Electricity generation through fossil fuels has caused environmental pollution. To solve this problem, research on new renewable energy (solar, wind, geothermal heat, etc.) to replace fossil fuels is in progress. These devices are able to consistently generate power. However, they have many drawback...
Electricity generation through fossil fuels has caused environmental pollution. To solve this problem, research on new renewable energy (solar, wind, geothermal heat, etc.) to replace fossil fuels is in progress. These devices are able to consistently generate power. However, they have many drawbacks, such as high installation costs and limitations in possible set-up environments. Thus, piezoelectric harvesting technology, which is able to overcome the limitations of existing energy technologies, is actively being studied. Piezoelectric harvesting technology uses the piezoelectric effect which occurs in crystals that generate voltage when stress is applied. Therefore, it has advantages such as a wider installation base and lower technological cost. In this study, a piezoelectric energy harvesting device based on constant wave motion was investigated. This device can regenerate electricity in a constant turbulent flow in the middle of the sea. The components of the device are circuitry, a steel bar, an bimorph piezoelectric element and buoyancy elements. In addition, a multiphysical analysis coupled with the structure and piezoelectric elements was conducted to estimate the performance of the device. With this piezoelectric energy harvesting device, the displacement and electric power were analyzed.
Electricity generation through fossil fuels has caused environmental pollution. To solve this problem, research on new renewable energy (solar, wind, geothermal heat, etc.) to replace fossil fuels is in progress. These devices are able to consistently generate power. However, they have many drawbacks, such as high installation costs and limitations in possible set-up environments. Thus, piezoelectric harvesting technology, which is able to overcome the limitations of existing energy technologies, is actively being studied. Piezoelectric harvesting technology uses the piezoelectric effect which occurs in crystals that generate voltage when stress is applied. Therefore, it has advantages such as a wider installation base and lower technological cost. In this study, a piezoelectric energy harvesting device based on constant wave motion was investigated. This device can regenerate electricity in a constant turbulent flow in the middle of the sea. The components of the device are circuitry, a steel bar, an bimorph piezoelectric element and buoyancy elements. In addition, a multiphysical analysis coupled with the structure and piezoelectric elements was conducted to estimate the performance of the device. With this piezoelectric energy harvesting device, the displacement and electric power were analyzed.
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문제 정의
또한 파도의 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 계산하여 본 장치의 가능성을 파악하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 담수 및 해수 모두에 적용 가능한 압전 발전 장치의 성능 및 가능성을 확인하고자 한다. 장치의 구조 설계는 Solidworks를 사용하였고 부력발생 및 전복 방지를 위하여 원기둥 형상으로 설계 하였다.
본 시스템은 파도의 고저차를 통해 전달된 힘으로 압전 소자를 변형시켜 나타나는 정압전 효과를 이용해 전력 수확을 시도한다. 또한 다수의 압전 소자를 설치하여 단위 시간당 발전량을 극대화하고자 하였다.
본 논문에서는 파도의 고저차를 이용한 압전 에너지 수확 장치에 대해 제안하였다. 본 장치는 바다의 전체 면적인 460,000,000 m2을 모두 활용 가능하여 면적 당 발전량을 극대화 할 수 있다.
이러한 계산에 의해 설계된 장치는 봉, 압전 소자, 고무가 연성되어 있음으로 유한 요소 해석을 통해 성능을 예측하고자 하였다. 해석 결과, 파도의 각도가 26.
56 μW이다. 이를 통해 본 장치의 에너지 수확 가능성을 확인하였다.
이에 압전 소자를 이용해 파도의 고저차를 에너지원으로 하여 지속적인 전력 공급이 가능한 장치를 제안함으로써 앞서 언급한 문제점을 해결하고자 한다. 또한 설치 지역이 제한적인 단점을 해결함으로써 기존의 방식으로는 에너지를 수확하지 못하는 바다의 나머지 부분에서도 전력 수확이 가능하여 에너지 문제 해결에 기여할 수 있다.
제안 방법
12와 같이 원기둥 형상의 봉, 고무, 압전 소자로 이루어져 있으며 축대칭 모델을 사용하여 해석을 수행하였다. 고무에 부착된 압전 소자는 이론적으로 원형에 가깝게 부착할 수 있으므로 원 형상의 박판 압전 소자로 설정돼 해석을 수행하였다. 탄성체 및 봉의 재질인 Rubber와 SUS304는 해석 프로그램에서 제공하는 물성치를 사용하였으며 압전 소자는 압전 PVDF(polyvinylidene fluoride)이고 물성치는 Table 2, 3, 4와 같다.
앞서 기술한대로 본 장치는 봉이 한쪽으로 쏠림에 따라 압전 소자에 변형이 발생하므로 구조 해석으로 표현할 수 있다. 그러므로 봉에 힘이 가해짐에 따라 변위가 발생하고 압전 소자가 이에 따라 변형됨으로써 그에 따른 응력, 변위 그리고 전력 발생량을 측정한다. 이를 위해 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 본 장치의 성능을 예측하고자 한다.
본 장치는 해수 또는 담수에 띄워져 전력을 생산함으로 방수, 부력 계산, 전복 방지, 지속 발전 등에 중점을 두었다. 그리고 장치는 회로 수납부, LED, 발전부, 봉, 방향타, 후크 등으로 나누어져 있고 부력 계산을 통해 0.7 cm의 입수 깊이를 계산함으로써 본 장치의 해수면 부유 여부를 판단하였다.
7과 같이 먼저 물체의 실제 부피에 따른 압력(물체가 물을 밀어내는 압력)을 계산한다. 다음으로 물에 잠긴 물체의 부피에 의한 물의 압력(물이 물체를 밀어내는 압력)을 계산한다. 전자와 후자의 비율을 계산하여 나온 값에 몸체의 높이를 곱하면, 물체의 입수 깊이를 계산할 수 있다.
19와 같이 정리하였다. 다음으로 전류 계산을 통해 파도의 각도가 26.57o, 45 o 일 때의 단일 압전 소자의 단위 시간당 전류 발생량을 알아보았다. Fig.
그에 따라 압전 소자가 휘어지게 되고 발전이 이루어진다. 또한 파도의 중간에 위치하더라도 봉 자체의 하중에 의해 진동하게 되어 지속적인 전력 수확이 되도록 설계하였다.
본 시스템은 파도의 고저차를 통해 전달된 힘으로 압전 소자를 변형시켜 나타나는 정압전 효과를 이용해 전력 수확을 시도한다. 또한 다수의 압전 소자를 설치하여 단위 시간당 발전량을 극대화하고자 하였다.
본 장치는 해수 또는 담수에 띄워져 전력을 생산함으로 방수, 부력 계산, 전복 방지, 지속 발전 등에 중점을 두었다. 그리고 장치는 회로 수납부, LED, 발전부, 봉, 방향타, 후크 등으로 나누어져 있고 부력 계산을 통해 0.
본 해석에서 중요한 사항은 봉에 주기적인 힘을 가해주는 것이므로 구조 해석 모듈은 Solid Mechanics의 Body Load 설정을 통해 봉에 힘을 가하여 압전 소자에 변형을 가하고자 하였다. 힘의 설정은 앞서 언급한 조건과 같이 주기적으로 파도의 각도가 26.
성능 예측에서는 Fig. 11과 같은 순서로 해석을 수행하며 먼저 파도가 발생했을 시의 유사한 조건을 부여하여 해석을 수행하고자 한다. 앞서 계산한 파도의 각도에 따른 힘을 봉의 끝단에 인가해 고무 및 압전 소자에 변형을 일으키고 그에 따라 발생하는 전압 및 전류 발생량을 확인한다.
11과 같은 순서로 해석을 수행하며 먼저 파도가 발생했을 시의 유사한 조건을 부여하여 해석을 수행하고자 한다. 앞서 계산한 파도의 각도에 따른 힘을 봉의 끝단에 인가해 고무 및 압전 소자에 변형을 일으키고 그에 따라 발생하는 전압 및 전류 발생량을 확인한다.
그러므로 봉에 힘이 가해짐에 따라 변위가 발생하고 압전 소자가 이에 따라 변형됨으로써 그에 따른 응력, 변위 그리고 전력 발생량을 측정한다. 이를 위해 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 본 장치의 성능을 예측하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 담수 및 해수 모두에 적용 가능한 압전 발전 장치의 성능 및 가능성을 확인하고자 한다. 장치의 구조 설계는 Solidworks를 사용하였고 부력발생 및 전복 방지를 위하여 원기둥 형상으로 설계 하였다. 또한 파도의 힘에 의해 압전 소자에 변위가 발생하므로 다물리 해석을 통해 현상을 예측할 필요가 있다.
제안하는 본 수확 장치는 파도에 의해 끊임없이 흔들리게 설계해 봉이 왕복 운동하도록 하였다. 이 봉의 힘에 의해 고무에 부착돼있는 압전 소자들 또한 앞, 뒤로 변형이 발생하게 되고 그로 인해 전력을 수확한다.
대상 데이터
후크는 수확 장치를 그물 및 부표 등에 고정하기 위한 장치로 파도에 의해 밀려나가는 것을 방지한다. 장치의 주 재질은 생산 비용 및 형상의 무게를 고려하여 PLA(poly lactic acid)로 선정하였으며 물성치는 Table 1과 같다.14)
고무에 부착된 압전 소자는 이론적으로 원형에 가깝게 부착할 수 있으므로 원 형상의 박판 압전 소자로 설정돼 해석을 수행하였다. 탄성체 및 봉의 재질인 Rubber와 SUS304는 해석 프로그램에서 제공하는 물성치를 사용하였으며 압전 소자는 압전 PVDF(polyvinylidene fluoride)이고 물성치는 Table 2, 3, 4와 같다. 압전 소자의 종류 중 하나인 압전 PVDF는 전력 출력량이 기존 압전 소자에 비해 월등하기 때문에 본 장치의 경우와 같이 제한된 공간에서의 발전에 효과적이다.
해석 시간은 0.1초 간격으로 2초 까지 설정하였고 Mesh의 설정은 Fig. 15와 같이 Free Triangular를 사용하여 14660개로 작성되었다.
해석 형상은 Fig. 12와 같이 원기둥 형상의 봉, 고무, 압전 소자로 이루어져 있으며 축대칭 모델을 사용하여 해석을 수행하였다. 고무에 부착된 압전 소자는 이론적으로 원형에 가깝게 부착할 수 있으므로 원 형상의 박판 압전 소자로 설정돼 해석을 수행하였다.
성능/효과
본 논문에서는 파도의 고저차를 이용한 압전 에너지 수확 장치에 대해 제안하였다. 본 장치는 바다의 전체 면적인 460,000,000 m2을 모두 활용 가능하여 면적 당 발전량을 극대화 할 수 있다. 또한 교량의 균열을 감지하고자 설치되는 균열 감지기의 전원 공급기 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 계산에 의해 설계된 장치는 봉, 압전 소자, 고무가 연성되어 있음으로 유한 요소 해석을 통해 성능을 예측하고자 하였다. 해석 결과, 파도의 각도가 26.57o 일 때의 최대 및 평균 전압은 각각 33, 3.2 V이고 45o 일 때의 최대 및 평균 전압은 46.9, 4.83 V로 계산되었다. 또한 파도의 각도가 26.
후속연구
본 장치는 바다의 전체 면적인 460,000,000 m2을 모두 활용 가능하여 면적 당 발전량을 극대화 할 수 있다. 또한 교량의 균열을 감지하고자 설치되는 균열 감지기의 전원 공급기 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
제안된 발전 방식의 경우 압전 발전의 특성을 활용하기 때문에 바다뿐만 아니라 담수에서도 발전이 가능하며, 이를 교량의 균열 감지 센서의 전원 공급기 역할로 응용할 수 있다. 교량은 많은 차량 통행을 견뎌내야 하고 한 번의 사고가 많은 인명 피해를 낼 가능성이 존재한다.
향후 계획으로는 본 결과를 토대로 실제 장치를 제작하여 실험하고자 하며 압전 소자를 달리하여 시간당 발전량을 더욱 늘리고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압전 소자를 이용해 파도의 고저차를 에너지원으로 하여 전력공급을 하면 어떤 기대효과가 있는가?
이에 압전 소자를 이용해 파도의 고저차를 에너지원으로 하여 지속적인 전력 공급이 가능한 장치를 제안함으로써 앞서 언급한 문제점을 해결하고자 한다. 또한 설치 지역이 제한적인 단점을 해결함으로써 기존의 방식으로는 에너지를 수확하지 못하는 바다의 나머지 부분에서도 전력 수확이 가능하여 에너지 문제 해결에 기여할 수 있다.
전세계 에너지중 화석 연료가 차지하는 비중은 얼마나 되는가?
오늘날 전 세계적으로 70 % 이상의 에너지가 화석 연료에서 나오고 있다. 이러한 화석 연료는 자원 고갈에 따른 유가의 상승과 산업 폐기물로 인한 환경오염, 생태계 파괴 등의 단점이 존재하여 이를 해결 할 수 있는 대체에너지에 대한 필요성이 대두되고 있다.
화석 연료의 문제점은 무엇인가?
오늘날 전 세계적으로 70 % 이상의 에너지가 화석 연료에서 나오고 있다. 이러한 화석 연료는 자원 고갈에 따른 유가의 상승과 산업 폐기물로 인한 환경오염, 생태계 파괴 등의 단점이 존재하여 이를 해결 할 수 있는 대체에너지에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이에 전 세계적으로 화석 연료를 대체 할 수 있는 태양열, 태양광, 풍력, 압전 발전 등 신재생 에너지의 개발과 에너지 회수시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
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