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제안 방법
- 이에 24개의 압전 캔틸레버로 구성된 에너지 하베스터를 충격을 가하여 이에 따른 발전특성을 알아보기 위해 그림 3과 같이 실험 장치를 구성하였다. 24개 중 1개의 압전 캔틸레버만 정류회로에 연결한 뒤 임피던스 매칭에 의해 1 ㏁의 저항을 병렬로 연결하여 충격에 의한 발전특성을 평가하였다. 해머의 한쪽을 고정하고 일정 각도에서 자유 낙하하여 에너지 하베스터에 충격을 가하였으며 해머의 충돌직전의 속도를 계산하여 그림 5에 나타내었다.
- 제작한 에너지 하베스터를 그림 7과 같이 과속방지턱 형태와 도로 면에 매설하는 형태로 설치하였으며, 이를 직접 밟는 구조(그림 7(C)) [9]와 비교하였다. 도로의 발전특성을 평가하기 위하여 정류회로에서 나오는 출력부분에 10 ㏀ 저항과 캐패시터 47 ㎌을 병렬 연결하였다. 이는 주기적인 진동원이 아닌 간헐적인 진동원에 의한 압전 에너지 하베스터의 발전특성을 평가하기 위함이다.
- 두께가 52 um가 되는 압전시트를 뽑아서 40 mm ×40 mm 크기로 절단하여 5층을 적층 및 압착하였다.
- 또한 차량 하중에 의해 하베스터를 타격하고 원위치로 돌아가기 위해서 누름판 하부(4개), 타격봉 끝부분(1개)과 하베스터 끝부분(2개)에 스프링(SF14×35, SF20×50, SF20×20, Samsol precision Co. LTD., Namyangju-si, Korea) 7개를 결합하였다.
- 이를 보완하기위해서는 차량 하중 손실을 줄이고, 도로의 열기나 습기로 인해 압전체의 내구성을 떨어뜨리는 요인을 제거하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 PZT 계열의 압전 세라믹을 테잎 캐스팅하여 제작하였으며, 이를 금속판에 붙인 압전 캔틸레버와 차량 하중 전달 기구를 제작하여 도로상에서 차량하중에 의해 자가발전이 가능한 에너지 하베스터를 설계, 제작하였다. 제작한 차량 하베스터를 과속방지턱 형태와 매립형태로 설치하여 차량 속도에 따른 발전량을 비교 평가하였다.
- 본 연구에서는 압전 캔틸레버를 이용한 압전 하베스터와 차량하중 전달 기구를 제작하여 이를 과속방지턱 형태와 매설형태로 설치하여 차량속도에 따른 압전 하베스터의 발전 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 캔틸레버에 적합한 압전조성은 압전상수가 높고, 변형이 쉬운 소프트계열로 선정하였다. 압전조성 Pb(Zr0.54Ti0.46)O3 + 0.2 wt% Cr2O3 + 1.0 wt% Nb2O5으로 일반적인 세라믹공정을 통하여 볼밀 및 하소를 한 뒤 슬러리 상태로 만들어 테잎 캐스팅을 하였다. 두께가 52 um가 되는 압전시트를 뽑아서 40 mm ×40 mm 크기로 절단하여 5층을 적층 및 압착하였다.
- 이는 주기적인 진동원이 아닌 간헐적인 진동원에 의한 압전 에너지 하베스터의 발전특성을 평가하기 위함이다. 에너지 하베스터 이동판이 차량(1.2톤) 한쪽 면의 앞, 뒷바퀴에 의해 2회 타격되었을 때 캐패시터 양단에 발생한 전압을 오실로스코프(WaveJet 322, LeCroy, United State)로 측정하였다. P=V2/R 식을 사용하여 시간에 대한 power 그래프를 그린 뒤 이를 적분하여 발전량을 계산하였다.
- 그림 8은 매설형 (paving type)과 과속방지턱 형태(speed bump type)로 에너지 하베스터를 설치 후 차량속도에 따른 발전량을 평가한 결과이다. 이를 캔틸레버 72개로 제작한 압전 에너지 하베스터 [9]의 결과와 비교하였다. 과속방지턱 형태 (speed bump type)로 설치한 24개의 압전 캔틸레버 하베스터는 차량속도 30 km/h 초과 시 차량 속도를 내지 못하여 결과를 얻을 수 없었다.
- 도로용 에너지 하베스터는 주기적인 진동에 의한 것이 아닌 간헐적인 진동을 이용하기 때문에 에너지 하베스터의 공진주파수를 찾아 설계하지 않고, 1회 충격에 의해 압전 캔틸레버의 진동이 오래 유지되도록 설계하는 것이 중요하다. 이에 24개의 압전 캔틸레버로 구성된 에너지 하베스터를 충격을 가하여 이에 따른 발전특성을 알아보기 위해 그림 3과 같이 실험 장치를 구성하였다. 24개 중 1개의 압전 캔틸레버만 정류회로에 연결한 뒤 임피던스 매칭에 의해 1 ㏁의 저항을 병렬로 연결하여 충격에 의한 발전특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 PZT 계열의 압전 세라믹을 테잎 캐스팅하여 제작하였으며, 이를 금속판에 붙인 압전 캔틸레버와 차량 하중 전달 기구를 제작하여 도로상에서 차량하중에 의해 자가발전이 가능한 에너지 하베스터를 설계, 제작하였다. 제작한 차량 하베스터를 과속방지턱 형태와 매립형태로 설치하여 차량 속도에 따른 발전량을 비교 평가하였다.
- 185 mm(T)크기로 제작한 압전 시트를 에폭시 접착제를 사용하여 부착하였다. 차량 하중을 도로 갓길로 전달하여 에너지 하베스터의 측면을 타격하는 방식이므로 캔틸레버를 도로면과 수평을 이루는 일반적인 캔틸레버 형태 [9]가 아닌, 도로면에 수직방향으로 세운 뒤 지지대로 고정하여 설치하였다 (그림 1). 또한 캔틸레버의 공진주파수를 떨어뜨리고 진동을 오랫동안 유지하기 위해 무게 추를 한쪽 면에만 부착하였다.
- 압전 캔틸레버는 4행 6열로 24개를 배열하였다 (그림 2). 캔틸레버 1기 당 1개의 정류회로를 연결하고 이와 같은 24개를 병렬로 연결하였다. 또한 차량 하중에 의해 하베스터를 타격하고 원위치로 돌아가기 위해서 누름판 하부(4개), 타격봉 끝부분(1개)과 하베스터 끝부분(2개)에 스프링(SF14×35, SF20×50, SF20×20, Samsol precision Co.
대상 데이터
- 무게 추를 양쪽 면에 부착하였을 때 대칭으로 인해 진동시간이 줄어들게 된다. 이와 같은 형태로 캔틸레버를 24개를 선정 제작하여 그림 2와 같이 배열하였다.
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