본 연구에서는 에너지 하베스팅에 사용될 수 있는 고성능 압전복합재료 발전 소자 (piezocomposite generating element, PCGE)를 제안하고 발전 성능을 평가하였다. 수치적인 해석과 실험을 통하여 발전 소자의 효율성을 검증하려 노력하였다. 제안된 PCGE는 탄소/에폭시, 압전 세라믹 (PZT), 유리 ...
본 연구에서는 에너지 하베스팅에 사용될 수 있는 고성능 압전복합재료 발전 소자 (piezocomposite generating element, PCGE)를 제안하고 발전 성능을 평가하였다. 수치적인 해석과 실험을 통하여 발전 소자의 효율성을 검증하려 노력하였다. 제안된 PCGE는 탄소/에폭시, 압전 세라믹 (PZT), 유리 에폭시 층으로 이루어 지며, 구성층들을 동시 적층한 후 오토 클레이브에서 성형하였다. 본 연구의 결과로, 진동을 받는 PCGE의 출력전압이 PCGE의 적층 형태와 성형 후 잔류 응력에 큰 영향을 받음을 밝혔다. 특히 적층 형테에 따라 모멘트 암과 굽힘 강성이 다르게 되는데, 이러한 차이가 PCGE의 발전 성능을 좌우하는 요소이다. 적층 형태와 함께 성형 시 PZT 층 내부에는 각 층 사이의 열팽창 계수의 차이로 잔류 응력이 존재하게 되는데, 이 잔류 응력은 PZT 층의 전압 상수를 변화시킨다. 성형 후 PCGE 내부에 존재하는 응력을 계산하기 위하여 ANSYSTM 프로그램을 사용하였다. 이론에 대한 검증과 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시키는 성능을 실험적으로 파악하기 위하여, 세 가지 형태의 PCGE에 대한 발전 성능 시험을 수행하였다. 실험 결과로부터 PCGE를 적절히 설계하면 발전 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 실제적인 응용 가능성을 보기 위하여, 풍력에너지를 채집하는 소형 풍차를 PCGE를 이용하여 설계하였다. 한적한 시골에서 운영되는 대형 풍차는 타워, 블레이드 기어, 속도 조절기, 자석, 코일 등 복잡한 기계 구조로 구성되어 있다. 도시 지역에서 풍력을 채집하기 위하여 소형의 풍차를 연구하였다. 초기의 개념설계 모델에서 PCGE는 부가적인 보 요소로 동작하는데, 장치의 프레임에 설치된다. 팬블레이드가 바람에 의하여 회전하면서 PCGE에 충격을 가하게 된다. 이에 따라 PCGE는 진동하게 되고 전력을 생산하게 된다. 제작된 프로토타입을 풍동에서 시험 운용하여 배터리 충전 성능을 시험하였다. 결론적으로 제안된 프로토타입이 도시 지역에서 저속의 바람으로부터 에너지를 채집할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 에너지 하베스팅에 사용될 수 있는 고성능 압전복합재료 발전 소자 (piezocomposite generating element, PCGE)를 제안하고 발전 성능을 평가하였다. 수치적인 해석과 실험을 통하여 발전 소자의 효율성을 검증하려 노력하였다. 제안된 PCGE는 탄소/에폭시, 압전 세라믹 (PZT), 유리 에폭시 층으로 이루어 지며, 구성층들을 동시 적층한 후 오토 클레이브에서 성형하였다. 본 연구의 결과로, 진동을 받는 PCGE의 출력전압이 PCGE의 적층 형태와 성형 후 잔류 응력에 큰 영향을 받음을 밝혔다. 특히 적층 형테에 따라 모멘트 암과 굽힘 강성이 다르게 되는데, 이러한 차이가 PCGE의 발전 성능을 좌우하는 요소이다. 적층 형태와 함께 성형 시 PZT 층 내부에는 각 층 사이의 열팽창 계수의 차이로 잔류 응력이 존재하게 되는데, 이 잔류 응력은 PZT 층의 전압 상수를 변화시킨다. 성형 후 PCGE 내부에 존재하는 응력을 계산하기 위하여 ANSYSTM 프로그램을 사용하였다. 이론에 대한 검증과 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시키는 성능을 실험적으로 파악하기 위하여, 세 가지 형태의 PCGE에 대한 발전 성능 시험을 수행하였다. 실험 결과로부터 PCGE를 적절히 설계하면 발전 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 실제적인 응용 가능성을 보기 위하여, 풍력에너지를 채집하는 소형 풍차를 PCGE를 이용하여 설계하였다. 한적한 시골에서 운영되는 대형 풍차는 타워, 블레이드 기어, 속도 조절기, 자석, 코일 등 복잡한 기계 구조로 구성되어 있다. 도시 지역에서 풍력을 채집하기 위하여 소형의 풍차를 연구하였다. 초기의 개념설계 모델에서 PCGE는 부가적인 보 요소로 동작하는데, 장치의 프레임에 설치된다. 팬블레이드가 바람에 의하여 회전하면서 PCGE에 충격을 가하게 된다. 이에 따라 PCGE는 진동하게 되고 전력을 생산하게 된다. 제작된 프로토타입을 풍동에서 시험 운용하여 배터리 충전 성능을 시험하였다. 결론적으로 제안된 프로토타입이 도시 지역에서 저속의 바람으로부터 에너지를 채집할 수 있음을 확인하였다.
In this study, I propose a high performance piezocomposite generating element (PCGE) which can be used in energy harvesting applications and evaluate its electricity generating performance. The effectiveness of the generator is verified with numerical and experimental data. The PCGE is composed of l...
In this study, I propose a high performance piezocomposite generating element (PCGE) which can be used in energy harvesting applications and evaluate its electricity generating performance. The effectiveness of the generator is verified with numerical and experimental data. The PCGE is composed of layers of carbon/epoxy, piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) ceramic, and glass/epoxy cured at an elevated temperature. The results of this study reveal that the output voltage of the PCGE under vibration is affected considerably by variations in the layup configurations of the PCGEs and residual stress after the curing process. In particular, each laminated structure has a distinctive moment arm and bending stiffness, both of which affect the generating performance of the PCGE. Besides the effect of the layup configuration, the curing process causes the PCGE to have residual stress in the PZT layer because of a mismatch in the coefficients of thermal expansion between the constituent layers. This residual stress generally causes a change in the voltage coefficient, g31, of the PZT layer. The ANSYSTM program was used to conduct a finite element analysis of the stress redistribution in the PCGE. For the experimental tests, three kinds of PCGE layup configurations are subjected to vibration to validate the theoretical prediction and verify its capability of converting oscillatory mechanical energy into electrical energy. The experimental results confirm that the electricity generating performance can be enhanced by a proper design of the PCGE. Additionally, for real world applications, I introduce a small scale windmill which uses the PCGE for harvesting wind energy. Current technology uses large windmills that operate in rural regions and have complex generating mechanisms such as towers, blades gears, speed controls, magnets, and coils. In city, wind energy that would otherwise be wasted can be reclaimed and stored for later use. In this study, I therefore introduce a small scale windmill that can work in urban areas. In the prototype, a PCGE performs as a secondary beam element. One end of the PCGE is attached on the frame of the device. Additionally, the fan blade rotates in the direction of the wind and hits the other end of the PCGE. When the PCGE is excited, the effects of the beam’s deformation enable it to generate the electric power. The device is tested for the capabilities of power generation and battery charging. The results presented in this paper show that the prototype can harvest energy in urban regions with minor wind movement.
In this study, I propose a high performance piezocomposite generating element (PCGE) which can be used in energy harvesting applications and evaluate its electricity generating performance. The effectiveness of the generator is verified with numerical and experimental data. The PCGE is composed of layers of carbon/epoxy, piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) ceramic, and glass/epoxy cured at an elevated temperature. The results of this study reveal that the output voltage of the PCGE under vibration is affected considerably by variations in the layup configurations of the PCGEs and residual stress after the curing process. In particular, each laminated structure has a distinctive moment arm and bending stiffness, both of which affect the generating performance of the PCGE. Besides the effect of the layup configuration, the curing process causes the PCGE to have residual stress in the PZT layer because of a mismatch in the coefficients of thermal expansion between the constituent layers. This residual stress generally causes a change in the voltage coefficient, g31, of the PZT layer. The ANSYSTM program was used to conduct a finite element analysis of the stress redistribution in the PCGE. For the experimental tests, three kinds of PCGE layup configurations are subjected to vibration to validate the theoretical prediction and verify its capability of converting oscillatory mechanical energy into electrical energy. The experimental results confirm that the electricity generating performance can be enhanced by a proper design of the PCGE. Additionally, for real world applications, I introduce a small scale windmill which uses the PCGE for harvesting wind energy. Current technology uses large windmills that operate in rural regions and have complex generating mechanisms such as towers, blades gears, speed controls, magnets, and coils. In city, wind energy that would otherwise be wasted can be reclaimed and stored for later use. In this study, I therefore introduce a small scale windmill that can work in urban areas. In the prototype, a PCGE performs as a secondary beam element. One end of the PCGE is attached on the frame of the device. Additionally, the fan blade rotates in the direction of the wind and hits the other end of the PCGE. When the PCGE is excited, the effects of the beam’s deformation enable it to generate the electric power. The device is tested for the capabilities of power generation and battery charging. The results presented in this paper show that the prototype can harvest energy in urban regions with minor wind movement.
Keyword
#Finite Element Methods Structural Dynamics Composite
학위논문 정보
저자
Tien, Cam Minh Tri
학위수여기관
건국대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신기술융합(학과간)학과
지도교수
Goo, Nam Seo
발행연도
2010
총페이지
ⅷ, 45 p.
키워드
Finite Element Methods Structural Dynamics Composite
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