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문제 정의
- 스프링은 발전부와 균형 유지부 사이에 설치하여 난류로 인한 흔들림을 지속적으로 유지할 수 있다. 균형 유지부는 원뿔 형상으로 하여 전복을 방지하고자 하였다. 장치의 주 재질은 생산 비용 및 형상의무게를 고려하여 재질은 PLA로 선정하였다.
- 또한 시간에 관계없이 지속적으로 전력을 생산할 수 있으므로 교량의 기둥 주위에 설치한 뒤, 발생한 전력을 센서에 공급한다면 시간과 돈의 절감이 가능하다. 그러므로 본 논문에서는 해조류의 형상을 모방한 압전 에너지 수확 장치를 제안하고자 한다.
- 본 논문에서는 해조류의 흔들림을 모방한 압전에너지 수확 장치에 대해 제안하였다. 거대 토목건축물 중 하나인 교량의 균열을 감지하고자 설치되는 균열 감지기의 전원 공급기 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 앞서 언급한 압전 소자의 소재는 실제 실험에서 사용될 것을 적용한 것이다. 본 소재뿐만 아니라 고효율의 압전 소재로 주목받고 있는 압전 PVDF (Poly-Vinylidene Fluoride)또한 본 해석에 적용하여 전류 발생량을 확인하고자 하였다 본 . PVDF는 기존 압전 소자에 비해서 파손되지 않으면서 적용 가능한 환경이 다양하다.
- 다음으로 유체의 속도를 70~75 cm/s로 유지한 상태에서의 전류 생성량을 확인하였다. 압전 소자에서 생성되는 전류는 매우 짧은 순간에 나타나기 때문에 커패시터에 분 간 충전되는 양을 통해 전류 1생성량을 확인하고자 하였다. 실험 결과, Fig.
- 이러한 계산에 의해 설계된 장치는 구조물, 압전소자, 유체가 연성되어 있음으로 유한 요소 해석을 통해 성능을 예측하고자 하였다. 먼저 실험 환경과 유사한 조건으로 해석을 수행하였고 그 다음으로 바다에서의 조건을 입력하여 계산하였다.
- 이를 계산하면 V는 약 0.0028 m3로 계산할 수 있으며 계산된 부피만큼의 부력체를 장치에 부착해 단위 시간 당 발전량을 더욱 높이고자 하였다.
- 그리고 발전 장치와 수류모터 사이의 거리를 조절하며 속도를 변화시켰다. 이를 통해 속도 별로 발생하는 전압량을 측정하고자 하였다.
- 측정된 결과를 토대로 실험을 통한 실제 전력 생산량을 확인하고자 하였다 먼저 . Fig.
제안 방법
- 25와 같이 실험에 사용될 발전 장치를 제작하였다. PLA의 특성상 생분해 문제 및 방수를 위하여 방수 페인트를 도포하였다. 그리고 태양 빛에 의한 과열 문제를 고려하여 페인트의 색깔을 흰색으로 하였으며 부력체를 설치하여 적절한 입수 깊이를 설정하였다.
- 26과 같이 고무풀장, 유속계, 24 W , 수류모터, 멀티미터 등이 준비되었다. 고무 풀장은 발전 장치가 장착될 강 주위의 물인 담수를 담는데 쓰이며 유속계로 유속을 측정하였다. 또한 수류 모터는 교량 주위의 유속을 재현하기 위해 쓰였고 생성된 전압 및 전류를 측정하기 위해 멀티미터가 사용되었다.
- 6과 같이 물체의 실제 부피를 구한 뒤 합하고 재질의 밀도와 중력 가속도를 곱하여 전체 무게를 계산한다. 그 뒤 장치의 겉 부피와 물의 밀도 및 중력 가속도를 곱하고 전자와 후자를 비교한다. 전/후자 중 후자가 더 크다면 그 비율만큼 물체가 물에 뜨게 된다.
- 6 Buoyancy 하여 그에 따라 발생하는 최고 전압을 확인한 뒤 실제 실험 결과와 비교한다. 그 이후 교량 기둥 주위의 조건을 입력하여 그에 따른 전압, 전류 발생량 등을 계산한다.
- 27과 같이 제작된 장치를 물에 띄운 뒤, 수류 모터를 통해 유속을 생성 한다. 그 후 발전부 입구 측의 유속을 측정하고 그에 따른 전력 생성량을 확인하여 본 장치의 성능을 검증하였다.
- 발생된 유체의 속도는 구조물과 접촉함에 따라 그에 따른 응력이 발생한다. 그러므로 구조물에 발생하는 von Mises 응력을 검사하여 탄성 계수를 초과하는지 확인하였다. Fig.
- 앞서 기술한대로 본 장치는 유동과 압전 소자 그리고 구조물이 서로 상호작용 하는 FSI로 표현할 수 있다. 그러므로 유동이 구조물과 압전 소자에 접촉함으로써 발생하는 변형량을 계산하고 그에 따른 응력, 변위 그리고 전력 발생량을 측정한다. 이를 위해 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 본 장치의 성능을 예측하고자 한다.
- 또한 유동의 힘에 의해 압전 소자에 변위가 발생하므로 다물리 해석을 통해 현상을 예측할 필요가 있다. 그러므로 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 압전 소자에 발생하는 변위 및 전력 등을 계산 한다. 최종적으로 3D 프린터를 이용하여 전체 구조를 제작하였고 그 재질은 Poly lactic acid(PLA)이다.
- 26과 같이 수류 모터를 고무 풀장에 설치하고 작동시킨 뒤 발전부 입구 주위의 유속을 측정하였다. 그리고 발전 장치와 수류모터 사이의 거리를 조절하며 속도를 변화시켰다. 이를 통해 속도 별로 발생하는 전압량을 측정하고자 하였다.
- PLA의 특성상 생분해 문제 및 방수를 위하여 방수 페인트를 도포하였다. 그리고 태양 빛에 의한 과열 문제를 고려하여 페인트의 색깔을 흰색으로 하였으며 부력체를 설치하여 적절한 입수 깊이를 설정하였다. 본장치가 사용될 실험을 위해서 Fig.
- 본 장치는 해수면 위에 띄워져 전력을 생산함으로 방수, 부력, 계산, 전복 방지, 지속 발전 등에 중점을 두었다. 그리고 회로 수납부, 스프링, 발전부, 균형 유지부 부력체 등으로 나누어져 있으며 부력 , 계산을 통해 20.7 cm를 계산함으로써 본 장치의 부유 여부를 판단하였다.
- 다음으로 압전 PVDF를 사용하였을 때의 전압, 전류 그리고 전력을 확인하였다. 해석 시간 내에서 발생한 평균 전압은 약 14 V, 최대 전압 약 25 V였으며 이를 정리한 그래프는 Fig.
- 다음으로 유체의 속도를 70~75 cm/s로 유지한 상태에서의 전류 생성량을 확인하였다. 압전 소자에서 생성되는 전류는 매우 짧은 순간에 나타나기 때문에 커패시터에 분 간 충전되는 양을 통해 전류 1생성량을 확인하고자 하였다.
- 다음으로 응력에 의해 발생하는 변위량을 확인하였다. 해석 시간 내에서 발생한 최대 변위량은 Fig.
- 장치의 주 재질은 생산 비용 및 형상의무게를 고려하여 재질은 PLA로 선정하였다. 또한 즉각적인 설계 수정 및 보완을 반영하여 실험을 진행하기 위해 3D 프린터를 활용하였다. PLA의 물성치는 Table 1과 같다[14] .
- 마지막으로 발생된 변위에 의해 생성되는 전압 및 전류를 확인하였다. 해석 시간 내에서 발생한 평균 전압 4.
- PLA의 물성치는 Table 1과 같다[14] . 마지막으로 발전부의 입수깊이 조절을 위한 부력체를 설치하여 더욱 안정적인 전력 생산이 이루어지도록 하였다. 뿐만 아니라 유속이 일정치 않을 상황에 대비하여 노즐 및 디퓨저를 이용해 유입 유속을 유지할 수 있게 하였다.
- 먼저 실험 조건을 바탕으로 유입 속도 변화에 따른 최고 전압 해석 결과를 확인하였다. Fig.
- 이러한 계산에 의해 설계된 장치는 구조물, 압전소자, 유체가 연성되어 있음으로 유한 요소 해석을 통해 성능을 예측하고자 하였다. 먼저 실험 환경과 유사한 조건으로 해석을 수행하였고 그 다음으로 바다에서의 조건을 입력하여 계산하였다. 교량 기둥 주위의 조건에서는 발전부에서 측정된 최고 속도가 7.
- 먼저 전압 실험을 통해 생성되는 전압의 크기를 측정하고자 하였다. Fig.
- 본 시스템은 유체의 흐름을 통해 전달된 힘으로 압전 소자를 변형시켜 나타나는 정압전 효과를 이용해 전력 생성을 시도한다. 효율적인 발전을 위해 다수의 압전 소자를 설치하여 단위 시간당 발전량을 극대화 하고자 하였다.
- 본 장치는 해수면 위에 띄워져 전력을 생산함으로 방수, 부력, 계산, 전복 방지, 지속 발전 등에 중점을 두었다. 그리고 회로 수납부, 스프링, 발전부, 균형 유지부 부력체 등으로 나누어져 있으며 부력 , 계산을 통해 20.
- 본 장치의 FSI 해석에서는 한 번에 모든 조건을 계산하게 될 시간 및 해석 속도의 확보에 어려움이 있으므로 앞서 언급한 One-way FSI 방식과 같이 단계적으로 데이터를 넘기는 방법으로 해석을 수행하였다.
- 5와 같이 유동이 발전부에 부착된 압전 소자를 밀어내면 그에 따라 소자가 휘어지게 되고 발전이 이루어진다. 뿐만 아니라 발전부를 붙잡고 있는 스프링 또한 흔들림에 따라 진동이 유지되어 일시적인 전력 생산이 아닌 지속되도록 설계하였다.
- 마지막으로 발전부의 입수깊이 조절을 위한 부력체를 설치하여 더욱 안정적인 전력 생산이 이루어지도록 하였다. 뿐만 아니라 유속이 일정치 않을 상황에 대비하여 노즐 및 디퓨저를 이용해 유입 유속을 유지할 수 있게 하였다.
- 성능 예측에서는 먼저 실험 환경과 유사한 조건을 부여하여 데이터를 분석하고자 한다. 수류 모터를 통해 발생되는 최고 유속은 약 75 cm/s 이므로5 cm/s간격으로 0~75 cm/s까지 유입 속도를 달리 Fig.
- 성능 예측에서는 먼저 실험 환경과 유사한 조건을 부여하여 데이터를 분석하고자 한다. 수류 모터를 통해 발생되는 최고 유속은 약 75 cm/s 이므로5 cm/s간격으로 0~75 cm/s까지 유입 속도를 달리 Fig. 6 Buoyancy 하여 그에 따라 발생하는 최고 전압을 확인한 뒤 실제 실험 결과와 비교한다. 그 이후 교량 기둥 주위의 조건을 입력하여 그에 따른 전압, 전류 발생량 등을 계산한다.
- 축적된 데이터를 토대로 실험 기구를 제작하고 실제 전력 측정을 시도하였다. 실험 기구는 Poly lactic acid 소재로 제작되었고 수류 모터를 이용하여 유동을 생성한 뒤 생산된 전압 및 전력을 멀티미터로 측정하였다. 전압 측정 실험은 유속을 24.
- 해석을 위하여 발전부가 유동과 접촉하는 유사한 환경을 모델링 하였다. 압전 소자는 바이모프 (Bimorph) 형태로 총 열 여섯 개를 배치하여 좀 더 많은 전력 생산이 되도록 하였다. 압전 소자의 재질은 PZT-4, 구조물의 재질은 Aluminum, 유체의 재질은 Water이며 각 재질에 대한 세부 사항은 Table 2, 3, 4와 같다.
- 그러므로 유동이 구조물과 압전 소자에 접촉함으로써 발생하는 변형량을 계산하고 그에 따른 응력, 변위 그리고 전력 발생량을 측정한다. 이를 위해 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 본 장치의 성능을 예측하고자 한다.
- 장치의 구조 설계는 Solidworks를 사용하였고 부력 발생 및 전복 방지를 위하여 원뿔 형상으로 설계 하였다. 또한 유동의 힘에 의해 압전 소자에 변위가 발생하므로 다물리 해석을 통해 현상을 예측할 필요가 있다.
- 실험 기구는 Poly lactic acid 소재로 제작되었고 수류 모터를 이용하여 유동을 생성한 뒤 생산된 전압 및 전력을 멀티미터로 측정하였다. 전압 측정 실험은 유속을 24.7~75.8 cm/s까지 변화시키며 발생한 전압을 측정하였다. 측정 결과, 유속에 따라 선형적으로 전압이 증가하는 것을 확인 하였다.
- 제안하는 본 수확 장치는 해류에 의해 끊임없이 흔들리는 해조류의 형상에서 착안하여 압전 소자들을 해수면 아래로 잠기게 하였다. 이 압전 소자들은 유동에 의해 앞, 뒤로 변형이 발생하게 되고 그로 인해 전력이 발생한다.
- 최종적으로 3D 프린터를 이용하여 전체 구조를 제작하였고 그 재질은 Poly lactic acid(PLA)이다. 제작된 구조물은 모터를 통해 유동을 생성하여 발생되는 전압 및 전류를 측정하고 그 성능을 검증하였다.
- 축적된 데이터를 토대로 실험 기구를 제작하고 실제 전력 측정을 시도하였다. 실험 기구는 Poly lactic acid 소재로 제작되었고 수류 모터를 이용하여 유동을 생성한 뒤 생산된 전압 및 전력을 멀티미터로 측정하였다.
- 10과 같이 최고 속도를 2 m/s로 하고 점차적으로 속도가 감소하는 함수를 생성하였다. 함수의 형태는 미분 불가능 지점을 제거하고 다양한 속도에서의 특성 변화를 알아보고자 곡선의 형태인 Sine 파형으로 결정하였다.
- 해석을 위하여 발전부가 유동과 접촉하는 유사한 환경을 모델링 하였다. 압전 소자는 바이모프 (Bimorph) 형태로 총 열 여섯 개를 배치하여 좀 더 많은 전력 생산이 되도록 하였다.
- 해석을 통해 알고자 하는 것은 응력, 변위, 전력 발생량 등이므로 Solidmechanics, Electrostatics, Turbulent Flow, Electrical Circuit등의 모듈을 이용하여 기본 경계 조건을 생성하였다. 한 번에 모든 조건을 계산하게 된다면 시간 및 해석 속도의 확보에 어려움이 있으므로 Fig.
- 본 시스템은 유체의 흐름을 통해 전달된 힘으로 압전 소자를 변형시켜 나타나는 정압전 효과를 이용해 전력 생성을 시도한다. 효율적인 발전을 위해 다수의 압전 소자를 설치하여 단위 시간당 발전량을 극대화 하고자 하였다.
대상 데이터
- 그리고 태양 빛에 의한 과열 문제를 고려하여 페인트의 색깔을 흰색으로 하였으며 부력체를 설치하여 적절한 입수 깊이를 설정하였다. 본장치가 사용될 실험을 위해서 Fig. 26과 같이 고무풀장, 유속계, 24 W , 수류모터, 멀티미터 등이 준비되었다. 고무 풀장은 발전 장치가 장착될 강 주위의 물인 담수를 담는데 쓰이며 유속계로 유속을 측정하였다.
- 균형 유지부는 원뿔 형상으로 하여 전복을 방지하고자 하였다. 장치의 주 재질은 생산 비용 및 형상의무게를 고려하여 재질은 PLA로 선정하였다. 또한 즉각적인 설계 수정 및 보완을 반영하여 실험을 진행하기 위해 3D 프린터를 활용하였다.
- 그러므로 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 압전 소자에 발생하는 변위 및 전력 등을 계산 한다. 최종적으로 3D 프린터를 이용하여 전체 구조를 제작하였고 그 재질은 Poly lactic acid(PLA)이다. 제작된 구조물은 모터를 통해 유동을 생성하여 발생되는 전압 및 전류를 측정하고 그 성능을 검증하였다.
데이터처리
- 해석 솔버로는 시간 별로 결과를 확인할 수 있는 Time-dependent로 초까지 초 간격으로 해석을 1 0.05 수행하였다. 또한 이를 위해 사용된 Mesh는 Fig.
이론/모형
- 또한, 본 발전 장치는 해류를 통해 발전함으로 이를 표현하기 위해 Piecewise 기능을 이용하여 해류의 속도를 함수로 생성하였다. 교량 기둥의 주위 유속이 빠른 곳은 2 m/s로 알려져 있음으로[17], Fig.
성능/효과
- 이 응력은 알루미늄의 탄성 계수인 90 GPa이하이므로 소성 변형이 일어나지 않음을 알 수 있다. 그리고 유체에 의해 일어나는 최대 변위는 13.7 mm였고 입구 측과 멀어질수록 변위가 감소하는 것을 확인하였다. 발생된 최대 및 평균 전압은 각각8.
- 실험 결과, Fig. 31과 같이 0.47 μA에서 시작하여 1분 동안 약 23.72 μA 의 전류가 커패시터에 충전되는 것을 확인하였다.
- 전류 측정 실험의 경우, 70~80 cm/s의 유속을 유지하면서 1분간 생산되는 전류를 측정하였다. 실험 결과, 약 23.72 μA가 커패시터에 충전되는 것을 확인하였다. 이는 유동으로 전력을 생산할 수 있다는 것을 의미한다.
- 압전 PVDF를 부착하였을 시 해석 시간 내에서 발생한 최대 및 평균 전압은 약 25, 14 V였으며 전류의 경우, 단일 기기에서 초당 발생한 전류량은 약 16.83 μA로 확인되었다.
- 유동에 의해 압전 소자가 앞, 뒤로 변형됨에 따라 일정한 주기로 음의 전류가 발생하는 것을 알 수 있으며 1초 동안 하나의 압전 소자에서 발생하는 평균 전류는 약 0.0454 μA였다.
- 30과 같다. 최고 50 %의 상대 오차율을 보였으며, 유속에 따라 생성전압이 선형적으로 변하는 경향을 확인할 수 있다.
- 8 cm/s까지 변화시키며 발생한 전압을 측정하였다. 측정 결과, 유속에 따라 선형적으로 전압이 증가하는 것을 확인 하였다. 전류 측정 실험의 경우, 70~80 cm/s의 유속을 유지하면서 1분간 생산되는 전류를 측정하였다.
후속연구
- 14와 같다. 25 cm/s 이후부터 선형적인 전압 발생을 보였으며 본 데이터를 토대로 실험값과 비교하여 본 해석의 정확도를 파악할 것이다.
- 본 논문에서는 해조류의 흔들림을 모방한 압전에너지 수확 장치에 대해 제안하였다. 거대 토목건축물 중 하나인 교량의 균열을 감지하고자 설치되는 균열 감지기의 전원 공급기 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 계획으로는 본 장치를 다수 설치한 뒤 발전량을 측정하고자 하며 압전 소자의 재질을 달리하여 단위 시간에 더욱 많은 발전을 도모하고자 한다.
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