본 논문은 풍력에 의해 구동되는 압전효과 기반의 무구속 휴대용 전원 장치를 제안한다. 기계적 에너지를 효율적으로 변환하는 메커니즘의 한가지로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전효과를 이용하는 방법이 있다. 압전효과는 주기적으로 변하는 응력을 필요로 하지만, 자연 바람은 거의 일정한 속도를 보이거나, 변화하더라도 매우 느리고 불규칙적인 주파수를 갖기 때문에, 효과적으로 전기적 에너지를 얻어내기 힘들다. 본 연구에서는 바람을 프로펠러에 통과시켜, 손쉽게 주기적으로 변하는 응력을 만들어내고, 이를 압전외팔보에 전달하여 효율적으로 에너지를 변환하였다. 본 연구결과는 유비쿼터스 센서네트워크 시스템에 대한 에너지 공급의 실질적인 해결책이 되리라고 기대된다.
본 논문은 풍력에 의해 구동되는 압전효과 기반의 무구속 휴대용 전원 장치를 제안한다. 기계적 에너지를 효율적으로 변환하는 메커니즘의 한가지로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전효과를 이용하는 방법이 있다. 압전효과는 주기적으로 변하는 응력을 필요로 하지만, 자연 바람은 거의 일정한 속도를 보이거나, 변화하더라도 매우 느리고 불규칙적인 주파수를 갖기 때문에, 효과적으로 전기적 에너지를 얻어내기 힘들다. 본 연구에서는 바람을 프로펠러에 통과시켜, 손쉽게 주기적으로 변하는 응력을 만들어내고, 이를 압전외팔보에 전달하여 효율적으로 에너지를 변환하였다. 본 연구결과는 유비쿼터스 센서네트워크 시스템에 대한 에너지 공급의 실질적인 해결책이 되리라고 기대된다.
This paper presents a wind-power-driven portable power source based on piezoelectric effect. Positive piezoelectric effect is one of efficient and widely used mechanisms for converting mechanical energy to electrical energy. However, for this mechanism, a periodic mechanical stress with a high frequ...
This paper presents a wind-power-driven portable power source based on piezoelectric effect. Positive piezoelectric effect is one of efficient and widely used mechanisms for converting mechanical energy to electrical energy. However, for this mechanism, a periodic mechanical stress with a high frequency, as in the case of AC, has to be exerted; such stress cannot be exerted by the natural wind in the environment. The natural wind has a constant velocity with slow and irregular variations, as in the case of DC. In this paper, we propose a novel and simple mechanism to convert mechanical energy into electrical energy. The DC-like wind flow is passed through a propeller to convert it to an AC-like wind flow; the resultant AC-like periodic flow induces vibrations in a piezoelectric cantilever, thereby, generating electrical power. This system is expected to be one of practical solutions for wireless energy supply to ubiquitous sensor networks (USNs).
This paper presents a wind-power-driven portable power source based on piezoelectric effect. Positive piezoelectric effect is one of efficient and widely used mechanisms for converting mechanical energy to electrical energy. However, for this mechanism, a periodic mechanical stress with a high frequency, as in the case of AC, has to be exerted; such stress cannot be exerted by the natural wind in the environment. The natural wind has a constant velocity with slow and irregular variations, as in the case of DC. In this paper, we propose a novel and simple mechanism to convert mechanical energy into electrical energy. The DC-like wind flow is passed through a propeller to convert it to an AC-like wind flow; the resultant AC-like periodic flow induces vibrations in a piezoelectric cantilever, thereby, generating electrical power. This system is expected to be one of practical solutions for wireless energy supply to ubiquitous sensor networks (USNs).
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문제 정의
본 연구에서는 압전 외팔보와 프로펠러를 이용하여 간단하게 바람을 제어하여 내부적인 응력의 구속 없이 자연 바람을 이용하여 전기적 에너지를 수확하는 방법을 시뮬레이션과 실험을 통하여 증명하고 효율을 높이기 위한 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 프로펠러를 통과한 바람을 이용해 압전소자의 주기적 진동을 유도함으로써, 에너지 수확을 하는 소형발전시스템을 제시하였다. 압전 외팔보를 이용하여 에너지 수확을 하기 위해서 필요한 주기적인 기계적 입력을 바람으로부터 만들어내는 방법으로 프로펠러를 이용하였다.
본 연구의 목적은 자연 바람을 에너지원으로 사용하여 에너지를 수확하는 것이다. Fig.
가설 설정
풍속에 따른 압력을 차이는 프로펠러 익형의 윗단과 아랫단의 압력차이로 가정하여 다음 식으로부터 계산할 수 있다.
제안 방법
6 mm×30 mm 크기의 압전 외팔보에 풍속을 달리하면서 전압을 측정하였다.
Fig. 4 에 나타낸 압전 외팔보에 대해서 ANSYS로 모달해석을 진행하였다. 시뮬레이션에 사용할 재료의 물성치는 Table.
5 m/s 단위로 6 단계의 풍속에서 실험을 진행하였다. 각 풍속마다 압전 외팔보에서 발생하는 전압을 측정하였다.
시뮬레이션을 통해서 실험에 가장 적합한 외팔보의 크기를 정하고, 시뮬레이션 결과값을 증명하기 위해서 외팔보에 impulse force 를 가하여 발생하는 전압 신호를 oscilloscope 를 이용하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 진행하여 고유진동수를 비교하였다.
외팔보의 폭과 길이의 비는 1:5 이고 PVDF 의 두께 t는 28 µm, 폴리에스테르 필름의 두께 tm은 127 µm 이다. 시뮬레이션을 통해서 주기적인 바람에 의해 공진을 일으켜 압전 효과를 최대화 시킬 수 있는 공진주파수를 가지는 외팔보의 크기를 모델링 하였다.
04 Pa의 압력 ∆p 값을 계산할 수 있다. 앞서 모델링한 압전 외팔보와 식 (1)로부터 계산된 압력을 이용하여 유한요소모델의 하모닉 해석을 진행하여 공진이 일어났을 때의 발생되는 전압을 시뮬레이션 하였다.
자연 바람으로부터 압전 소자를 이용하여 에너지 수확을 하기 위해서는 큰 변화 없이 일정한 세기를 갖는 바람을 주기적인 응력으로 변환 시켜야 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 프로펠러를 이용한다. 주기적으로 변환된 바람의 진동수는 프로펠러의 회전 속도와 날개 개수에 의해서 정해진다.
주기적인 바람은 압전 외팔보를 진동시켜 전기적 신호를 발생시키고, oscilloscope 를 통해 전압을 측정하게 된다. 풍속계를 이용하여 풍속을 측정하여, 1.0 m/s에서 3.5 m/s 까지 0.5 m/s 단위로 6 단계의 풍속에서 실험을 진행하였다. 각 풍속마다 압전 외팔보에서 발생하는 전압을 측정하였다.
프로펠러에 의해서 변환된 주기적인 바람의 주파수를 측정하기 위해서, 풍속 3.5 m/s 에서 프로펠러에 연결한 AC electrical generator 에서 발생하는 전압을 측정하였다. 실험 결과는 Fig.
주기적으로 변환된 바람의 진동수는 프로펠러의 회전 속도와 날개 개수에 의해서 정해진다. 프로펠러의 회전속도를 측정하기 위해서 프로펠러에 AC electrical generator 를 달아 전압을 측정하였다.
대상 데이터
그림에서 볼 수 있듯이 AC electrical generator 가 발생시키는 전압은 주기를 가지고 주기를 T 라고 하면 프로펠러의 회전 주파수는 1/T가 되고 프로펠러의 날개 개수는 3 이므로 주기적으로 변환된 바람의 주파수는 3/T가 된다. 서울시내 바람의 평균 풍속 3.5 m/s 를 기준으로 실험을 진행하였고, 주파수를 측정하였다.
1 은 실험의 개략도이다. 실험 장치는 바람을 발생시키는 풍동과 큰 변화 없이 일정한 세기를 갖는 바람을 주기적인 응력으로 변환시켜주는 프로펠러, 전기적 신호를 발생시키는 압전 외팔보, 생성된 전기적 신호를 분석할 수 있는 oscilloscope 로 구성되어 있다. 덕트의 모양과 프로펠러의 위치를 Fig.
프로펠러의 지름은 210 mm 이다. 압전 외팔보는 매우 민감한 압전 물질인 polyvinylidene fluoride(PVDF)(7)을 폴리에스테르 필름과 접합 시켜 제작하였다.
덕트의 크기는 입구부가 440 mm×440 mm, 출구부가 220 mm×220 mm, 길이는 250 mm 이다. 프로펠러의 지름은 210 mm 이다. 압전 외팔보는 매우 민감한 압전 물질인 polyvinylidene fluoride(PVDF)(7)을 폴리에스테르 필름과 접합 시켜 제작하였다.
성능/효과
(1) 외팔보의 개수를 늘려 발생하는 전압의 중첩 효과를 이용한다면 더 많은 전압을 얻을 수 있다.
(2) PVDF 의 두께를 늘려 positive piezoelectric effect 를 증가 시키면 발생하는 전압을 증가시킬 수 있다.
결론적으로 본 연구를 통해서 wireless 에너지 수확에 대한 가능성을 알 수 있었다. 압전 외팔보와 프로펠러의 조합을 이용하여 간단하면서도 구속조건 없이 효율적으로 자연 바람을 이용할 수 있어 시스템의 소형화가 가능하다.
실험 결과에서 볼 수 있듯이 출력되는 전력이 AC 와 같은 sinusoidal 파형을 띄는 것으로 보아 주변환경에서 발생하는 DC 와 같은 동력원을 단순한 프로펠러로 변환할 수 있는 가능성을 보였다. 또한, 본 연구 결과로 55.5mW/m2의 전력을 생성할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보였다. 실험에서 사용한 전자기 유도 방식의 소형풍력발전기(Gakken Holdings Co.
8 과 같다. 시뮬레이션 결과(40.819 Hz)와 실험의 FFT 결과(38.8 Hz)의 오차율은 4.9 %으로 두 결과가 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
실험 결과로부터 압전 외팔보의 크기가 커질수록 고유진동수가 감소하는 것을 알 수 있다. 특히 6 mm×30 mm 크기의 압전 외팔보의 고유진 동수가 40.
압전 외팔보를 이용하여 에너지 수확을 하기 위해서 필요한 주기적인 기계적 입력을 바람으로부터 만들어내는 방법으로 프로펠러를 이용하였다. 실험 결과에서 볼 수 있듯이 출력되는 전력이 AC 와 같은 sinusoidal 파형을 띄는 것으로 보아 주변환경에서 발생하는 DC 와 같은 동력원을 단순한 프로펠러로 변환할 수 있는 가능성을 보였다. 또한, 본 연구 결과로 55.
후속연구
압전 외팔보와 프로펠러의 조합을 이용하여 간단하면서도 구속조건 없이 효율적으로 자연 바람을 이용할 수 있어 시스템의 소형화가 가능하다. 이를 통해서 앞으로 저전력 시스템에 응용할 경우, 유비쿼터스 센서 네트워크 시스템의 소형에너지원으로 적극 이용될 수 있으며, 경제적이나 환경적으로도 많은 문제를 해결할 수 있으리라 기대된다.
1780 W/m2의 단위면적당 출력을 가진다. 전자기 유도 방식에 비해 압전 소자를 이용한 풍력 전원장치의 출력은 아직 낮은 편이나, 압전소자의 경우 더욱 소형화가 가능하며, 기존의 전자기유도 방식에 추가적으로 쉽게 설치가 가능하기 때문에, 앞으로 전자기유도 및 압전소자에 의한 하이브리드형의 소형발전기를 사용하면 그 효율이 더욱 증대될 것이라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유비쿼터스 센서네트워크에 사용되는 센서노드의 크기와 가격이 감소하고 상용화 가능성이 증가함에 따라 떠오르고 있는 문제는 무엇인가?
최근 반도체 기술의 비약적인 발전으로 저전력 반도체 소자와 모듈의 개발이 가능하게 됨으로써, 유비쿼터스 센서네트워크(Ubiquitous Sensor Network : USN)의 상용화에 관심이 증가하고 있다.(1) USN에 사용되는 센서노드의 크기와 가격이 감소하고 상용화 가능성이 증가함에 따라 효율적인 에너지 공급이 문제로 떠오르고 있다.(2) 하지만 CMOS 전자회로의 소형화가 배터리의 에너지 집약 기술보다 앞서기 때문에(2) 크기적 제약이나 환경문제와 경제적인 부담으로 배터리를 이용하는 것이 쉽지 않다.
압전효과는 무엇을 필요로 하는가?
기계적 에너지를 효율적으로 변환하는 메커니즘의 한가지로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전효과를 이용하는 방법이 있다. 압전효과는 주기적으로 변하는 응력을 필요로 하지만, 자연 바람은 거의 일정한 속도를 보이거나, 변화하더라도 매우 느리고 불규칙적인 주파수를 갖기 때문에, 효과적으로 전기적 에너지를 얻어내기 힘들다. 본 연구에서는 바람을 프로펠러에 통과시켜, 손쉽게 주기적으로 변하는 응력을 만들어내고, 이를 압전외팔보에 전달하여 효율적으로 에너지를 변환하였다.
압전효과를 이용하는 방법은 무엇인가?
본 논문은 풍력에 의해 구동되는 압전효과 기반의 무구속 휴대용 전원 장치를 제안한다. 기계적 에너지를 효율적으로 변환하는 메커니즘의 한가지로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전효과를 이용하는 방법이 있다. 압전효과는 주기적으로 변하는 응력을 필요로 하지만, 자연 바람은 거의 일정한 속도를 보이거나, 변화하더라도 매우 느리고 불규칙적인 주파수를 갖기 때문에, 효과적으로 전기적 에너지를 얻어내기 힘들다.
참고문헌 (8)
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