본 논문에서는 도로와 철도에서 자동차와 열차주행시에 발생하는 진동에너지를 건축-토목 구조물에 활용 가능한 전기에너지로 변환하는 진동력 발전시스템 인프라 구축을 위한 기초 개념에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 자기유도기술을 활용하여 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 진동력 발전장치를 제안하고, 자기유도기술의 기본 원리 및 진동력 발전장치의 동적특성에 대해 설명하였다. 마지막으로 외력과 진동속도에 따라 진동력 발전장치에서 발생하는 기전력의 세기와의 상관관계를 분석하기 위해 다양한 변수를 두고 실내실험을 수행하였고, 이러한 실험결과를 토대로 시험용 진동력 발전장치의 적용성과 효용성을 분석하여, 최대 가용 전력을 획득하기 위한 진동력 발전시스템의 최적설계에 대한 기초 자료를 확보하였다.
본 논문에서는 도로와 철도에서 자동차와 열차주행시에 발생하는 진동에너지를 건축-토목 구조물에 활용 가능한 전기에너지로 변환하는 진동력 발전시스템 인프라 구축을 위한 기초 개념에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 자기유도기술을 활용하여 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 진동력 발전장치를 제안하고, 자기유도기술의 기본 원리 및 진동력 발전장치의 동적특성에 대해 설명하였다. 마지막으로 외력과 진동속도에 따라 진동력 발전장치에서 발생하는 기전력의 세기와의 상관관계를 분석하기 위해 다양한 변수를 두고 실내실험을 수행하였고, 이러한 실험결과를 토대로 시험용 진동력 발전장치의 적용성과 효용성을 분석하여, 최대 가용 전력을 획득하기 위한 진동력 발전시스템의 최적설계에 대한 기초 자료를 확보하였다.
A Basic experimental study for the development of vibration-power generation system from the vibration energy of urban infrastructure, such as a railroad, highway, and bridges, was carried out to harvest electricity from moving vehicles. Starting with the proposal of vibration power generator which ...
A Basic experimental study for the development of vibration-power generation system from the vibration energy of urban infrastructure, such as a railroad, highway, and bridges, was carried out to harvest electricity from moving vehicles. Starting with the proposal of vibration power generator which converts vibration energy to an electric power by using self-induction technology, the research explains the basic concept of self-induction technology and the dynamic characteristics of a ibration power generator. Also, in order to analyze the correlation of an electromotive force from vibration power generator which depends on external force and vibration speeds, many indoor experiments with various variables were achieved. Based on the experimental results, a vibration power generator system's ability were analyzed. With those results, basic data of vibration power generator system to acquire the maximum available power was confirmed.
A Basic experimental study for the development of vibration-power generation system from the vibration energy of urban infrastructure, such as a railroad, highway, and bridges, was carried out to harvest electricity from moving vehicles. Starting with the proposal of vibration power generator which converts vibration energy to an electric power by using self-induction technology, the research explains the basic concept of self-induction technology and the dynamic characteristics of a ibration power generator. Also, in order to analyze the correlation of an electromotive force from vibration power generator which depends on external force and vibration speeds, many indoor experiments with various variables were achieved. Based on the experimental results, a vibration power generator system's ability were analyzed. With those results, basic data of vibration power generator system to acquire the maximum available power was confirmed.
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문제 정의
4. 외력과 진동속도에 따른 유도기전력 발생 특성 분석을 통해 실제 건축-토목구조물에 필요한 전력을 생산하기 위해 구축해야할 진동력 발전 시스템에 대한 최적 설계에 필요한 기초자료를 확보하였다.
따라서 본 논문에서는 도로·교량·철도 관련구조물의 차량 이동하중으로 인한 진동에너지를 회수하여 무공해 녹색전기에너지로 변환하기 위하여, 자기유도기술개념의 진동력 발전 가능성을 검증하고, 자동차와 열차주행에 따른 진동속도와 외력의 상관관계, 진동력 발전 시스템의 자력의 세기와 전력생산 가능성에 대한 기초연구를 수행하고, 제안된 진동력 발전 장치를 건축-토목구조물중의 하나인 교량(성동교)에 설치함으로써 실제 구조물의 상시진진동을 이용하여 전기에너지를 생산하는 진동력발전 시스템의 실용성과 실효성을 보이고, 미래 녹색교통망의 에너지 하베스팅 개념을 정립하고자 한다.
본 연구에서는 Fig. 4에서 제작한 진동력 발전장치를 한양대학교 근처에 위치한 성동교에 직접 설치하여 발전성능 및 제안된 진동력 발전시스템의 실현가능성을 검토하였다. 성동교에서 발생하는 진동에너지의 수준을 알아보기 위하여 P3 구간 하부에 가속도계를 설치하여 계측하였고, Fig.
현재 진동을 이용하여 전기에너지를 생산하는 방법에는 가장 대표적인 것으로 압전 효과를 이용하는 기술(금명훈, 2003; 김동성 등, 2004; 박종수 등, 2006; 곽문규 등, 2008, 최범규 등, 2008)과 이 밖에 자기 유도를 이용한 기술, 정전용량의 변화를 이용한 기술, 그리고 진동을 터빈의 회전 에너지로 변환시켜 발전하는 기술 등 크게 4종류로 나눌 수 있으며, 본 연구에서는 도로나 철도 관련 구조물의 차량주행에 따른 진동하중을 전자기유도를 통해 전기에너지를 생산하고자 한다.
가설 설정
차량의 통과속도가 빠르다면 그만큼 A지점에서 발생하는 진동의 주기 역시 빠르므로, 진동력 발전장치에 전달되는 진동에너지의 전달 속도가 빠르다는 것이며, 이것을 12V-DC모터의 회전수를 RPM60-RPM240으로 조절하여 표현하였다. 이번 기초실험의 목적은 진동의 발생시점에서 진동력 발전장치에 도달되는 에너지의 양이 아닌 단순히 실제 진동력 발전장치에 가해지는 진동에너지의 크기와 진동속도의 변화에 따라 발생되는 유도기전력과의 상관관계를 분석하려는 것으로써 위의 방법과 같이 하중의 크기와 진동의 속도를 실험에 용이하게 하였으며, 외력의 크기와 진동속도를 제외한 나머지 조건은 모두 동일하다고 가정하였다.
제안 방법
1. 교통관련 구조물에서 자동차와 열차주행시에 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 내부에 삽입된 네오디늄자석의 상하반복운동을 통한 전자기 유도 방식을 이용한 진동력 발전장치의 구조를 제안하였다.
5. 성동교 P3구간 하부에 제작된 시험용 진동력 발전장치를 설치하여 구조물의 상시진동을 이용한 진동력 발전시스템의 가능성을 검증하였다.
4와 같은 진동력 발전장치를 설계하였다. Fig. 2를 통해 0-5[Hz]의 저주파진동에서 잘 작동할 수 있도록 하기 위하여 기초실험용 진동력 발전장치는 막대모양의 아크릴관 안에 상호 동일한 극으로 대향 결합된 네오디늄 자석2개와 상, 하 각 끝 지점에 자석의 척력을 활용하기 위한 네오디늄 자석을 각 1개씩 부착하였다. 아크릴관 외부에는 코일을 설치하여 전자기유도방식을 통해 기전력이 발생할 수 있게 하였다.
도로 및 철도에서 자동차와 열차주행시에 발생하는 진동에너지를 전기로 변환하는 진동력 발전시스템구현을 위한 기초실험에서는 자력세기에 따른 유도기전력의 세기를 비교하기 위하여 진동력 발전장치에 φ20, φ30, φ40의 외경을 갖는 네오디늄 자석을 삽입하여 3개의 실험체를 제작하였고, 진동력 발전장치에 가해지는 외부에너지와 진동속도에 의해 발생되는 유도기전력의 세기를 비교하기 위하여 각각의 실험체에 대하여 진동속도와 외력의 크기를 달리하여 발생하는 유도기전력을 관찰하였다.
즉, 차선이 같을 경우 통행량이 두배일 경우 통행하는 차량의 수 역시 2배이므로 도로에 가해지는 하중 역시 2배라 볼 수 있다. 따라서 본 실험에서는 12V-DC모터에 무게가 다른 회전판을 연결하여 진동력 발전 장치에 가해주는 외력을 4.9N-19.6N으로 변화하여 실험하였다. 또한 도로의 한 지점을 A라 했을 때 평균주행속도[V]가 클수록 A지점을 통과하는 시간이 빠를 것이다.
본 연구에서는 자기유도기술을 활용하여 도로 · 교량 · 철도관련 구조물에서 자동차와 열차주행시에 발생하는 진동에너지를 전기로 변환하는 개념 · 방법에 대한 기초실험을 위해 Fig. 4와 같은 진동력 발전장치를 설계하였다.
4에서 제작한 진동력 발전장치를 한양대학교 근처에 위치한 성동교에 직접 설치하여 발전성능 및 제안된 진동력 발전시스템의 실현가능성을 검토하였다. 성동교에서 발생하는 진동에너지의 수준을 알아보기 위하여 P3 구간 하부에 가속도계를 설치하여 계측하였고, Fig. 10은 설치된 가속도계로부터 수집된 평상시 성동교의 가속도 시간 이력과 FFT 분석신호를 나타낸 것이다.
실험 장치에는 도로 · 교량 · 철도 관련 구조물에서의 반복적인 차량하중을 묘사하기 위하여 12V의 DC모터에 회전판을 연결하여 진동력 발전장치에 지속적인 외력을 가해줄 수 있게 하였고, 모터에 연결되는 회전판의 무게를 달리하여 외력의 변화를 줄 수 있게 하였다.
식 (1)을 보면 도로교통진동량과 등가교통량 [Q*], 평균주행속도[V]는 서로 비례한다는 것을 알 수 있다. 실험을 단순화 하기 위하여 교통량을 회전판이 진동력 발전장치에 가해주는 외력, 평균주행속도를 12VDC모터의 회전수[RPM]로 대체하였다. 등가교통량의 경우 통행하는 차량의 수이므로 통행량과 차량의 수는 비례하고, 통행량이 많을수록 그만큼 도로에 가해지는 하중 역시 증가한다고 볼 수 있다.
따라서 진동력 발전장치에 가해지는 외부에너지와 진동력 발전장치의 진동속도와 발생되는 유도기전력의 상관관계를 분석하는 것이 중요하다. 이러한 진동력 발전시스템의 구현에 필요한 기초데이터 확보를 위한 실험을 위하여 먼저 Fig. 5와 같은 실험 장치를 설계, 제작하였다. 실험 장치에는 도로 · 교량 · 철도 관련 구조물에서의 반복적인 차량하중을 묘사하기 위하여 12V의 DC모터에 회전판을 연결하여 진동력 발전장치에 지속적인 외력을 가해줄 수 있게 하였고, 모터에 연결되는 회전판의 무게를 달리하여 외력의 변화를 줄 수 있게 하였다.
또한 도로의 한 지점을 A라 했을 때 평균주행속도[V]가 클수록 A지점을 통과하는 시간이 빠를 것이다. 차량의 통과속도가 빠르다면 그만큼 A지점에서 발생하는 진동의 주기 역시 빠르므로, 진동력 발전장치에 전달되는 진동에너지의 전달 속도가 빠르다는 것이며, 이것을 12V-DC모터의 회전수를 RPM60-RPM240으로 조절하여 표현하였다. 이번 기초실험의 목적은 진동의 발생시점에서 진동력 발전장치에 도달되는 에너지의 양이 아닌 단순히 실제 진동력 발전장치에 가해지는 진동에너지의 크기와 진동속도의 변화에 따라 발생되는 유도기전력과의 상관관계를 분석하려는 것으로써 위의 방법과 같이 하중의 크기와 진동의 속도를 실험에 용이하게 하였으며, 외력의 크기와 진동속도를 제외한 나머지 조건은 모두 동일하다고 가정하였다.
대상 데이터
6N)의 변화를 주어 진동력 발전장치에서 발생한 유도기전력의 세기와 전류, 전력 값을 기록한 것이고, Table 3은 실험에 사용한 재원을 표시한 것이다. 실험은 각각에 대해 500회를 실시하였고, 표에 나타난 것은 평균값을 산정한 것이다.
성능/효과
2. 본 기초 실험을 통해 진동력 발전시스템의 유도기전력의 세기는 자속의 변화량에 따라 달라지는 것으로 나타났으며, 패러데이의 법칙에 의해 기전력이 생성된다는 것을 확인하었다.
3. 진동력 발전장치에서 발생한 기전력의 파형분석을 통해 유도기전력의 방향을 렌츠의 법칙으로 설명하였고, 이를 통해 진동력 발전창치 내부자석의 상하반복운동에 의한 자속의 방향에 따라 생성되는 기전력의 방향을 쉽게 파악할 수 있게 되었다.
하지만 φ30, φ40의 네오디늄자석이 반복운동을 하는데 충분한 힘이 주어질 경우에는 φ20에서 발생하는 전압 값보다 매우 크다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 진동력 발전 시스템을 구축할 경우 무조건 자력의 세기가 큰 자석보다는 설치 환경에 맞게 적절한 중량의 자 석을 선택하는 것이 중요한 것으로 나타났다. 예를 들어, 작은 진동에너지가 발생하는 곳에는 자력의 세기는 약하지만 그 것을 상쇄시킬수 있을 만큼 더 많은 움직임을 통해 자속의 시간당 변화량을 크게 줄 수 있는 자석을 선택하는 것이 더 큰 효율을 기대할 수 있다는 것을 실험을 통해 검증하였다.
2, 3을 통해 진동에너지를 발생시키는 상시 진동이 발생하고, 진동력 발전장치의 설계가 용이한 1[Hz] 이상의 주파수 영역(최남섭 등, 2003)에서도 많은 진동이 발생한다는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 진동력 발전시스템의 실제 적용 가능성을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 3을 보면 주행 중인 열차의 속도가 클수록 발생하는 진동에너지 역시 커진다는 것을 알 수 있으며 진동력 발전 시스템을 열차의 평균주행속도가 빠른 부분에 설치하는 것이 더욱 효과적이며, 많은 전기에너지를 생산할 수 있다는 결론에 이른다.
이는 진동력 발전장치에 가해지는 외력의 힘이 클 경우 내부에 삽입되어있는 네오디늄 자석은 상하왕복거리는 증가하고, 더 빠른 속도로 상하왕복운동을 하게 되고, 그로인해 (3)식에서의 ∆Φ/∆t의 값이 증가하고, 유도기전력의 크기가 증가하는 것이다. 이러한 실험값을 통해 같은 진동속도를 발생시킨다 할지라도 가해지는 외부에너지의 크기가 크면 클수록 더 큰 전압값을 얻어낼 수 있는 것으로 나타났다.
이러한 전자기 유도원리를 이용하여 실제 건축-토목 구조물에서 상시적으로 발생하는 상하 미소진동을 이용하여 종래의 회전 운동식 발전기와 달리 영구자석의 상하왕복운동으로 전기를 발생시키는 것이 진동력 발전 시스템이다. 진동력 발전 시스템은 구조물의 진동에너지를 이용하므로 동력이 필요 없으며 본 논문에서 제안된 진동력 발전장치는 기존의 재생에너지인 풍력, 태양력, 조력 등과 달리 임의의 위치에 독립적으로 설치할 수 있고, 외부적 환경(일기변화)에 거의 무관하게 항상 일정한 발전량을 가지며, 반영구적인 수명을 가지는 등의 장점을 가지고 있다.
후속연구
진동력 발전장치의 성능실험의 결과 현 단계에서 진동력 발전은 그 효율성이 낮은 편이지만 전력생산의 발전량과 효율성이 높아진다면 생활속 진동에너지를 활용하여 무공해 전력의 대량 생산이 가능하게 될 것이다. 이는 정부에서 추진하고 있는 녹색뉴딜사업과 부합하는 친환경 전력발생 시스템으로서 건축-토목 구조물에의 실제적인 활용이 가능하게 된다면 녹색·신재생 에너지 시장을 주도하게 될 것이며 이로 인한 경제적 파급효과는 실로 엄청날 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신·재생 에너지란 무엇인가?
최근 고유가와 지구온난화에 따른 저탄소산업 등 국내·외 환경변화에 따라, 녹색 신·재생 에너지가 각광을 받고 있다. 여기서 신·재생 에너지는 태양광, 풍력, 바이오, 지열 등 8개 재생에너지분야와 수소에너지, 연료전지, 석탄액화가스화의 신에너지 3개 분야로, 재생에 가능한 도시·환경속의 에너지를 변환시켜, 화석연료에너지를 대체하는 청정녹색 에너지기술의 모두를 의미한다.
전자기유도는 어떤 원리로 전류를 발생시키는가?
1과 같이 코일에 자속을 변화시킬 때, 코일에서 기전력이 발생하는데 이 현상을 전자기유도라 한다. 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기는 것처럼, 코일(도체)주위에 자기장이 발생하면 전자의 움직임이 발생한다. 이것이 곧 전자의 흐름이 되어 전류가 만들어지는 것이다(Jones, 2001). 이러한 전자기 유도원리를 이용하여 실제 건축-토목 구조물에서 상시적으로 발생하는 상하 미소진동을 이용하여 종래의 회전 운동식 발전기와 달리 영구자석의 상하왕복운동으로 전기를 발생시키는 것이 진동력 발전 시스템이다.
녹색교통망이란?
녹색교통망은 탄소를 배출하지 않는 수소 · 이차연료전지 차량이나, 하이브리드카, 청정에너지버스와 같은 녹색교통수단의 이용 외에도 자전거 및 녹색가로수를 통한 유산소 생성망과 포장도로나 도로교통시설물의 열, 온도, 진동, 압력 등 폐기되는 에너지를 회수하는 에너지 하베스팅 개념의 교통망으로 정의할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 도로·교량·철도 관련구조물의 차량 이동하중으로 인한 진동에너지를 회수하여 무공해 녹색전기에너지로 변환하기 위하여, 자기유도기술개념의 진동력 발전 가능성을 검증하고, 자동차와 열차주행에 따른 진동속도와 외력의 상관관계, 진동력 발전 시스템의 자력의 세기와 전력생산 가능성에 대한 기초연구를 수행하고, 제안된 진동력 발전 장치를 건축-토목구조물중의 하나인 교량(성동교)에 설치함으로써 실제 구조물의 상시진진동을 이용하여 전기에너지를 생산하는 진동력발전 시스템의 실용성과 실효성을 보이고, 미래 녹색교통망의 에너지 하베스팅 개념을 정립하고자 한다.
참고문헌 (13)
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