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초록
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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.

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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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (13)

  1. 김동석, 박관수, 최형식, 이병우(2004) 보행에너지를 이용한 압전식 발전장치 개발에 관한 연구, 2004년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 대한전기학회, pp. 974-976. 

  2. 김성일, 여인호, 이인규, 김성춘(2006) 경량전철 교량 상부구조의 주행열차하중에 의한 진동 및 소음 분석, 2006년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집, 한국철도학회, pp. 9-16. 

  3. 곽문규, 김기영, 강호용, 김내수(2008년) 압전소자를 이용한 진동에너지 수집 장치 개발, 한국정밀공학회지, 한국정밀공학회,제25권, 제4호, pp. 32-38. 

  4. 금명훈(2003년) 압전 재료를 이용한 진동에너지 변환 전력발생시스템 연구, 석사학위논문, 서강대학교. 

  5. 박진형(2004년) 도로건설사업에 따른 지반진동영향 검토 및 대책,기술기사, 건설기술연구소 

  6. 박종수, 남윤수(2006년) 적응 제어기를 이용한 압전 소자로부터 의 에너지 회수에 대한 연구, 한국정밀공학회지, 한국정밀공학회, 제23권, 제6호, pp. 64-71. 

  7. 박종칠, 박찬민, 김병화, 이일근, 조병완(2006년) 장기계측에 의한 서해대교 사장교의 동특성 평가, 한국지진공학회 논문집, 한국지진공학회, 제10권, 제6호, pp. 115-123 

  8. 박창욱(1996) 전기자기학, 동일출판사. 

  9. 최남섭, 김재민(2003년) 건전도 감시용 자립형 계측유닛을 위한 진동발전시스템, 한국지진공학회 논문집, 한국지진공학회, 제7권, 제2호(통권 제30호), pp. 85-92. 

  10. 최범규, 이제윤, 이우훈, 오재근(2008) 압전 효과를 이용한 에너지 포집 시스템에 관한 연구, 한국정밀공학회지, 한국정밀공학회, 제25권, 제2호, pp. 115-122. 

  11. 최호웅, 정상응, 정현교, 최양승, 김규만(2000) 휴대용 기기충전형선형 발전기 특성 해석, 2000년도 대한전기학회 추계부문학술대회 논문집, 대한전기학회, pp. 297-299. 

  12. Amirtharajah, R. and Chandrakasan, A. (1998) Self-powered signal processing using vibration based power generation, IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 33, pp. 687-695. 

  13. Edwin R. Jones (2001) 대학일반물리학, 북스힐. 

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