pp. 352-358, June 2005. 

  12. Yi-Sub Kawk, Byung In Yoo and Woo Young Ku, "The effects of exercise load on metaboli느 and respiratory gas composition", Korea Sports Research, Vol. 16, no. 5, pp. 429-438, 2005. 

  13. B. P. Mann and N. D. Sims. "Energy harvesting from the nonlinear oscillations of magnetic levitation", Journal of Sound and Vibration, Vol. 319, No. 1, pp. 515-530, 2009. 

  14. Im Gyeong Sug, "Energy metabolism in obesity", The Korean Journal of Obesity, Vol. 10, no. 3, pp. 271-272, 2001. 

  15. Tae-Hong Kim, Sang-Eun, Char and Dae-Kwang Kim, "The Documentary Study of Efficacious Body Weight Control for Obssity Man", The Korea Journal of Sports Science, vol. 7, no. 2, pp. 355-380, 1998. 

  16. Doo-Soub Shin and Chul hun Seo, "Study on the Rectifier Circuits for Wireless Energy Transmission", The Institute of Electronics Engineers of Korea-TC, Vol. 48, no. 2, pp. 90-94, 2011. 

  17. Ji-Ho Jeon, Duck-Hwan Lee, Joon-Ho Park, Jong-Tae Park and Chong-Gun Yu, "Design of an Energy Management System for On-Chip Solar Energy Harvesting", The Institute of Electronics Engineers of Korea-TC, Vol. 48, no. 2, pp. 15-21, Mar. 2011. 

  18. Youngchae Jeong, "Design of high efficiency rectenna for energy harvesting system", The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 39, no. 8, pp. 16-22, Aug. 2012. 

  19. Youngchae Jeong, "Wireless energy harvesting and power transmission", The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 39, no. 8, pp. 15, Aug. 2012. 

  20. Won-Jae Jung, Jun-Seok Park, "Research and Implementation of Using RF wireless Power Transmission System for Wireless Sensor Nodes Battery-Charging Power Harvesting Module", The Institute of Electronics Engineers of Korea-SC, Vol. 48, no. 6, pp. 34-42, Nov. 2011. 

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