[논문]교량의 진동을 이용한 진동력 발전 기초실험연구

조병완; 이윤성; 김영지; 윤광원

[국내논문] 교량의 진동을 이용한 진동력 발전 기초실험연구
A Basic Experimental Study on Vibration Power Generation Using Bridge Vibration 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.12 no.4 = no.46, 2010년, pp.121 - 129

조병완 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과) , 이윤성 (한양대학교 공과대학 토목공학과) , 김영지 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과) , 윤광원 (한양대학교 공과대학 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 차량주행 시 교량에서 발생하는 진동에너지를 사회기반시설에 활용 가능한 전기에너지로 변환하는 진동력 발전시스템의 기초개념에 대해 연구하였다. 이 논문은 자기유도기술개념의 교량 진동력 발전 시스템에 대한 개념을 정립하고, 교량의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 진동력 발전장치를 제안하였다. 또한, 진동력 발전의 실 교량 적용성을 검토하기 위하여 제안한 진동력 발전장치를 용인신봉구역에 최근 건설된 차도교량에 직접 설치하여 실험함으로써, 본 논문에서 제안된 진동력 발전 장치의 발전성능과 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전의 적용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Through this paper, we studied on the basic concept of vibration-induced power generation for urban infrastructures. Since the travelling of automobiles on the bridge cause vibration, it is possible to convert the vibration energy into green-electric energy by utilizing magnetic induction technology. In this paper we define the concept of green-bridge vibration power generation system which contains the concept of magnetic induction technology and propose a vibration power generation device for converting the bridge vibration energy into the electric energy. Also, an experiment was held by applying the vibration power generator on a real bridge. The results showed the applicability and effectiveness of the vibration power generator.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

교량의 진동에너지의 수준을 산정하기 위해서는 동특성 분석이 필요하며, 본 논문에서는 진동력 발전시스템의 가능성 확인 및 진동력 발전장치의 설계를 위한 교량의 동특성을 분석하기 위해 최근 들어 그 중요성이 강조되고 있는 교량 진동실험 중, 상시진동실험을 실시한 대표적 교량인 서해대교의 계측자료를 확보·분석하였다.
본 논문에서는 교량의 교통하중에 따른 상시진동을 전자기 유도를 통해 전기에너지로 변환시키는 진동력 발전에 관한 기초 연구를 위하여 자기유도기술개념의 진동력 발전 시스템에 대한 개념을 정립하였다. 그리고 진동력 발전 시스템의 실현가능성을 확인하기 위하여 교량의 상시계측 자료를 바탕으로 진동에너지의 수준을 산정하고, 고유진동수를 분석함으로써 진동력 발전 장치의 설계에 필요한 기초자료를 확보하였다. 또한 진동력 발전의 실 교량 적용성을 검토하기 위하여 자기유도기술개념의 진동력 발전 장치를 제작하여 용인신봉구역에 최근 건설된 차도교량에 직접 설치하여 실험함으로써, 진동력 발전 장치의 발전 성능과 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전의 실용성과 실효성을 분석하였다.
따라서 본 논문에서는 녹색교통망 개념의 녹색교량 구축을 위하여 교량의 차량 이동하중으로 인해 발생하는 교량의 진동에너지를 회수하여 전기에너지로 변환하여 교량의 일반적인 운영을 위해 필요한 전력을 생산하는 자기유도기술개념의 진동력 발전에 대한 기초연구로서 종래의 회전운동식 발전기와 달리 영구자석(네오디늄자석)을 이용한 상하진동형 진동력 발전장치의 구조를 제안하였다. 그리고 실 교량에 직접 적용해 봄으로써 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전 시스템의 실용성과 실효성을 검증하였다.
또한 실 교량의 상시진동에 의한 고유진동수는 온도변화와 같은 환경적 요인에 많은 영향을 받는다고 알려져 있으며(정대성 등, 2000) 이는 진동력 발전장치 설계시 고려되어야 할 내용으로 본 논문에서는 많은 연구가 이루어진 서해대교의 장기계측 결과를 바탕으로 온도에 따른 고유진동수의 변동에 대하여 분석하였다. 그림 3은 서해대교의 월별 고유진동수 변화를 나타낸 것이며, 일 년을 한 주기로 볼 때, 여름에는 고유진동수가 낮아지고 겨울에는 증가하는 등 고유진동수가 일정한 패턴을 보이고 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 교량의 교통하중에 따른 상시진동을 전자기 유도를 통해 전기에너지로 변환시키는 진동력 발전에 관한 기초 연구를 위하여 자기유도기술개념의 진동력 발전 시스템에 대한 개념을 정립하였다. 그리고 진동력 발전 시스템의 실현가능성을 확인하기 위하여 교량의 상시계측 자료를 바탕으로 진동에너지의 수준을 산정하고, 고유진동수를 분석함으로써 진동력 발전 장치의 설계에 필요한 기초자료를 확보하였다.
진동력 발전 시스템의 실용성과 실효성을 검증하기 위하여 용인신봉구역 도시개발사업 공사 중 현재 완공되어 있는 차도교량 2종을 대상으로 교량의 상시진동을 활용한 진동력 발전에 관한 기초 실험을 실시하였다. 그림 9는 실험교량의 전경 및 설치모습, 그림 10은 평면도와 종단면도를 나타낸 것이다.
평상시 교량의 상시진동과 고유진동수를 파악하기 위하여 본 실험에서는 실험 방법이 비교적 단순하고 교통통제 및 교량을 가진시키기 위한 특별한 장치가 필요 없는 가속도계측을 수행 하였다. 교량의 진입시점으로부터 10미터 위치의 교량 하부에 가속도계를 부착하여 계측하였고, 계측결과를 그림 11에 나타내었다.

제안 방법

1. 교량에서 교통하중으로 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 내부에 삽입된 네오디늄자석의 상하반복운동을 통한 전자기 유도 방식을 이용한 진동력 발전장치의 구조를 제안하였다.
2. 교량의 상시계측자료를 통해 진동에너지의 수준과 고유진동수의 분석을 통해 전력을 생산하기 위해 구축해야 할 진동력 발전시스템의 설계에 필요한 기초자료를 확보하였다.
3. 용인신봉구역 도시개발사업 공사 중 현재 완공되어 있는 차도교량 2종을 대상으로 교량의 상시미진동을 활용한 진동력 발전에 관한 기초 실험을 통해 본 연구에서 제안된 진동력 발전장치의 성능과 진동력 발전의 실용성과 실효성을 검토하였다.
진동력 발전의 실현가능성을 검토하기 위하여 진동력 발전장치를 실험교량에 설치하여 전력 발생을 측정하였다. 교량의 교통하중에 의한 상시진동의 크기는 경차량보다 중차량에 매우 큰 영향을 받으므로 본 실험에서는 교통을 통제한 상황에서 중차량이 교량을 통행할 때 진동력 발전 장치에서 생성되는 전압과 전류, 전력의 크기를 측정하였다. 실험은 굴삭기, 트럭, 레미콘의 세 종류의 중차량에 대하여 실시하였고, 그림 12는 실험에 사용된 계측장비를 나타낸 것이다.
따라서 본 논문에서는 녹색교통망 개념의 녹색교량 구축을 위하여 교량의 차량 이동하중으로 인해 발생하는 교량의 진동에너지를 회수하여 전기에너지로 변환하여 교량의 일반적인 운영을 위해 필요한 전력을 생산하는 자기유도기술개념의 진동력 발전에 대한 기초연구로서 종래의 회전운동식 발전기와 달리 영구자석(네오디늄자석)을 이용한 상하진동형 진동력 발전장치의 구조를 제안하였다. 그리고 실 교량에 직접 적용해 봄으로써 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전 시스템의 실용성과 실효성을 검증하였다.
그리고 진동력 발전 시스템의 실현가능성을 확인하기 위하여 교량의 상시계측 자료를 바탕으로 진동에너지의 수준을 산정하고, 고유진동수를 분석함으로써 진동력 발전 장치의 설계에 필요한 기초자료를 확보하였다. 또한 진동력 발전의 실 교량 적용성을 검토하기 위하여 자기유도기술개념의 진동력 발전 장치를 제작하여 용인신봉구역에 최근 건설된 차도교량에 직접 설치하여 실험함으로써, 진동력 발전 장치의 발전 성능과 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전의 실용성과 실효성을 분석하였다.
본 연구에서는 자기유도기술을 활용하여 교량에서 교통하중에 의해 발생하는 진동에너지를 전기로 변환하는 개념·방법에 대한 기초실험을 위해 그림 6과 같은 진동력 발전장치를 설계하였다.
진동력 발전장치는 교량의 진동에너지를 활용하므로 차량의 통행량이 많을수록 더 많은 전력을 생산한다. 이것을 알아보기 위하여 위의 실험보다 임의적으로 약 3배에 가깝게 통행량을 늘려 실험교량에 설치된 진동력 발전장치에서 생산되는 전기에너지의 양을 측정하였으며 교량에 설치된 진동력 발전장치는 49.6[Wh]의 용량의 발전기에 해당되는 전기에너지를 생산하였다. 이번 실험을 통해 진동력 발전의 경우 교량을 주행하는 차량의 하중과 통행량에 의해서 생산되는 전기에너지의 양이 크게 달라지며, 차량의 통행이 뜸한 곳에는 경제성과 실용성이 없으나, 차량의 통행이 많은 곳에서는 충분한 실용성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
진동력 발전의 실현가능성을 검토하기 위하여 진동력 발전장치를 실험교량에 설치하여 전력 발생을 측정하였다. 교량의 교통하중에 의한 상시진동의 크기는 경차량보다 중차량에 매우 큰 영향을 받으므로 본 실험에서는 교통을 통제한 상황에서 중차량이 교량을 통행할 때 진동력 발전 장치에서 생성되는 전압과 전류, 전력의 크기를 측정하였다.

대상 데이터

교량의 교통하중에 의한 상시진동의 크기는 경차량보다 중차량에 매우 큰 영향을 받으므로 본 실험에서는 교통을 통제한 상황에서 중차량이 교량을 통행할 때 진동력 발전 장치에서 생성되는 전압과 전류, 전력의 크기를 측정하였다. 실험은 굴삭기, 트럭, 레미콘의 세 종류의 중차량에 대하여 실시하였고, 그림 12는 실험에 사용된 계측장비를 나타낸 것이다.

성능/효과

또한 자기유도기술을 바탕으로 한 진동력 발전장치의 특성상 식(1)에서 자력의 세기[ΔΦ]와 코일의 권수[n]를 늘리게 되면 생성되는 전기에너지 역시 늘어나게 된다. 따라서 진동력 발전 장치를 통행량이 많은 교량에 설치하고, 발전기에서 발생하는 기전력을 높일 수 있는 노력을 기울일 경우 본 논문에서 제안한 교량의 상시진동을 이용한 진동력 발전 시스템은 실제 적용의 충분한 실용성을 갖는다고 판단된다.
반면에 본 논문에서 제안하는 진동력 발전 시스템은 제작이 간단하며, 신·재생에너지나 압전 방식에 비해 설치 비용도 저렴하고, 환경변화에 영향을 받지 않고, 설치 위치에 제약이 없다는 장점이 있다.
본 실험에서는 실제로 실험교량을 대상으로 약 3시간에 걸쳐 생산되는 전기 에너지를 측정하였고, 측정결과 진동력 발전장치는 4.8×10-3[W]의 발전성능을 나타내었다.
07[g]의 거동을 보였고, 진동력 발전 장치에서 생성되는 전압의 크기는 556[mV], 663[mV], 703[mV]를 나타내었다. 실험을 통해 중차량이 교량을 통행할 시에 상당한 양의 전기에너지가 발생된다는 것을 알 수 있다.
6[Wh]의 용량의 발전기에 해당되는 전기에너지를 생산하였다. 이번 실험을 통해 진동력 발전의 경우 교량을 주행하는 차량의 하중과 통행량에 의해서 생산되는 전기에너지의 양이 크게 달라지며, 차량의 통행이 뜸한 곳에는 경제성과 실용성이 없으나, 차량의 통행이 많은 곳에서는 충분한 실용성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한 자기유도기술을 바탕으로 한 진동력 발전장치의 특성상 식(1)에서 자력의 세기[ΔΦ]와 코일의 권수[n]를 늘리게 되면 생성되는 전기에너지 역시 늘어나게 된다.

후속연구

따라서 다른 모든 조건이 동일하다고 가정할 때 고유진동수 변화로 인한 진동력 발전 시스템의 월별 발전량의 차이가 존재할 것으로 확인되며, 추후 실 적용시 계절에 따른 온도효과를 고려한 설계를 해야 할 것으로 판단된다.
진동력 발전장치의 성능실험의 결과 현 단계에서 발전량은 낮은 편이지만 기술개량을 통한 전력생산의 발전량과 효율성이 높아진다면 교량의 진동에너지를 활용하여 무공해 전력의 대량생산이 가능하게 될 것이다. 이는 정부에서 추진하고 있는 녹색뉴딜사업과 부합하는 친환경 전력발생 시스템으로서 교량뿐만이 아닌 모든 건축-토목 구조물에의 적용이 가능하게 된다면 녹색·신재생에너지 시장을 주도하게 될 것이며 이로 인한 경제적 파급효과는 실로 엄청날 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	녹색교통망의 정의는 무엇인가?	전 세계적인 녹색뉴딜정책의 붐을 따라, 대한민국 정부는 저탄소 녹색성장 기조 아래 그린 홈/그린스쿨, 녹색교통망 같은 신개념의 녹색SOC(사회기반시설)구축을 계획하고 있다. 녹색교통망은 탄소를 배출하지 않는 수소·이차연료전지차량이나, 하이브리드카, 청정에너지버스와 같은 녹색교통수단의 이용 외에도 자전거 및 녹색가로수를 통한 유산소 생성망과 포장도로나 도로교통시설물의 열, 온도, 진동, 압력 등 폐기되는 에너지를 회수하는 에너지 회수기술 개념의 교통망으로 정의할 수 있다.
	신재생에너지의 활용을 통해 어떤 이점을 얻을 수 있는가?	최근 기후변화협약 발효에 따라 화석연료에 의한 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스 배출을 억제하기 위해 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생에너지가 각광을 받으면서 실용화보급이 진행되고 있다. 신재생에너지의 적극적인 활용은 도시환경 개선 및 화석 에너지 사용량 절감을 위한 해결책 중 한가지로서 지속가능하며, 건강하고 쾌적한 도시 개발을 가능하게 한다.
	진동에너지 회수 기술과 관련된 사례 및 연구에는 무엇이 있는가?	최근에는 진동을 에너지로 변화시키는‘진동에너지 회수 기술’의 효율과 발전량이 큰 폭으로 향상되면서, 많은 연구기관과 기업에 의해 연구개발되고 있다. 일본 철도회사인 JR은 승객이 지하철 개찰구를 통과할 때 일으키는 진동을 이용 하루 6000W의 전력을 생산했으며, 히타치 제작소 중앙연구소는 건물의 미세한 진동을 이용해 0.12mW를 생산(이성호 등, 2008)하는데 성공하였다. 또한 토목구조물의 진동모니터링을 목적으로 진동발전기의 실현가능성에 대한 기초적인 연구(Williams 등, 1998)결과가 발표된 바 있고, 이와 관련된 다양한 연구(Ching 등, 2002; Amirtharajah 등, 1998)들이 최근 마이크로 전자기계시스템(MEMS) 개발의 일환으로 점차 활발해 지고 있다. 표 2는 진동을 활용한 에너지 회수 기술에 관한 대표적인 연구들을 정리한 것이다.

참고문헌 (10)

금명훈(2003년) 압전 재료를 이용한 진동에너지 변환 전력발생 시스템 연구, 석사학위 논문, 서강대학교.
박종칠, 박찬민, 김병화, 이일근, 조병완(2006) 장기계측에 의한 서해대교 사장교의 동특성 평가, 한국지진공학회논문집, 한국지진공학회, 제10권, 제6호, pp.115-123

원문보기 상세보기
박창욱(1996) 전기자기학, 동일출판사
이성호(2008) 글로벌 리포트, 전자신문 (710호), 한국기계연구원
유병곤(2008) MEMS 기술을 이용한 에너지 하베스팅 기술, 전자통신동향분석, ETRI, 제 23권, 제6호, pp.48-57

원문보기 상세보기
정대성, 윤자걸, 김남식, 김철영(2000) 남해대교의 장기 동특성 변동, 대한토목학회 학술 발표회 논문집(1), 대한토목학회, pp.721-724
최남섭, 김재민(2003년) 건전도 감시용 자립형 계측유닛을 위한 진동발전시스템, 한국지진공학회논문집, 한국지진공학회, 제7권, 제2호(통권 제30호), PP.85-92.

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

상세보기
Ching, N. N. H., Wong, H. Y., Li, W. J., Leong, P. H. W., Wen, Z.(2002) A laser-micromachined multi-modal resonating power transducer for wireless sensing systems, Sensors and Actuators, pp.685-690
Williams, C. B., Pavic, A., Crouch, R. S., Woods, R. C.(1998) Feasibility study of vibration-electric generator for bridge vibration sensors, Proceedings of the 16th International Modal Analysis Conference(IMAC XVI), pp.1111-1117

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증