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도로용 압전발전체 시험모듈 설계를 위한 기초 실험 연구
A Fundamental Study for Design of Electric Energy Harvesting Device using PZT on the Road 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.13 no.4 = no.50, 2011년, pp.159 - 166  

이재준 (한국건설기술연구원) ,  류승기 (한국건설기술연구원) ,  문학룡 (한국건설기술연구원) ,  권수안 (한국건설기술연구원)

초록
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국제 사회는 산업경제의 발달과 더불어 온실가스 배출량이 날로 증가하고 있으며, 이로 인한 기후 변화 피해가 날로 심각해지고 있는 상황에서 온실가스 배출량을 줄이기 위해 전세계가 노력을 하고 있다. 정부는 온실가스 배출량을 감축하여 지구온난화를 막기 위해 "저탄소 녹색성장"의 국가정책 하에서 신재생에너지와 같은 친환경적인 녹색산업에 많은 관심과 투자에 집중하고 있다. 신재생에너지 분야는 태양력, 풍력, 수력, 조력 등 자연에너지를 활용하는 기술에 투자하면서 관련 핵심 부품 및 소재기술은 기술적으로 발전하고 있다. 반면에, 도로 공간에 존재하는 다양한 미활용 에너지를 이용하는 기술에 대한 연구는 세계적으로도 미흡한 실정인데, 본 논문에서는 이러한 도로 공간에서의 미활용 에너지를 통해 전기를 수확하는 기술에 대한 기초적인 실험방법과 결과를 제시하였다. 도로 공간에서의 미활용 에너지는 다양한 자원이 있을 수 있는데, 예를 들면 도로 주행 차량의 압력 및 충격 에너지, 도로 포장면의 복사열, 도로 소음 및 파동 등이다. 본 논문은 도로를 주행하는 차량으로부터 전기를 수확하기 위한 압전체 형상을 제안하였으며, 이를 검증하는 몇 가지의 기초 실험을 실시하였다. 즉, 압력을 전기로 변환하는 압전기술을 활용한 것으로 국내에서 쉽게 생산하는 PZT 세라믹을 이용하여 충격하중에 따라 발생하는 전압을 측정하였고, 아스팔트 및 콘트리트 포장 조건에 따른 압전 발전 실험을 실시하여 에너지 수확 성능을 비교 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Green house gas emissions are increasing as development of the industrial economy of the international community. Many countries in the world are endeavoring to reduce green house gas emissions under severe climate change. In order to protect grobal warming, government is trying to reduce green gas ...

주제어

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문제 정의

  • 국내에서 도로에서 주행하는 자동차로부터 전기에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 기술을 개발하기 위한 연구의 일환으로, 국내에서 생산되고있는 압전소자를 이용하여 전기에너지를 생산하는 압전발전체 개발을 위한 첫 단계로 충격하중에 따른 압전 소자의 특성을 분석하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
  • 도로에서 주행하는 차량의 충격하중을 이용하여 압전 수확 발전기로부터 전기에너지를 회수함으로써, 에너지 소비형 도로가 아닌 에너지를 생산하는 도로로 인식 전환하기 위한 연구의 첫걸음으로, 압전 세라믹이 충격하중 변화에 대하여 생산하는 전압측정값을 비교하고자 한다. 본 연구에서는 그림 3에서 설명된 소형 압전 발전 수확기 시작품을 이용하여, 충격하중의 변화에 따라 각각의 발생 전압값과 전압파형을 측정하였다.
  • 압전발전수확기 모델을 결정한 후, 국내 도로포장 종류에는 아스팔트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장으로 크게 나뉘어져 있다. 따라서, 국내에서 널리 사용되고 있는 포장체 종류에 따른 압전발전수확기 발생 전압 특성을 파악하기 위해, 도로포장체 종류에 따른 압전발전수확기와 충격하중에 대한 관계를 연구를 수행하였다. 이는 본 연구에서 개발하고자하는 압전발전체는 도로 표층부에 설치되기 때문에본 연구 수행이 필요하였다.
  • 본 연구에서는 국내에서 생산되는 압전소자를 이용하여, 도로를 주행하는 차량의 움직임을 이용한 도로공간에서의 에너지 하베스팅 기술개발을 위한 기초연구로써, 압전 소자에 충격하중이 전달되었을 때 발생되는 전압특성과 충격하중 변화에 따른 압전 세라믹에서 발생되는 전압 특성을 분석하고자 한다.
  • il). 본 연구에서는 그동안 도로 공간을 에너지 소비형의 인프라로 인식되어졌던 것을 에너지 생산이 가능한 공간으로 인식을 바꾸어가기 위한 노력이며, 이번 논문에서는 압전 세라믹을 이용한 도로에서의 에너지 수확에 대한 기초연구를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 외부 충격에 반응하는 압전발전체 재료를 보호하는 케이스에 대한 검토가 필요하였다. 즉, 압전 발전 성능을 개선하면서 압전체 재료의 파괴를 저감시키는 압전발전 수확기 케이스 개발을 위한 압전발전체 형상에 대한 연구를 수행하였다.
  • 본 연구의 목적은 압전 소자의 기본적인 특성을 파악하고, 도로에 적용하기 위한 압전발전체 형상 연구에 필요한 실험 데이터를 확보하는 것과, 향후 압전 발전체의 상용화를 위한 다양한 실험 방법을 개발하는 것이다. 또한, 본 연구에서 개발하고자 하는 압전발전체는 도로표층부에 설치하여 미끄럼 방지 기능용으로도 사용하고자 한다.
  • 에너지 하베스팅 기술을 자동차 타이어 압력 모니터링 시스템에 적용하는 연구를 수행하였다. 미국에서는 2007년 9월 이후부터 타이어 압력 모니터링 장비를 차량에 부착하게 되어 있다.
  • (E) 등 여러 변수와 고유값에 의해 성능 결정하게 된다. 여기서 압전체의 고유값은 재료적 측면에서 성능을 높이는 것들이 연구되어지고 있지만, 본 논문에서는 재료적 관점보다는 기존 재료를 활용하면서 스트레스(T)의 변화와 이를 전달 하는 보호층에 대한 것에 관심을 가지고 연구방향을 설정하고자 한다.
  • 본 연구에서는 외부 충격에 반응하는 압전발전체 재료를 보호하는 케이스에 대한 검토가 필요하였다. 즉, 압전 발전 성능을 개선하면서 압전체 재료의 파괴를 저감시키는 압전발전 수확기 케이스 개발을 위한 압전발전체 형상에 대한 연구를 수행하였다. 도로에 주행하는 차량으로부터 전기를 생산하기에 적합한 압전발전 수확 케이스 연구는 중요하다고 생각된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압전 세라믹이란 무엇인가? 압전 세라믹은 기계적 에너지를 가하여 전기 에너지를 만들어 낼 수 있는 재료이며, 기계적 진동에너지를 전기적 에너지로도 변환이 가능한데, 이러한 원리를 이용해 도로에 적용한 사례로는 이스라엘의 한 업체가 있다. 이스라엘의 이노와텍(Innowattech)은 도로를 주행하는 자동차의 움직임으로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 시험시공을 2009년 8월에 수행했었다.
이스라엘의 이노와텍이 실시한 도로를 주행하는 자동차의 움직임으로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 시험시공에서는 어떤 연구를 수행했나? 이스라엘의 이노와텍(Innowattech)은 도로를 주행하는 자동차의 움직임으로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 시험시공을 2009년 8월에 수행했었다. 시험 시공에서는 이노와텍에서 개발한 압전 발전체를 도로 포장체 내부에에 설치하여 자동차 주행에서 발생되는 자동차의 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 연구를 수행하였으며, Test bed도 시공하였다(권수안 외, 2010; http://www.innowattech.
전 세계는 CO2 배출을 줄이기 위해 어떤 노력을 해왔나? 국제 사회는 산업 중심 기반의 경제 성장으로 무분별한 화석연료 개발과 사용으로 인하여 지구 온난화라는 전 지구적인 문제에 직면하게 되었다. 지구 온난화를 줄이기 위해서 세계적으로 CO2 배출을 줄이기 위해, 기후변화협약(1992)이나 교토의정서1)1(1997) 채택 등으로 온실가스 감축을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 정부는 기후온난화 현상으로 인하여 기후변화 문제가 심각해질수록 국제사회에서 탄소배출을 규제하기 위한 강한 규제를 만들 것을 대비하여, “저탄소 녹색성장”이라는 향후 국가비전을 제시한 후, 신재생에너지와 같은 기후 친화적 산업을 육성하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. 강형원 외2, 압전 발전의 이해, 전기의 세계, 제 58권 12호, pp. 38-41, 2009 

  2. 곽문규, 진동 제어 기술-제어 기법 및 응용기술: 압전소자를 이용한 진동 제어 및 응용기술, 한국소음진동공학지 (소음진동), 18권 3호,pp 11-15, 2008 

  3. 권수안, 류승기 외6, "에너지 충전형 녹색도로 기술개발", 한국건설기술연구원, 2010.12 

  4. 김혁진, 정교범. 압전소자를 이용한 에너지 수확시스템의 컨버터 토폴로지, p.600-603 

  5. 류승기 외 2, "시설물관리에 활용 가능한 USN용 에너지 획득기술 실용화 연구", 한국건설기술연구원, 2008.12 

  6. 류승기, "도로 공간을 활용한 전력수확기술", 한국조명전기설비학회지, 24권 6호, pp.24-34, 2010 

  7. 박종수 외 2, "압전소자를 이용한 에너지 회수에 관한 연구", 강원대학교 산업기술연구소 논문집, 제 25권 B호, pp.141-147, 2005 

  8. 유병곤, MEMS 기술을 이용한 에너지 하베스팅 기술, 전자통신동향분석, 제 23권 제6호 , p.48-58, 2008. 12 

  9. 윤소남, 김동건, 압전소자를 이용한 에너지 수확에 관한 연구, 한국동력기계공학지, 제 13권, 제3호, pp65-71, 2009 

  10. Lin, Ji-Tzuoh, Barclay Lee and Bruce Alphenaar., The magnetic coupling of a piezoelectric cantilever for enhanced energy harvesting efficiency., Smart Materials and Structures, Vol. 19, p.1-7, 2010, 

  11. Londorf, M., Kvistery, T., Westby, E., and Halvorsen, E. Evaluation of Energy Harvesting Concepts for Tire Pressure Monitoring Systems,[웹주소:http://cap.ee.imperial.ac.uk/-pdm97/powermems/2007/pdfs/331-334%20Lohndorf,%20M.pdf,2011년7월18일검색], p 331-334 

  12. P H de Jong, A de Boer, R Loendersloot, P J M van der Hoogt, Power Harvesting Using Piezomaterial in A Helicopter Rotor Blade, The 17th Internatioal Congress on Sound & Vibration, Cairo 18-22 July, p.1-8 2010, 

  13. Roundy, Shad. Energy Harvesting for Tire Pressure Monitoring Systems: Design Considerations, Proceedings of PowerMEMS 2008+microEMS 2008, Semdai, Japan, November 9-12, p 1-6, 2008. 

  14. Qiu, Jinhao and HongIl Ji., The application of Piezoelectric Materials in Smart Structures in China, International Journal of Aeronautical & Space Science, Vol. 11, N0 4, p 266-284, 2010 

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