[논문]이중진자를 이용한 최적의 운동에너지 하베스터 설계

이치범; 박희재

doi:10.7735/ksmte.2015.24.6.619

이중진자를 이용한 최적의 운동에너지 하베스터 설계
Design of Optimal Kinetic Energy Harvester Using Double Pendulum 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.6, 2015년, pp.619 - 624

이치범 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology) , 박희재 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science & Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Owing to miniaturization and low-power electronics, mobile, implanted, and wearable devices have become the main trends of electronics during the past decade. There has been much research regarding energy harvesting to achieve battery-free or self-powered devices. The optimal design problems of a double-pendulum kinetic-energy harvester from human motion are studied in this paper. For the given form factor, the weight of the harvester, and the known human excitation, the optimal design problem is solved using a dynamic non-linear double-pendulum model and an electric generator. The average electrical power was selected as the performance index for the given time period. A double-pendulum harvester was proven to be more efficient than a single-pendulum harvester when the appropriate parameters were used.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 에너지 하베스터의 수학적 모델을 기반으로 신체 보행 진동 에너지를 최대로 추출할 수 있는 최적의 이중진자의 설계 인자에 대해 고찰한다. 또한, 근본적으로 단진자에 비하여 이중진자가 얼마나 더 효율적인 지를 확인한다.
본 연구는 인간의 보행 에너지를 진자의 반복 운동으로 받아서 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스터에 관한 것이다. 인간의 보행에 대한 많은 연구^[2,3]에서는 보행 속도를 1.
본 연구에서는 인간의 허리에 장착되어 보행 시 신체 진동으로부터 운동에너지를 추출하는 메카니즘으로서 이중진자를 이용한 하베스터를 제안한다. 본 연구에서는 허리에 부착할 수 있는 휴대용 에너지 하베스터를 개발함에 있어서, 신체 보행 진동에 따른 이중진자의 비선형 운동방정식을 유도하고, 이를 전자기력으로 변환하는 발전기 모델과 결합한다.
본 연구에서는 인간의 허리에 장착되어 보행 시 신체 진동으로부터 운동에너지를 추출하는 메카니즘으로써 이중진자를 이용한 하베스터를 제안하였다. 허리에 장착하는 휴대용이므로 크기와 중량에 제한을 부여하였다.
본 연구에서는 인간의 허리에 장착되어 보행 시 신체 진동으로부터 운동에너지를 추출하는 메카니즘으로서 이중진자를 이용한 하베스터를 제안한다. 본 연구에서는 허리에 부착할 수 있는 휴대용 에너지 하베스터를 개발함에 있어서, 신체 보행 진동에 따른 이중진자의 비선형 운동방정식을 유도하고, 이를 전자기력으로 변환하는 발전기 모델과 결합한다. 이 에너지 하베스터의 수학적 모델을 기반으로 신체 보행 진동 에너지를 최대로 추출할 수 있는 최적의 이중진자의 설계 인자에 대해 고찰한다.
브릿지 다이오드는 발전기의 회전방향에 따른 극성에 상관없이 항상 배터리에 충전이 되도록 하는 역할을 한다. 실제로 브릿지 다이오드에는 일정 전압 이하를 제한하는 전압장벽이 있으나, 최근에는 그 장벽값이 100 mV 이하의 소자들이 개발되면서 본 논문에서는 이 장벽을 무시하였다. 또한 발전기 로터의 회전관성 모멘트는 진자에 비하여 상대적으로 매우 작으므로 무시하였다.
앞서 찾은 최적의 이중진자(ρL=0.8, ρm=0.9)와 단진자의 성능을 비교하고자 한다.
본 연구에서는 허리에 부착할 수 있는 휴대용 에너지 하베스터를 개발함에 있어서, 신체 보행 진동에 따른 이중진자의 비선형 운동방정식을 유도하고, 이를 전자기력으로 변환하는 발전기 모델과 결합한다. 이 에너지 하베스터의 수학적 모델을 기반으로 신체 보행 진동 에너지를 최대로 추출할 수 있는 최적의 이중진자의 설계 인자에 대해 고찰한다. 또한, 근본적으로 단진자에 비하여 이중진자가 얼마나 더 효율적인 지를 확인한다.
초기 값에 따라 해석 결과가 달라지는 문제를 배제하기 위하여, 본 연구에서는 과도기를 제외하고 성능지수인 평균전력을 시간 구간 [t_i, t_f]=[5.0, 10.0]에 대하여 계산하였다.

가설 설정

9)와 단진자의 성능을 비교하고자 한다. 3.1절에서 언급한 바와 같이 하베스터 시스템의 진자 중량을 0.05 kg으로, 진자의 총길이를 0.05 m으로 제한하였기 때문에, 동등한 비교를 위하여 단진자의 경우도 m=0.05, L=0.05로 설정하였으며 동일한 발전기를 사용한다고 가정하였다.
5 Hz로 평균을 잡았다. 본 연구에서는 이러한 연구를 참조하여, 보행 시 인간 골반부의 운동을 진폭 20.0 mm와 2.0 Hz로 가정하였다. 따라서 다음과 같은 원운동으로 하베스터를 가진하는 조건으로 사용하였다.

제안 방법

본 연구에서 다루고 있는 이중진자에 대한 동력학적 모델링을 진행하였다. Fig.
상기에서 유도한 기구학식, 이중진자의 동력학식, 발전기에 관련된 식을 통합하여 시스템의 운동방정식을 구한다. 먼저 식 (13)을 (5)와 (6)에 대입하면
성능지표는 주어진 시간 동안 발전기에서 발생하는 평균 전력으로 선정하였다. 발전기에서 생성되는 전력은 전류와 전압의 곱으로 식 (21)과 같이 표시된다.
허리에 장착하는 휴대용이므로 크기와 중량에 제한을 부여하였다. 최대의 전력을 낼 수 있는 최적의 진자 구성을 구하고자 이중진자와 발전기가 결합된 비선형 운동방정식을 유도하고 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에서 파악된 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에서 다루고 있는 이중진자, 발전기, 배터리로 구성된 하베스터의 기본적 구조는 Fig. 1과 같다. 인간이 보행 운동을 할 때 수평변위 h(t)와 수직변위 v(t) 의하여 하베스터 시스템 전체의 프레임이 운동을 한다.
본 연구에서 발전기는 소형 DC 모터를 개조하여 사용하였으며, 선정된 발전기와 관련된 파라미터는 제조사의 사양서를 기반으로 적용하였다. 그 내용은 Table 2와 같다.
가 설계인자가 되며, 휴대용으로 사용하기 위해서는 그 크기와 중량이 제한된다. 본 연구에서는 이중 진자의 총길이는 L₁ + L₂를 0.05 m로, 발전기와 막대의 중량을 제외한 두 진자의 총 중량 m₁ + m₂을 0.05 kg으로 제한하였다.

이론/모형

본 연구에서 다루고 있는 이중진자에 대한 동력학적 모델링을 진행하였다. Fig. 4에 나타난 진자1에 대한 자유물체도에 Newton의 방정식을 적용하였다.
002 Nm/(rad/s)를 사용하였다. 차 비선형 미분방정식의 해를 구하기 위하여 Rosenbrock 방법을 이용하였다.

성능/효과

(1) 이중진자의 구성을 결정하는 파라메터 ρm과 ρL을 변화시키면서 시뮬레이션한 결과 ρL≥0.75, ρm≥0.6 부근에서 혼돈현상이 지배적이다.
(2) 주워진 조건에서 최대의 평균전력이 나오는 파라미터는ρL=0.8, ρm=0.9 이다.
(3) 최적의 이중진자를 사용한 하베스터는 단진자의 경우보다 2배 이상 큰 평균 전력을 발생시켰다.
(4) 이론적인 입력 파워를 기준으로 효율을 살펴보면 단진자의 경우 5.3% 이중진자의 경우는 11% 정도가 되었다.
여기서 이론값은 가진 주파수 2 Hz로 질량을 중력에 반하여 2h 만큼 이동한 이동하였기 때문이다. 이 연구에서는 인간의 보행 에너지를 추출하는 운동학적 하베스터의 경우, 최적으로 설계된 이중진자를 사용하면 단진자로 구성하는 것 보다 2배 이상 큰 전력을 생산할 수 있음을 확인하였다. 그렇지만 인간이 느끼는 착용감에 대한 고려도 필요할 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스터를 물리량을 기준으로 어떻게 분류할 수 있는가?	많은 학자들이 관심을 가지고 연구하는 에너지 하베스터는 물리량을 기준으로 운동학적(kinetic) 방식, 열전소자(electrothermal) 방식, RF 파워를 이용하는 방식 등으로 분류할 수 있다. 그 중 운동학적 방식은 발전 원리에 따라 전자기적(electromagnetic) 발전과압전 소자에 의한 발전으로 나눌 수 있다.
	에너지 하베스터의 운동학적 방식에서 운동에너지의 소스는 무엇인가?	그 중 운동학적 방식은 발전 원리에 따라 전자기적(electromagnetic) 발전과압전 소자에 의한 발전으로 나눌 수 있다. 운동학적 방식에서는 운동에너지의 소스는 건물, 설비, 장치의 진동 에너지, 보행에 의한 신체 진동, 보행 시 인간의 발뒤꿈치에 작용하는 압력에너지 등이 있다. 인체로부터 얻을 수 있는 진동에너지는 장착위치에 따라 매우 달라진다[3].
	운동학적 방식은 발전 원리에 따라 어떻게 구분되는가?	많은 학자들이 관심을 가지고 연구하는 에너지 하베스터는 물리량을 기준으로 운동학적(kinetic) 방식, 열전소자(electrothermal) 방식, RF 파워를 이용하는 방식 등으로 분류할 수 있다. 그 중 운동학적 방식은 발전 원리에 따라 전자기적(electromagnetic) 발전과압전 소자에 의한 발전으로 나눌 수 있다. 운동학적 방식에서는 운동에너지의 소스는 건물, 설비, 장치의 진동 에너지, 보행에 의한 신체 진동, 보행 시 인간의 발뒤꿈치에 작용하는 압력에너지 등이 있다.

참고문헌 (6)

Khaligh, A., Zeng, P., Zheng, C., 2010, Kinetic Energy Harvesting Using Piezoelectric and Electromagnetic Technologies-State of the Art, IEEE Transaction on Industrial Electronics, 57:3 850-860.

상세보기
Turri, S., Miller, D., Ben Ahmed, H. Multon, B., 2003, Design on an Electro-mechanical Portable System Using Natural Human Body Movements for Electricity Generation, European Power Electronic Conference, 1-10.
Romero-Ramirez, E., 2010, Energy Harvesting from Body Motion Using Rotational Micro-generation, A Thesis for a Doctorate, Michigan Technological University, USA.
Sasaki, K., Osaki, Y., Okazaki, J., Hosaka, H., Itao, K., 2005, Vibration-based Automatic Power-generation System, Microsystem Technologies, 11:8 965-969.

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Rome, L., Flynn, L., Goldman, E., Yoo, T., 2005, Generating Electricity While Walking with Loads, Science, 309:5741 1725-1728.

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Stachowiak, T., Okada, T., 2006, A Numerical Analysis of Chaos in the Double Pendulum, Chaos, Solitons & Fractals, 29:2,417-422

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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].

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