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KR101216425B1 - 인체-환경간 온도차를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

인체-환경간 온도차를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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KR101216425B1
KR101216425B1 KR1020100030434A KR20100030434A KR101216425B1 KR 101216425 B1 KR101216425 B1 KR 101216425B1 KR 1020100030434 A KR1020100030434 A KR 1020100030434A KR 20100030434 A KR20100030434 A KR 20100030434A KR 101216425 B1 KR101216425 B1 KR 101216425B1
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KR
South Korea
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junction
energy
garment
housing
harvesting system
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KR1020100030434A
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이주현
김용준
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
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Abstract

에너지 하베스팅 시스템이 게시된다. 상기에너지 하베스팅 시스템은 의복 외측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 외측의 온도를 검출하는 제1정션부; 의복의 내측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 내측의 온도를 검출하는 제2정션부; 상기 제1정션부와 상기 제2정션부의 출력신호들을 수신하고, 상기 제1정션부와 상기 제2정션부 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생하는 에너지 하비스터부; 상기 에너지 하비스터부로부터 전력을 수신하여 저장하는 배터리부; 및 상기 배터리부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다.

Description

인체-환경간 온도차를 이용한 에너지 하베스팅 시스템{Energy harvesting system using the temperature difference of human-environment relations}
본 발명은 인체-환경간 온도차를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 및 그 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 유연기판의 열전소자(thermopile)를 이용하여 의복의 내외 온도차를 전기적 에너지로 변환하여 저장하는 인체-환경 간 온도차 기반의 에너지 하베스팅 시스템, 및 그 방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(환경 발전) 기술은 운동 에너지나 광에너지, 열에너지라고 하는 환경 에너지를 압전 소자나 태양전지, 열전소자, 전자 유도등을 이용하여 전력으로 변환하는 것을 말한다. 이렇게 해서 얻은 전력은 축전되어 무선 커뮤니케이션 인터페이스를 탑재한 센서나 감시장치, 제어장치의 전원으로서 이용된다.
에너지 하베스팅 기술에서 현재 새로운 분야로서 일어나고 있는 것은 효율을 큰 폭으로 높인 전력 변환 IC나 전력제어 IC, 그리고 혁신적인 축전기술로서 저비용이며 저소비인 전력의 IC를 조합하고 환경 발전에 의해서 얻을 수 있는 단위 전력 당의 기능을 높인 솔루션이 최근에 등장하기 시작하고 있다.
민생기기의 분야에서는 열에너지나 운동 에너지를 이용한 의료용 어플리케이션의 개발, 태양전지를 탑재한 Bluetooth 단말기, 태양전지를 전력원으로 하는 휴대 전화기용 충전기 등에 관한 연구가 현재 다양하게 이루어지고 있다.
에너지 하베스팅 모듈은 예를 들면, 미국 Texas Instruments사는 저소비 전력 마이크로컴퓨터 'MSP430'에 미국 AdaptiveEnergy사나 영국 Perpetuum사 등이 보유하는 변환 기술이나, 미 Cymbet사의 혁신적인 배터리 기술 등을 조합한 에너지 하베스팅 모듈인 'Joule-Thief'를 기기 메이커에 공급하고 있다. 그러나 아직까지 의복에 적용한 에너지 하베스팅 시스템은 어디에도 찾아 볼 수 없었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 의복에 장착되는 열전소자의 각각 내부와 외부에 장착되는 제1정션부와 제2정션부의 온도차를 크게 함으로 에너지 하베스팅 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스팅 시스템, 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 일반 환경에서도 의류, 물품에 부착가능하게 제작하거나 휴대할 수 있도록 제작하여 일상 생활에서도 에너지를 하베스팅할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템, 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 의복 외측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 외측의 온도를 검출하는 제1정션부; 의복의 내측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 내측의 온도를 검출하는 제2정션부; 상기 제1정션부와 상기 제2정션부의 출력신호들을 수신하고, 상기 제1정션부와 상기 제2정션부 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생하는 에너지 하비스터부; 상기 에너지 하비스터부로부터 전력을 수신하여 저장하는 배터리부; 및 상기 배터리부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다.
상기 에너지 하베스팅 시스템은 상기 제1정션부와 상기 제2정션부가 장착되는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 의복의 외측에 접촉되어 열에너지와 광에너지를 흡수하며, 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시킬 수 있는 흡광 축열 소재로 구성된 제1하우징부; 및 의복의 내측에 접촉되어 상기 수확흡수된 열에너지를 하우징 내부로 반사할 수 있는 열반사 소재로 구성된 제2하우징부를 포함한다.
상기 제1정션부는 냉각 시스템 구조를 가지고, 상기 제2정션부는 축열 보온 시스템 구조를 가진다. 상기 제1정션부는 콜드정션(cold junction)이고, 상기 제2정션부는 핫정션(hot junction)이다. 상기 에너지 하베스팅 시스템은 유연 기판으로 제작된다.
발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 모듈은 각각이 제1정션부 및 제2정션부를 포함하는 적어도 하나의 열전소자; 대응되는 열전소자의 제1정션부와 제2정션부의 출력신호를 수신하고 상기 제1정션부와 상기 제2정션부 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생하는 적어도 하나의 에너지 하비스터; 상기 에너지 하비스터로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하는 배터리부; 및 상기 배터리부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다.
상기 에너지 하베스팅 시스템 모듈은 열전소자의 상기 제1정션부와 상기 제2정션부가 장착되는 각각의 하우징들을 포함하고, 상기 각각의 하우징들은 의복의 외측에 접촉되어 열에너지, 및 광에너지를 흡수하고 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시킬 수 있는 흡광 축열 소재로 구성된 제1하우징부; 및 의복의 내측에 접촉되어 상기 수확흡수된 열에너지, 및 광에너지를 하우징 내부로 반사할 수 있는 열반사 소재로 구성된 제2하우징부를 포함한다.
상기 제1정션부는 냉각 시스템 구조를 가지고, 상기 제2정션부는 축열 보온 시스템 구조를 가진다. 상기 제1정션부는 콜드정션(cold junction)이고, 상기 제2정션부는 핫정션(hot junction)이다. 상기 에너지 하베스팅 시스템 모듈은 유연 기판으로 제작된다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법은 외부로부터 입사되는 열에너지, 광에너지를 흡수하는 단계; 상기 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시키는 단계; 상기 수확된 열에너지를 하우징 내부에서 반사시켜 하우징 내부 온도를 높이는 단계; 의복 외측의 온도와 의복 내측의 온도를 검출하는 단계; 상기 검출된 의복 외측의 온도와 의복 내측의 온도 차에 기초하여 전력을 발생하는 단계; 및 상기 발생된 전력을 저장하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템은 열전소자의 제1정션부와 제2정션부의 온도차를 크게 함으로써 에너지의 하베스팅 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템은 의류, 물품 등에 부착하거나 휴대용으로 제작하여 일상생활에서도 열전소자를 이용하여 에너지를 저장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도1은 일반적인 열전소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 열전소자 하우징의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 모듈을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도1은 일반적인 열전소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 열전소자(10)는 특성이나 성질이 서로 다른 금속으로 구성되고, 서로 다른 두 금속(11, 12)의 각각의 양단이 접속되어 제1정션부(13), 및 제2정션부(14)를 형성한다. 상기 제1정션부(13)는 콜드정션(cold junction)이고, 상기 제2정션부(14)는 핫정션(hot junction)이다.
상기 열전소자(10)는 제1정션부(13), 및 상기 제2정션부(14)의 온도차가 발생하게 되면 두 금속 사이로 폐회로가 형성되고 전류가 흐르게 된다. 예컨대, 상기 제1정션부(13)의 온도가 'T'도이고, 상기 제2정션부(14)의 온도가 'T+ΔT'도일 때, 상기 제1정션부(13)과 상기 제2정션(14)은 'ΔT'도 만큼의 온도차가 발생하게 되고 그 온도차(ΔT)에 상응하는 전압이 발생한다. 그리고, 상기 제1정션부(13)와 상기 제2정션부(14)의 온도차를 더 크게 하면, 그에 상응하여 더 많은 전압을 발생하게 된다.
그런데, 일반적인 환경에서는 상기 제1정션부(13)와 상기 제2정션부(14)의 온도차가 미약하여 전압을 발생하는 데에 있어 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 의복 등에 부착하여 사용하는 데에 있어서 어려움이 있고, 전기 에너지로 변화하는 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 일반적인 환경에서도 상기 제1정션부(13)와 상기 제2정션부(14)의 온도차를 크게하여 에너지 하베스팅 효율을 높여 일상의 환경에서도 의복 등에 열전소자를 이용하여 에너지를 하베스팅 할 수 있는 시스템 및 방법이 요구된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 실시예를 나타낸다. 도 3은 도 2에 하우징을 설명하기 위한 도면이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 상기 에너지 하베스팅 시스템(100)은 제1정션부(111)와 제2정션부(112)를 포함하는 열전소자(110), 상기 제1정션부(111)와 상기 제2정션부(112)의 온도차를 크게 하기 위한 열전소자 하우징(120), 에너지 하비스터(130), 및 배터리부(140)를 포함한다.
상기 열전소자(110)는 서로 다른 재질을 가지는 두 개의 금속이 쌍으로 이루어져 제1정션(111)과 제2정션부(112)를 형성한다. 상기 제1정션부(111)는 의복 외측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 외측의 온도를 검출한다. 상기 제2정션부(112)는 의복 내측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 내측의 온도를 검출한다.
상기 열전소자 하우징(120)은 소재가 서로 다른 제1하우징부(121), 및 제2하우징부(122)를 포함하고, 상기 열전소자(110)가 장착된다. 상기 열전소자의 제1정션부는(111) 상기 열전소자 하우징(120) 외측 장착되고, 상기 제2정션부(112)는 상기 열전소자 하우징(120) 내부에 장착된다.
상기 열전소자 하우징(120)은 외부로부터 수신되는 열에너지 또는 광에너지를 내부로 입사시키고, 상기 내부로 입사된 열에너지에 기초하여 내부 온도를 상승시킨다. 좀더 상세히 설명하면, 일반적인 열전소자(110)에서 상기 열전소자(110)가 장착된 의복 외측의 온도가 'T'도이고, 의복 내측의 온도가 'T+ΔT'도일 때, 본 발명에 따른 상기 열전소자 하우징(120) 내부의 온도는 'T+ΔT+α'로 상승하게 된다.
상기 제1하우징부(121)는 의복 외측에 접촉되어 열에너지, 및 광에너지를 흡수하고 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시키고 상기 열전소자 하우징(120) 내부로 입사시킨다.
상기 제2하우징부(122)는 의복 내측에 위치하여 상기 제1하우징부(121)를 통하여 내부로 수확흡수된 열에너지, 및 광에너지를 상기 열전소자 하우징(120) 내부로 반사시켜 상기 열전소자(110) 내부 온도를 상승시킨다. 상기 제1하우징부(121)는 열에너지, 및 광에너지를 흡수하고 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시킬 수 있는 흡광 축열 소재로 구성되고, 상기 제2하우징부(122)는 내부로 수확된 열에너지, 및 광에너지를 반사시킬 수 있는 열반사 소재(예컨대, 알루미늄 코팅소재)로 구성된다. 상기 열전소자 하우징(120)은 파우치형 형상으로 구현될 수 있다.
상기 에너지 하비스터(130)는 상기 제1정션부(111)와 상기 제2정션부(112)의 출력신호들을 수신하고, 상기 제1정션부(111)와 상기 제2정션부(112) 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생한다.
좀더 상세히 설명하면, 예컨대 의복 외측의 온도가 'T'도이고, 의복 내측의 온도, 즉 열전소자 하우징(120) 내부의 온도가 'T+ΔT+α'도일 때, 상기 제1졍션부(111)는 'T'도의 의복 외측 온도, 즉 열전소자 하우징(120) 외측의 온도를 검출하고, 상기 제2정션부(112)는 'T+ΔT+α'도의 열전소자 하우징(120) 내측의 온도를 검출한다. 결국, 상기 열전소자(110)는 상기 제1정션부(111)와 상기 제2정션부(112)가 검출한 온도의 차인 'ΔT+α'만큼의 온도에 상응하는 출력신호를 출력한다.
상기 에너지 하비스터(130)는 상기 출력신호에 기초하여 제1정션부(111)와 제2정션부(112)의 온도차인 'ΔT+α'에 상응하는 전력을 발생하여 출력한다. 상기 제1정션부(111)는 콜드정션(Cold junction)이고, 상기 제2정션부(112)은 핫 정션(hot junction)으로 구현된다.
상기 배터리부(140)는 상기 에너지 하비스터(130)로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장한다. 상기 배터리부(140)는 상기 에너지 하베스팅 시스템에 필요한 소규모 전력을 공급할 수 있는 충방전 시스템으로 구현될 수 있고, 에너지 하베스팅 시스템 외부에 별도로 구현될 수 있다. 상기 에너지 하베스팅 시스템(100)은 유연 기판으로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템 모듈을 나타내는 도면이다. 도2와 도4를 참조하면, 상기 에너지 하베스팅 시스템 모듈(200)은 각각이 제1정션부(111) 및 제2정션부(112)를 포함하는 적어도 하나의 열전소자(110), 열전소자 하우징(120), 적어도 하나의 에너지 하비스터(120), 및 배터리부(130)를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템, 및 마이크로프로세서(210)를 포함한다.
상기 열전소자(110)는 서로 다른 재질을 가지는 두 개의 금속이 쌍으로 이루어지며 제1정션부(111)와 제2정션부(112)를 형성한다. 상기 제1정션부(111)는 의복 외측에 장착되어 열전소재로 이루어져 의복 외측의 온도를 검출한다. 상기 제2정션부(112)는 의복의 내측에 장착되어 열전소재(110)로 이루어져 의복 내측의 온도를 검출한다.
상기 에너지 하비스터(120)는 대응되는 열전소자의 제1정션부(111)와 제2정션부(112)의 출력신호를 수신하고 상기 제1정션부(111)와 상기 제2정션부(112) 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생한다. 상기 에너지 하비스터(120)는 상기 열전소자(110) 각각에 대응하여 구비될 수 있고, 다수의 상기 열전소자(110)에 공동으로 접속되어 구현될 수 있다.
상기 배터리부(130)는 상기 에너지 하비스터(120)로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장한다. 상기 배터리부(130)는 상기 에너지 하비스터(120) 각각에 대응되어 구비될 수 있고, 다수의 에너지 하비스터(120)에 공동으로 접속되어 구비될 수 있다.
상기 열전소자(110), 에너지 하비스터(120)에 관한 상세한 설명은 도2와 도3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 생략하고자 한다.
상기 마이크로 프로세서(210)는 상기 배터리부(130)를 제어하고, 신호를 증폭하거나 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법을 나타내는 도면이다. 도 2와 도5를 참조하면, 상기 에너지 하베스팅 시스템(100)은 외부로부터 열에너지, 및 광에너지를 흡수하고 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시키고(S110), 상기 수확흡수된 열에너지, 및 광에너지를 열전소자 하우징(120) 내부에서 반사시켜 열전소자 하우징(120) 내부의 온도를 높인다(S120).
상기 에너지 하베스팅 시스템(100)은 의복 외측의 온도와 의복 내측의 온도를 검출하고(S130), 상기 검출된 의복 외측의 온도와 의복 내측의 온도차에 기초하여 전력을 발생한다(S130). 즉, 상기 의복 내측에 위치하는 열전소자 하우징(120)의 내부의 온도가 상승하게 되므로, 제1정션부(111)와 제2정션부(112)와의 온도차가 커지게 된다. 따라서, 더 많은 전력을 발생한다.
상기 에너지 하베스팅 시스템(100)은 상기 발생된 전력을 수신하여 저장하고 상기 에너지 하베스팅 시스템(100) 내부의 소규모 전력으로 이용하거나, 외부기기로 전송하여 이용한다(S150).
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 에너지 하베스팅 시스템 110: 열전소자
111: 제1정션부 112: 제2정션부
113: 에너지 하비스터 114: 배터리부
200: 에너지 하베스팅 시스템 모듈

Claims (11)

  1. 의복 외측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 외측의 온도를 검출하는 제1정션부;
    의복의 내측에 장착되며 열전소재로 이루어져 의복 내측의 온도를 검출하는 제2정션부;
    상기 제1정션부와 상기 제2정션부의 출력신호들을 수신하고, 상기 제1정션부와 상기 제2정션부 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생하는 에너지 하비스터부;
    상기 에너지 하비스터부로부터 전력을 수신하여 저장하는 배터리부; 및
    상기 배터리부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 시스템은 상기 제1정션부와 상기 제2정션부가 장착되는 하우징을 포함하고,
    상기 하우징은,
    의복의 외측에 접촉되어 열에너지 및 광에너지를 흡수시키고, 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시킬 수 있는 흡광 축열 소재로 구성된 제1하우징부; 및
    의복의 내측에 접촉되어 상기 제1하우징부의 열에너지를 하우징 내부에서 반사시켜, 하우징 내부 온도를 높일 수 있는 열반사 소재로 구성된 제2하우징부를 포함하는 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1정션은 냉각 시스템으로 구조를 가지고, 상기 제2정션은 축열 보온 시스템 구조를 가지는 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 시스템은 유연 기판으로 이루어진 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 제1항 또는 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1정션은 콜드정션(cold junction)이고, 상기 제2정션은 핫정션(hot junction)인 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 각각이 제1정션부 및 제2정션부를 포함하는 적어도 하나의 열전소자;
    대응되는 열전소자의 제1정션부와 제2정션부의 출력신호를 수신하고 상기 제1정션부와 상기 제2정션부 사이의 온도차에 기초하여 전력을 발생하는 적어도 하나의 에너지 하비스터;
    상기 에너지 하비스터로부터 출력되는 전력을 수신하여 저장하는 배터리부; 및
    상기 배터리부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 에너지 하비스팅 시스템 모듈에 있어서,
    상기 제1정션부는 냉각 시스템 구조를 가지고, 상기 제2정션부는 축열 보온 시스템 구조를 가지는 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 시스템 모듈은 열전소자의 상기 제1정션부와 상기 제2정션부가 장착되는 각각의 하우징들을 포함하고,
    상기 각각의 하우징들은,
    의복의 외측에 접촉되어 열에너지 및 광에너지를 흡수하고 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시킬 수 있는 흡광 축열 소재로 구성된 제1하우징부; 및
    의복의 내측에 접촉되어 상기 제1하우징부에 흡수된 열에너지 및 광에너지를 하우징 내부로 반사할 수 있는 열반사 소재로 구성된 제2하우징부를 포함하는 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템 모듈.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 시스템 모듈은 유연 기판으로 이루어진 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템 모듈.
  10. 제6항 또는 제7항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1정션부는 콜드정션(cold junction)이고, 상기 제2정션부는 핫정션(hot junction)인 것을 특징으로 에너지 하베스팅 시스템 모듈.
  11. 외부로부터 입사되는 열에너지, 광에너지를 흡수하는 단계;
    상기 흡수된 광에너지를 열에너지로 전환시키는 단계;
    상기 전환된 열에너지를 하우징 내부에서 반사시켜 하우징 내부 온도를 높이는 단계;
    의복의 외측의 온도와 의복 내측의 온도를 검출하는 단계;
    상기 검출된 의복 외측의 온도와 의복 내측의 온도 차에 기초하여 전력을 발생하는 단계; 및
    상기 발생된 전력을 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 에너지 하베스팅 방법.
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