[논문]압전 진동 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율에 대한 고찰

김재은

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.5.499

압전 진동 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율에 대한 고찰
On the Energy Conversion Efficiency of Piezoelectric Vibration Energy Harvesting Devices 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.5, 2015년, pp.499 - 505

초록
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압전 진동 에너지 수확 장치의 설계 및 성능 평가 시 에너지 변환 효율을 고려하는 것은 매우 당연하다. 본 연구에서 고려하는 에너지 변환 효율은 부하 저항이 부착된 압전 진동 에너지 수확 장치에 입력되는 가진 진동 파워 대비 전기 출력 값으로 정의된다. 기존의 연구에서는 근사적으로 임피던스 정합된 부하 저항에서의 전기 출력을 고려한 반면, 본 연구에서는 최적의 임피던스 정합 값을 사용하여 새롭게 에너지 변환 효율 식을 유도하였다. 유도된 식의 타당성을 검증하기 위해 3 개의 서로 다른 전기-역학 연성 계수 값을 갖는 진동 에너지 수확 장치에 대한 유한 요소 해석 결과를 이용하였다. 또한, 부하 저항의 임피던스 정합 방법의 차이에 따른 에너지 변환 및 변환 효율 특성을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

To properly design and assess a piezoelectric vibration energy harvester, it is necessary to consider the application of an efficiency measure of energy conversion. The energy conversion efficiency is defined in this work as the ratio of the electrical output power to the mechanical input power for a piezoelectric vibration energy harvester with an impedance-matched load resistor. While previous research works employed the electrical output power for approximate impedance-matched load resistance, this work derives an efficiency measure considering optimally matched resistance. The modified efficiency measure is validated by comparing it with finite element analysis results for piezoelectric vibration energy harvesters with three different values of the electro-mechanical coupling coefficient. New findings on the characteristics of energy conversion and conversion efficiency are also provided for the two different impedance matching methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 새롭게 유도할 에너지 변환 식과의 차이점을 분명히 하고 기존의 연구에서는 생략되 었던 중요한 유도 과정을 설명하기 위해 우선 기존 에너지 변환 효율 식에 대해 비교적 자세하게 살펴보고자 한다.

제안 방법

유도된 식은 유한 요소 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한, 검증 및 기존 식과의 비교를 위해 유한 요소법을 사용하여 임피던스 정합 차이에 따른 가진 입력 및 전기 출력 파워 특성을 파악하였다. 전기-역학 연성 계수가 높은 단결정 압전 진동 에너지 수확 장치의 경우, 기존의 효율 식은 실제 진동 가진 입력 및 전기 출력 양상을 잘 반영하지 못하는 반면, 제안된 식에 의한 에너지 변환 효율 특성은 일반적인 구조물의 감쇠비 영역에서 감쇠비에 따라 크게 변하지 않았다.
본 연구에서는 Richards 등⁽¹⁶⁾에 의해 제안된 에너지 변환 효율 식의 특성을 살펴 본 후 기존 연구와는 달리 최적의 임피던스 정합값을 갖는 외부 저항이 부착된 경우에 대해 에너지 변환 효율 식을 다시 유도하였다. 이를 통해 기존 식을 사용함에 있어서의 일부 문제점을 확인함과 동시에 제안된 식을 이용하여 압전 진동 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율 특성에 대한 재 고찰을 하였다.
본 연구에서는 식 (13)의 결과를 입증하기 위해 ANSYS 를 사용하여 에너지 변환 효율을 직접 구하였다. 즉, Fig.
본 연구에서는 압전 진동 에너지 수확 장치의 기존 에너지 변환 효율 식을 수정하여 새롭게 유도하였다. 이는 기존 식과는 달리 부하 저항이 최대 전기 출력이 발생하는 최적의 임피던스 정합 값을 가질 때의 에너지 변환 효율을 나타낸다.
에 의해 제안된 에너지 변환 효율 식의 특성을 살펴 본 후 기존 연구와는 달리 최적의 임피던스 정합값을 갖는 외부 저항이 부착된 경우에 대해 에너지 변환 효율 식을 다시 유도하였다. 이를 통해 기존 식을 사용함에 있어서의 일부 문제점을 확인함과 동시에 제안된 식을 이용하여 압전 진동 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율 특성에 대한 재 고찰을 하였다.

대상 데이터

3 에 나타낸 압전 진동 에너지 수확장치의 압전 재료 별 효율 특성을 ANSYS 유한 요소 해석(SOLID5 및 CIRCU94 요소 사용) 결과와 비교하였다. 비교를 위해 사용된 에너지 수확 장치의 압전 재료는 전기-역학 연성 계수가 낮은 순서대로 PZT 5H, ⁽²²⁾ PMN-PZT([001]-poled) ^(23,24)및 PMN-PZT ([011]-poled, d₃₂) ^(23,24)이며, 3 경우 모두 동일한 폐회로 고유 진동수를 갖도록 기판(substrate) 의 두께는 각각 0.337 mm, 0.487 mm, 0.500 mm 로 조정하였다. 또한, 끝단 질량 및 기판은 각각 황동 (밀도: 8,470 kg/m³, 탄성 계수: 110 GPa) 및 알루미늄(밀도: 2,700 kg/m³, 탄성 계수: 69 GPa)으로 만들어졌다.

데이터처리

수정된 에너지 변환 효율 식의 타당성을 검증하기 위해 Fig. 3 에 나타낸 압전 진동 에너지 수확장치의 압전 재료 별 효율 특성을 ANSYS 유한 요소 해석(SOLID5 및 CIRCU94 요소 사용) 결과와 비교하였다. 비교를 위해 사용된 에너지 수확 장치의 압전 재료는 전기-역학 연성 계수가 낮은 순서대로 PZT 5H, ⁽²²⁾ PMN-PZT([001]-poled) ^(23,24)및 PMN-PZT ([011]-poled, d₃₂) ^(23,24)이며, 3 경우 모두 동일한 폐회로 고유 진동수를 갖도록 기판(substrate) 의 두께는 각각 0.
이는 기존 식과는 달리 부하 저항이 최대 전기 출력이 발생하는 최적의 임피던스 정합 값을 가질 때의 에너지 변환 효율을 나타낸다. 유도된 식은 유한 요소 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한, 검증 및 기존 식과의 비교를 위해 유한 요소법을 사용하여 임피던스 정합 차이에 따른 가진 입력 및 전기 출력 파워 특성을 파악하였다.

성능/효과

4 에 실선으로 나타내었다. 이 결과로부터 전기-역학 연성 계수의 값에 관계 없이 감쇠비가 작은 경우 에너지 변환 효율이 50%에 근접함을 알 수 있다. 이는 Fig.
또한, 검증 및 기존 식과의 비교를 위해 유한 요소법을 사용하여 임피던스 정합 차이에 따른 가진 입력 및 전기 출력 파워 특성을 파악하였다. 전기-역학 연성 계수가 높은 단결정 압전 진동 에너지 수확 장치의 경우, 기존의 효율 식은 실제 진동 가진 입력 및 전기 출력 양상을 잘 반영하지 못하는 반면, 제안된 식에 의한 에너지 변환 효율 특성은 일반적인 구조물의 감쇠비 영역에서 감쇠비에 따라 크게 변하지 않았다.

후속연구

그런데, 기존의 연구에서 식 (2)는 유도 과정에서 분모, 분자의 공통 인자가 약분되기 때문에 P_L 및 P_T에 대한 결과 식이 명시적으로 제시되지 않았다. 그러나, 본 논문에서 수정된 에너지 변환 효율 식을 유도하고 기존 연구 결과와의 비교를 위해 입력 및 출력 파워 각각에 대한 특성파악이 필요하다. 압전 진동 에너지 수확 장치는 폐회로 고유 진동수 ω = ω_sc에서 동작한다는 가정하에, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 정의하는 에너지 변환 효율이란 무엇인가?	압전 진동 에너지 수확 장치의 설계 및 성능 평가 시 에너지 변환 효율을 고려하는 것은 매우 당연하다. 본 연구에서 고려하는 에너지 변환 효율은 부하 저항이 부착된 압전 진동 에너지 수확 장치에 입력되는 가진 진동 파워 대비 전기 출력 값으로 정의된다. 기존의 연구에서는 근사적으로 임피던스 정합된 부하 저항에서의 전기 출력을 고려한 반면, 본 연구에서는 최적의 임피던스 정합 값을 사용하여 새롭게 에너지 변환 효율 식을 유도하였다.
	압전 현상을 이용한 진동 에너지 수확의 장점은 무엇인가?	압전 현상을 이용한 진동 에너지 수확은 장치 구성의 간단함, 소형화를 위한 MEMS 구현의 용이성, 높은 출력 전압, 다른 에너지 변환 수단에 비해 비교적 높은 에너지 밀도와 변환 효율 등의 장점이 있어 상대적으로 많은 연구가 이뤄져 왔다. (11~13) 압전 진동 에너지 수확 장치(PEH: piezoelectric vibration energy harvester)의 에너지 변환 효율에 관한 초기 연구로서 Umeda 등(14)은 낙하 쇠구슬의 충격에 의한 원판형 에너지 수확 장치의 효율을 다루었으며, 이 때 변환 효율을 쇠구슬의 위치 에너지 대비 외부 커패시터에 저장되는 에너지의 비율로 정의하였다.
	본 논문에서 제안한 에너지 변환 효율 식의 최대값이 50%이고 기존 식에 의한 에너지 변환 효율은 최대 100%의 값을 갖는 이유는 무엇인가?	그림에서 확인할 수 있듯이 제안된 효율 식의 최대값이 50%인 점을 고려할 때, 기존 식에 의한 에너지 변환 효율은 최대 100%의 값을 갖는다. 이는 근사 임피던스 정합된 부하 저항에서의 전기 출력값이 최적의 정합인 경우보다 큰 것이 아니라, 변환 효율 식의 분모에 있는 입력 가진 진동 파워의 값이 작게 계산되기 때문이다. 이를 확인하기 위해 이번에는 Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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