이 연구는 평소에 주변에 상존하지만 버려지는 미활용 에너지를 수확하여 전기로 생산하는 에너지하베스팅에 관한 것이다. 이 연구에서는 다양한 에너지원들 중에서 도로나 주차장을 주행하는 차량의 진동과 압력을 동시에 활용하는 하이브리드 방식의 에너지 하베스터를 개발하였다. 1단계 연구에서는 프로토타입 에너지하베스터, 이를 개선된 하이브리드모듈, 그리고 하이브리드 모듈의 성능을 개선한 최종 모듈을 개발하였으며, 그 결과는 이전 논문으로 발표하였다. 본 논문은 최종 개발된 하이브리드 모듈을 실제 주차장에 설치하여 차량의 주행에 따른 압력과 진동, 그리고 차량주행 속도에 따른 발전성능을 측정하고 앞서 발표된 실험실 조건에서의 측정결과와 비교하였다. 선행연구에서 수행한 실험실 조건에서의 에너지블록의 최대전력은 1회 가진시 1.066W, 5회연속 가진시 1.830W로 측정되었다. 반면에 이 연구에서 실시한 실제 주차장 주행차량 속도별 측정결과는 5km/h 주행시 평균 0.310W, 10km/h에서 0.670W, 20km/h에서 1.250W, 30km/h에서 2.1600W로 측정되었다. 즉, 차량의 주행속도가 높을수록 발전성능은 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 실험실조건에 대비해서 주행속도 20km/h까지는 발전성능이 떨어지며, 실험실 조건의 1회 가진시 대비해서는 20km/h이상, 그리고 5회연속가진에 대비해서는 30km/h 이상일 때 발전성능이 높은 것으로 측정되었다. 이는 실험실과 실제차량이라는 재하조건의 차이로 사료된다. 따라서 향후 도로용 에너지블록의 적용은 주차장 조건보다는 주행도로용으로 활용하는 것이 효과적일 것으로 사료된다.
이 연구는 평소에 주변에 상존하지만 버려지는 미활용 에너지를 수확하여 전기로 생산하는 에너지하베스팅에 관한 것이다. 이 연구에서는 다양한 에너지원들 중에서 도로나 주차장을 주행하는 차량의 진동과 압력을 동시에 활용하는 하이브리드 방식의 에너지 하베스터를 개발하였다. 1단계 연구에서는 프로토타입 에너지하베스터, 이를 개선된 하이브리드 모듈, 그리고 하이브리드 모듈의 성능을 개선한 최종 모듈을 개발하였으며, 그 결과는 이전 논문으로 발표하였다. 본 논문은 최종 개발된 하이브리드 모듈을 실제 주차장에 설치하여 차량의 주행에 따른 압력과 진동, 그리고 차량주행 속도에 따른 발전성능을 측정하고 앞서 발표된 실험실 조건에서의 측정결과와 비교하였다. 선행연구에서 수행한 실험실 조건에서의 에너지블록의 최대전력은 1회 가진시 1.066W, 5회연속 가진시 1.830W로 측정되었다. 반면에 이 연구에서 실시한 실제 주차장 주행차량 속도별 측정결과는 5km/h 주행시 평균 0.310W, 10km/h에서 0.670W, 20km/h에서 1.250W, 30km/h에서 2.1600W로 측정되었다. 즉, 차량의 주행속도가 높을수록 발전성능은 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 실험실조건에 대비해서 주행속도 20km/h까지는 발전성능이 떨어지며, 실험실 조건의 1회 가진시 대비해서는 20km/h이상, 그리고 5회연속가진에 대비해서는 30km/h 이상일 때 발전성능이 높은 것으로 측정되었다. 이는 실험실과 실제차량이라는 재하조건의 차이로 사료된다. 따라서 향후 도로용 에너지블록의 적용은 주차장 조건보다는 주행도로용으로 활용하는 것이 효과적일 것으로 사료된다.
Energy harvesting technique is to utilize energy that is always present but wasted. In this study, we have developed the energy harvester of the hybrid method utilizing both vibration and pressure of the vehicle traveling a road or parking lot. In the previous study, we have developed a prototype en...
Energy harvesting technique is to utilize energy that is always present but wasted. In this study, we have developed the energy harvester of the hybrid method utilizing both vibration and pressure of the vehicle traveling a road or parking lot. In the previous study, we have developed a prototype energy harvester, improved hybrid energy harvester, and developed a final product that offers improved performance in the hybrid module. The results were published in the previous paper. In this study, we installed the finally developed hybrid module in the actual parking lot. And we measured the power generation performance due to pressure and vibration, and the running speed of the vehicle when the vehicle is traveling. And we compared the results with those obtained in laboratory conditions. In a previous study performed in laboratory conditions the maximum power of the energy block was 1.066W when one single time of vibration, and 1.830W when succession with 5 times. On the other hand, in this study, we obtained the average power output of 0.310W when the vehicle is running at an average 5 km/h, 0.670W when at an average 10 km/h, and 1.250W when at an average 20 km/h, and 2.160W when at an average 5 km/h. That is, the higher the running speed of the vehicle has increased power generation performance. However, when compared to laboratory conditions, the power generation performance of the energy block in driving speed by 20km/h was lower than those in laboratory conditions. In addition, when compared to one time of vibration of laboratory conditions, power generation performance was higher when the running speed 20km/h or more and when five consecutive times in laboratory conditions, it was higher when the running speed 30km/h or more. It could be caused by a difference of load conditions between the laboratory and the actual vehicle. Thus, applying the energy block on the road would be more effective than that on the parking lot.
Energy harvesting technique is to utilize energy that is always present but wasted. In this study, we have developed the energy harvester of the hybrid method utilizing both vibration and pressure of the vehicle traveling a road or parking lot. In the previous study, we have developed a prototype energy harvester, improved hybrid energy harvester, and developed a final product that offers improved performance in the hybrid module. The results were published in the previous paper. In this study, we installed the finally developed hybrid module in the actual parking lot. And we measured the power generation performance due to pressure and vibration, and the running speed of the vehicle when the vehicle is traveling. And we compared the results with those obtained in laboratory conditions. In a previous study performed in laboratory conditions the maximum power of the energy block was 1.066W when one single time of vibration, and 1.830W when succession with 5 times. On the other hand, in this study, we obtained the average power output of 0.310W when the vehicle is running at an average 5 km/h, 0.670W when at an average 10 km/h, and 1.250W when at an average 20 km/h, and 2.160W when at an average 5 km/h. That is, the higher the running speed of the vehicle has increased power generation performance. However, when compared to laboratory conditions, the power generation performance of the energy block in driving speed by 20km/h was lower than those in laboratory conditions. In addition, when compared to one time of vibration of laboratory conditions, power generation performance was higher when the running speed 20km/h or more and when five consecutive times in laboratory conditions, it was higher when the running speed 30km/h or more. It could be caused by a difference of load conditions between the laboratory and the actual vehicle. Thus, applying the energy block on the road would be more effective than that on the parking lot.
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문제 정의
1단계 연구결과는 이미 논문으로 발표하였으며, 본 연구는 2단계 실제 차량재하에 의한 하이브리드 에너지블록의 주행속도에 따른 발전성능을 측정하고 평가한 결과에 관한 것이다.
그러나 2차 제품의 출력은 주차장 출입부의 가동시설물을 구동시키기에는 미미한 것으로 판단하였다. 따라서 2차 개발제품의 성능을 개선하여 보다 최적의 발전성능을 구현할 수 있는 방안으로 3차 제품을 개발하였다. 3차 에너지블록 보완모듈의 개선사항은 다음과 같다.
이러한 연구들은 기초연구적인 성과는 거둘 수 있어도 실생활에 적용할 수 있는 제품까지 개발하는 데는 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 본 연구는 그러한 기초연구 성과를 활용하되 그 적용처를 미리 설정하고 적용처에 맞는 맞춤형 에너지하베스팅 제품을 개발하기 위한 것이다. 그를 위하여 설정된 목적물에 맞는 초기 모듈을 개발하고 그 성능을 검증하여 단계적으로 목적물의 성능을 개선하여 평가하는 방법을 적용하였다.
이것은 본 연구에서 목표로 하는 차량하중을 이용한 에너지수확 용도로는 부적합히다. 따라서 이를 차량용도로 개선한 모듈을 개발하였다. 이러한 방향으로 2차 개발 시제품의 개선내용은 다음과 같다(그림 3(b) 참조).
본 연구는 평소 의식하지 못하지만 우리 주위에 상존하는 빛, 바람, 열, 온도차, 진동 등 버려지는 다양한 에너지원을 수확하여 전기에너지로 변환시켜 활용하는 에너지하베스팅(energy harvesting) 기술에 관한 것이다. 현재까지의 에너지하베스팅에 관한 연구는 무선스위치 등 일부 상용화된 부문을 제외하면 주로 수확성능을 높이기 위한 이론과 소자개발이 중심을 이루어 왔다.
본 연구에서는 선행연구에서 개발된 하이브리드 에너지블록 시제품의 성능을 검증하고 그 결과를 분석하였다. 지금까지의 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서의 개발제품의 용도는 차량이 지날 때 발생하는 압력과 충격진동 에너지를 수확하여 전기를 생산하는 제품의 개발로 설정하였다. 이를 위한 연구는 다음과 같은 2단계로 수행하였다.
수행한 발전성능 측정의 기본 목표는 위와 같이 여덟가지 방향으로 실시했지만 본 논문에서는 차량의 주행성능 측정을 위한 에너지블록 설치과정과 주행속도에 따른 발전성능 측정결과만을 기술하고자 한다.
2차 개발 하이브리드 에너지블록 모듈은 차량 하중에 의한 에너지하베스팅을 위한 것이었다. 수확된 전력은 주차장 출입부의 차단개폐기, 안내표지판과 경광등 등을 자체 구동할 수 있도록 하는 목표로 하였다. 그러나 2차 제품의 출력은 주차장 출입부의 가동시설물을 구동시키기에는 미미한 것으로 판단하였다.
서론에서 기술한 바와 같이 본 연구의 선행연구에서는 첫 번째로 진동형 프로토타입 에너지블록 모둘 개발, 두 번째로는 프로토타입의 발전성능을 개선한 압전과 전자기유도 방식의 하이브리드 에너지블록 모듈 개발, 그리고 세 번째로 하이브리드 에너지블록의 성능을 개선하고 내구성과 방수성능을 갖춘 최종 하이브리드 에너지블록 모듈을 개발하였다. 여기서는 이러한 선행연구 결과를 개발 단계별로 압축하여 고찰하고자 한다. 이는 본연구의 주제인 실제 차량조건에서의 하이브리드 에너지블록의 성능 검증결과와 비교와 이해들 위한 것이다.
2장에 기술한 선행연구에서 개발된 3차 개발된 에너지블록 모듈을 대한 실제 운영중인 주차장에 설치하여 차량 주행에 따른 발전성능을 측정하고 분석하였다. 여기서는 이러한 조건에서 수행한 에너지블록의 설치, 설치 후 차량 주행속도별 발전성능측정 및 평가 결과를 기술하고자 한다.
그를 위하여 설정된 목적물에 맞는 초기 모듈을 개발하고 그 성능을 검증하여 단계적으로 목적물의 성능을 개선하여 평가하는 방법을 적용하였다. 즉, 본 연구는 설정된 목적물의 특성을 단계적으로 개선하여 최적의 맞춤형 제품을 개발하기 위한 것이다.
기존의 에너지하베스팅 기술은 μW~mW급의 센서가동 수준의 소형전력에 집중하여 왔다. 프로토타입 에너지 하베스터는 이러한 기술수준을 극복하여 수 W급의 전력을 수확을위한 핵심기술을 개발하고자 한 것이다. 프로토타입 에너지 하베스터는 PZT 기반 압전 캔틸레버 타입의 발전성능(0.
가설 설정
- 실험실 가진 실험의 최소 가진력은 차량 주행속도 20km /h 이상의 압력이다.
- 차량이 지날 때의 가진력은 연속가진 보다는 1회 가진력으로 가정하는 것이 타당하다.
제안 방법
2장에 기술한 선행연구에서 개발된 3차 개발된 에너지블록 모듈을 대한 실제 운영중인 주차장에 설치하여 차량 주행에 따른 발전성능을 측정하고 분석하였다. 여기서는 이러한 조건에서 수행한 에너지블록의 설치, 설치 후 차량 주행속도별 발전성능측정 및 평가 결과를 기술하고자 한다.
이를 위하여 1차적으로 실험실에서 실제 차량재하 실험을 실시하여 발전량을 측정하였다. 2차적으로는 주차장 바닥면에 개발된 모듈을 설치하고 차량의 주행속도에 따른 발전성능을 평가하고 실험실 조건의 측정결과와 비교하였다.
결정된 주차장 출입구 에너지블록 설치제원에 따라 에너지블록 모듈의 주차장 설치방안을 검토하였다. 주차장 출입여건과 주행방향 등을 고려한 배치방안은 그림 10과 같다.
제거된 위치의 에너지블록 거치용 콘크리트 상단면에는 에너지블록 설치 후 차량에 의한 유동방지와 콘크리트기초의 파손을 방지하기 위하여 고무매트를 설치하였다. 고무매트 설치 후에는 상단에 제작된 에너지블록을 설치하고 고정 작업을 실시하였다.
따라서 본 연구는 그러한 기초연구 성과를 활용하되 그 적용처를 미리 설정하고 적용처에 맞는 맞춤형 에너지하베스팅 제품을 개발하기 위한 것이다. 그를 위하여 설정된 목적물에 맞는 초기 모듈을 개발하고 그 성능을 검증하여 단계적으로 목적물의 성능을 개선하여 평가하는 방법을 적용하였다. 즉, 본 연구는 설정된 목적물의 특성을 단계적으로 개선하여 최적의 맞춤형 제품을 개발하기 위한 것이다.
네째, 기본적으로 차바퀴가 지나는 부분의 에너지블록의 형태는 단위모듈 3개가 횡방향 배치된 세트모듈로 설계하였다.
네째, 차량의 장기적인 반복 주행하중 조건에서의 하이브리드발전부의 내구성을 검증한다.
다섯째, 개발된 블록에 적용된 방수 및 배수장치에 대해 우기시의 운용조건에서의 수밀부의 성능을 검증한다.
이때 에너지 블록이 거치되는 기초 버림 콘크리트의 타설 두께는 100mm, 그리고 버림 콘크리트의 설계기준강도는 150kgf/cm2로 하였다. 다음으로 에너지블록 모듈 위를 차량이 지날 때 유동을 방지하기 위하여 프레임모듈의 프레임에 고정앵커를 설치하도록 설계하였다. 앵커는 프레임모듈의 4귀퉁이를 고정하도록 하였고, 앵커의 직경은 8mm로 설계하였다.
둘째, 개선 모듈은 방수 및 배수성능을 부여하였다. 이를 위하여 단위모듈에 대한 방수케이스 도포, 세트모듈 전체에 대한 방수케이스 설치, 세트모듈 내부에 배수홀과 방수재를 설치하는 구조로 설계하였다.
둘째, 발전성능에 대한 지속적인 측정 및 모니터링을 실시하여 장기적인 발전성능을 평가한다.
둘째, 수밀구조를 확보하였다. 이를 위하여 강성이 큰 케이싱과 수밀밴드를 조합하여 이중 방수구조로 제작하였다.
둘째, 이러한 모듈을 주차장 등 외부에 설치하여 장기간우수 등에 노출될 때 발생할 수 있는 침수에 견딜 수 있는 2중의 수밀구조로 개발하였다.
첫째, 초기 진동형 모듈을 개발하고 그 성능을 평가하였다. 둘째, 진동형 모듈의 성능을 개선하고자 압력과 진동을 동시에 인가하여 전기를 생산하는 하이브리드 방식의 모듈을 개발하고 그 성능을 평가하였다. 세째로는 선행 하이브리드 수확모듈의 배열의 변화를 통한 성능개선과 현장조건에 맞는 성능을 갖춘 모듈로 개선하고 그 성능을 측정하였다.
5 mm이다. 따라서 에너지블록이 설치되는 기초 버림 콘크리트의 타설 높이를 보도블록이 설치된 원지반보다 약 5.5mm 높게 타설되도록 설계하여 에너지블록과 기존 블록의 높이가 같아지도록 하였다. 이러한 방법은 에너지블록이 거치되는 콘크리트가 기초지반보가 높아 우기 시에 자연배수가 가능한 효과도 고려하였다.
앵커는 프레임모듈의 4귀퉁이를 고정하도록 하였고, 앵커의 직경은 8mm로 설계하였다. 또한 기초지반의 유동을 방지하기 위한 배수로 및 지반개량에 대해서도 설계하였다.
스토퍼에 의한 최대 처림깊이는 8mm로 설계하였다. 또한 내구성 증진을 위하여 외부 케이싱은 스테인리스 재질의 2중 구조로 설계하였다.
에너지블록 모듈의 주차장 출입부 배치를 위한 설치제원을 결정하였다. 먼저, 에너지블록은 세트 및 프레임 모듈단위로 설치하는 것으로 결정하였다. 설치되는 총 세트 모듈은 12개이다.
04m W급) 평가를 토대로 발전량 증폭기술을 적용하였다. 발전량 증폭은 압전과 전자기유도 조합방식을 통한 증폭, 다층(Multi -layer) PZT에 의한 면적증가 방식, 그리고 D31 변형 유도홀 구조를 통한 증폭기술을 적용한 것이다.
시험용 차량은 공차중량이 각각 1,440kg와 2,085kg인 두 개차종으로 하였다. 발전성능 평가는 차량의 한쪽 바퀴가 모듈을 각각 10km/h와 20km/h 속도로 지날때를 평가하였다. 재하에 따른 전력생산효율은 오실로스코프로 측정하였다.
앞서 2장에서는 선행연구에서 실시된 하이브리드 에너지블록의 프로토티입 개발과 그를 개선한 2차, 3차 제품에 대한 실험실 조건에서의 발전성능을 평가하고 비교하였다. 본 연구에서는 이러한 단계적 개발과 실험실 평가결과를 토대로 최종 3차 시제품에 대한 실제 차량재하 시험을 실시하고 그 결과를 실험실 조건에서의 결과와 비교분석하였다. 이러한 연구결과는 다음과 같다.
다섯째 세트모듈은 배치형태에 따라 종방향과 횡방향 배열에 따라 다르지만 세트모델을 2개 이상 연결한 경우를 프레임 모듈이라 한다. 본 연구에서는 프레임 모듈은 종방향 배열로 설정하였다. 즉, 개발된 에너지블록의 최소 단위는 단위모듈이며, 케이싱에 의간 기본 제품은 단위모듈 3개가 결합된 세트 모듈, 그리고 세트모듈을 두 개 이상을 배열한 것을 프레임모듈이라 한다.
서론에서 기술한 바와 같이 본 연구의 선행연구에서는 첫 번째로 진동형 프로토타입 에너지블록 모둘 개발, 두 번째로는 프로토타입의 발전성능을 개선한 압전과 전자기유도 방식의 하이브리드 에너지블록 모듈 개발, 그리고 세 번째로 하이브리드 에너지블록의 성능을 개선하고 내구성과 방수성능을 갖춘 최종 하이브리드 에너지블록 모듈을 개발하였다. 여기서는 이러한 선행연구 결과를 개발 단계별로 압축하여 고찰하고자 한다.
세째, 단위모듈 3개로 구성되는 세트모듈의 내구성을 증진하기 위하여 차량통과 시 일정깊이 이하로 처짐이 발생하지 않도록 세트모듈의 외부 프레임에 스토퍼(stopper)를 설치하였다. 스토퍼에 의한 최대 처림깊이는 8mm로 설계하였다.
세째, 압전성능이 전자기부 대비 약 20% 정도의 발전성능을 보이므로 전자기부 내부에 압전부를 설치하는 방안을 적용하였다
세째, 차량의 윤하중에 의한 충격과 압력 하중에 대한 에너지 블록 모듈 케이싱 구조의 안정성을 검증한다.
둘째, 진동형 모듈의 성능을 개선하고자 압력과 진동을 동시에 인가하여 전기를 생산하는 하이브리드 방식의 모듈을 개발하고 그 성능을 평가하였다. 세째로는 선행 하이브리드 수확모듈의 배열의 변화를 통한 성능개선과 현장조건에 맞는 성능을 갖춘 모듈로 개선하고 그 성능을 측정하였다.
시험용 에너지블록에 대한 성능시험은 2,000CC급 시험용 승용차량을 이용하였다. 시험은 주행속도를 5km/h, 10km/h, 20km/h, 30km/h로 구분하여 속도별로 각각 3회씩 측정하여 평균값을 선택하였다. 측정은 2차례에 걸쳐 실시하였다.
실제 차량에 의해 실험실에서의 직접 재하 성능평가를 실시하였다. 차량재하 성능평가를 위한 개발모듈은 그림 5의 (c)와 같은 프레임모듈로 하였다.
앞서 2장에서는 선행연구에서 실시된 하이브리드 에너지블록의 프로토티입 개발과 그를 개선한 2차, 3차 제품에 대한 실험실 조건에서의 발전성능을 평가하고 비교하였다. 본 연구에서는 이러한 단계적 개발과 실험실 평가결과를 토대로 최종 3차 시제품에 대한 실제 차량재하 시험을 실시하고 그 결과를 실험실 조건에서의 결과와 비교분석하였다.
다음으로 에너지블록 모듈 위를 차량이 지날 때 유동을 방지하기 위하여 프레임모듈의 프레임에 고정앵커를 설치하도록 설계하였다. 앵커는 프레임모듈의 4귀퉁이를 고정하도록 하였고, 앵커의 직경은 8mm로 설계하였다. 또한 기초지반의 유동을 방지하기 위한 배수로 및 지반개량에 대해서도 설계하였다.
에너지 블록, 맨홀 주변에 기존에 요철이 심했던 구간을 포함하여 전체적으로 수평이 되도록 정밀 시공하여 보도블록 설치공사를 완료하였다. 또한 설치된 에너지블록 및 보도블록 하단의 전선관을시험 가동용 LED 전광등 및 경광등 설치 위치까지 노출하여 설치하였다.
에너지블록 모듈의 주차장 출입부 배치를 위한 설치제원을 결정하였다. 먼저, 에너지블록은 세트 및 프레임 모듈단위로 설치하는 것으로 결정하였다.
에너지블록 설치 후에는 에너지블록과 블록 간에 전기배선 작업을 실시하였다. 배선은 우수에 따른 누수가 발생하지 않도록 블록내부까지 전선관으로 연결하였다.
여섯째, 주차장 출입부의 경광등과 안내표지등의 실효성을 검증한다.
옥외 주차장에의 배치방안을 설정하였다. 현장조사 결과 기존 주차장에는 두께 80mm의 보도블록으로 포장되어 있었다.
설치되는 총 세트 모듈은 12개이다. 이러한 세트모듈의 설치간격을 결정하기 위하여 차량의 바퀴 폭과 차바퀴의 앞뒤 간격 및 좌우간격을 검토하였다. 검토는 현장출입이 가장 많은 승용차를 기준으로 하였다.
2단계 연구에서는 1단계에서 최종적으로 개발된 모듈에 대해 실제 차량조건에서의 성능을 검증하는 것이다. 이를 위하여 1차적으로 실험실에서 실제 차량재하 실험을 실시하여 발전량을 측정하였다. 2차적으로는 주차장 바닥면에 개발된 모듈을 설치하고 차량의 주행속도에 따른 발전성능을 평가하고 실험실 조건의 측정결과와 비교하였다.
둘째, 수밀구조를 확보하였다. 이를 위하여 강성이 큰 케이싱과 수밀밴드를 조합하여 이중 방수구조로 제작하였다.
둘째, 개선 모듈은 방수 및 배수성능을 부여하였다. 이를 위하여 단위모듈에 대한 방수케이스 도포, 세트모듈 전체에 대한 방수케이스 설치, 세트모듈 내부에 배수홀과 방수재를 설치하는 구조로 설계하였다.
셋째, 미관용 에너지블록이 가지고 있는 내구성의 취약점을 보완하여 차량 압력에도 견딜 수 있도록 내구성을 강화하도록 하였다. 이를 위하여 전자기부와 압전부를 분리하고, 2중의 고강도 케이싱을 적용하도록 하였다.
이와 같이 개선 모듈에 대하여 1, 2단계 개발 모듈과 같이 실험실 조건에서 개선 모듈에 대한 발전성능을 평가하였다. 측정 결과, 1회 가진 시에 개선모듈에서 발생되는 순간 최대전력은 1.
일곱째, 자가발전에 의한 안내표지등과 경광등의 자가발전에 의한 공동주택단지 적용가능성을 검증한다.
발전성능 평가는 차량의 한쪽 바퀴가 모듈을 각각 10km/h와 20km/h 속도로 지날때를 평가하였다. 재하에 따른 전력생산효율은 오실로스코프로 측정하였다.
배선은 우수에 따른 누수가 발생하지 않도록 블록내부까지 전선관으로 연결하였다. 전선의 설치 후에는 에너지 블록 거치대를 중심으로 보도블록의 재설치 공사를 실시하였다.
첫째, 다양한 주행 및 교통량 조건 아래에서의 에너지블록 모듈의 발전성능을 평가한다.
첫째, 증폭 및 공간효율화를 위하여 다층 PZT 증폭구조 및 집적화된 모듈구조로 개발하였다.
1단계는 맞춤형 에너지블록을 개발하고 실험실 조건에서의 발전성능 평가하는 것이다. 첫째, 초기 진동형 모듈을 개발하고 그 성능을 평가하였다. 둘째, 진동형 모듈의 성능을 개선하고자 압력과 진동을 동시에 인가하여 전기를 생산하는 하이브리드 방식의 모듈을 개발하고 그 성능을 평가하였다.
시험은 주행속도를 5km/h, 10km/h, 20km/h, 30km/h로 구분하여 속도별로 각각 3회씩 측정하여 평균값을 선택하였다. 측정은 2차례에 걸쳐 실시하였다.
프로토타입 에너지 하베스터는 이러한 기술수준을 극복하여 수 W급의 전력을 수확을위한 핵심기술을 개발하고자 한 것이다. 프로토타입 에너지 하베스터는 PZT 기반 압전 캔틸레버 타입의 발전성능(0.04m W급) 평가를 토대로 발전량 증폭기술을 적용하였다. 발전량 증폭은 압전과 전자기유도 조합방식을 통한 증폭, 다층(Multi -layer) PZT에 의한 면적증가 방식, 그리고 D31 변형 유도홀 구조를 통한 증폭기술을 적용한 것이다.
프로토타입 에너지 하베스터의 발전성능은 50cm 높이에서 볼(1kg)을 낙하시키고 낙하에 따른 충격력과 진동발생을 동시에유발시키는 볼드롭(Ball drop) 방식과 4Hz의 주파수에 의한 가진 방식으로 측정하였다. 측정결과는 표 1과 같이 볼드롭 방식에서는 기존 압전 에너지 하베스터 대비 약 505%, 그리고 4Hz 가진 방식에서는 274%의 발전성능이 향상되는 것으로 나타났다.
현장에 설치된 전력선의 저항은 500Ω이며, 생산전력은 오실로스코프로 측정하였다.
대상 데이터
검토된 승용차는 2,000CC급 국산 모델로 하였다. 검토 차량의 타이어의 최대 폭은 225mm이고, 그에 따라 에너지블록 세트모듈과 프레임모듈의 제작 크기를 결정하였다. 표준차량의 좌우 바퀴 중심간 거리는 1,587 mm, 그리고 타이어 접지중심간 앞뒤 간격은 2,795mm로 설정하였다(그림 7 참조).
검토는 현장출입이 가장 많은 승용차를 기준으로 하였다. 검토된 승용차는 2,000CC급 국산 모델로 하였다. 검토 차량의 타이어의 최대 폭은 225mm이고, 그에 따라 에너지블록 세트모듈과 프레임모듈의 제작 크기를 결정하였다.
전체적으로 전자기부 3개, 그리고 전자기부 1개소당 상부에 압전부(PZT) 2개씩을 배치하였다. 따라서 세트모듈은 총 6개의 압전 부를 설치하였다. 이는 기존 세트모듈에 비해 전자기부 1개, 압전부 5개를 증가시킨 것이다(그림 5 참조).
먼저, 에너지블록은 세트 및 프레임 모듈단위로 설치하는 것으로 결정하였다. 설치되는 총 세트 모듈은 12개이다. 이러한 세트모듈의 설치간격을 결정하기 위하여 차량의 바퀴 폭과 차바퀴의 앞뒤 간격 및 좌우간격을 검토하였다.
시험용 에너지블록에 대한 성능시험은 2,000CC급 시험용 승용차량을 이용하였다. 시험은 주행속도를 5km/h, 10km/h, 20km/h, 30km/h로 구분하여 속도별로 각각 3회씩 측정하여 평균값을 선택하였다.
시험용 차량은 공차중량이 각각 1,440kg와 2,085kg인 두 개차종으로 하였다. 발전성능 평가는 차량의 한쪽 바퀴가 모듈을 각각 10km/h와 20km/h 속도로 지날때를 평가하였다.
에너지블록은 총 36개의 단위모듈, 단위모듈 3개씩으로 결합한 12개의 세트모듈을 5개의 프레임 모듈로 구획하여 설치하였다. 설치된 5개 프레임 모듈 중 1개모듈은 상시출입 차량에 의한 주차장 경광등 및 LED 전광판 가동전력으로 배치하고 나머지 4개의 프레임모듈은 순수하게 차량재하 성능평가를 위하여 설치하였다.
검토 차량의 타이어의 최대 폭은 225mm이고, 그에 따라 에너지블록 세트모듈과 프레임모듈의 제작 크기를 결정하였다. 표준차량의 좌우 바퀴 중심간 거리는 1,587 mm, 그리고 타이어 접지중심간 앞뒤 간격은 2,795mm로 설정하였다(그림 7 참조).
성능/효과
B형 차량에 측정결과는 동일 중량차량의 속도변화에 따른 에너지블록의 발전성능은 속도 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
네째, 전자기부의 설치 개수를 선행 개발한 에너지블록에서는 2개이던 것을 3개로 증가시켜 발전성능을 향상시켰다.
넷째, 시험용으로 개발하여 성능을 검증한 에너지블록은 성능대비 발전효율이 낮은 것으로 사료된다. 또한 에너지소비가 작은 시설물의 경우라도 수확에너지만의 자가발전이 어려운 것으로 사료된다.
다섯째, 도로용 에너지블록에 의해서는 도로 등 교통시설물에 대한 자가전력에 의한 구동이 불가능한 것으로 사료된다. 이는 무선으로 시설물을 유지할 때 소요되는 기본적인 대기전력, 경광등이나 LED 전광판에 소요되는 소비전력이 생산되는 하베스팅 전력에 비해 상대적으로 크기 때문이다.
둘째, 에너지블록의 1, 2차 현장 발전성능 평가결과, 측정 횟수에 따라 동일 속도에서 발생하는 발전성능을 다소 변동이 있으나 전체적인 평균 발전성능은 유사하게 나타나는 것으로 분석된다.
둘째, 현장 차량재하 시험결과 동일차량으로 속도조건을 달리했을 때 속도가 높을수록 에너지수확 성능이 비례적으로 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 도로용 에너지하베스팅 제품의 용처를 발굴하는데 시사점이 있다고 할 수 있다.
다만 단순비교를 했을 때 3차 시제품의 실험실 조건에서의 1회 가진 및 5회 연속 가진시보다 발전성능은 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 차량재하 발전성능 평가는 실험실 조건과의 직접비교보다는 동일 차량의 속도별 발전성능을 비교하여 평가 하는 것이 더 유효할 것으로 사료된다.
셋째, 미관용 에너지블록이 가지고 있는 내구성의 취약점을 보완하여 차량 압력에도 견딜 수 있도록 내구성을 강화하도록 하였다. 이를 위하여 전자기부와 압전부를 분리하고, 2중의 고강도 케이싱을 적용하도록 하였다.
셋째, 차량운행 재하에 의한 에너지블록은 4개의 바퀴가 동시에 4개의 에너지블록을 통과하는 것과 하나의 에너지블록을 지나는 것과 큰 차이가 없음을 확인하였다. 따라서 향후 유사조건의 도로용 에너지하베스터의 개발 및 적용 시에는 하나의 차륜 하중만을 이용하는 방법으로 개발하는 것이 효과적일 것으로 사료된다.
첫째, 에너지블록의 1, 2차 현장 발전성능 평가결과, 차량의 속도증가에 따라 발전성능은 개략 속도의 증가에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 차량 속도가 높은 곳에서 에너지 수확효율이 높으므로 에너지블록의 용도는 속도 30km/h 이상이 가능한 용처에 적용하는 것이 적절하다는 것을 의미한다.
세째, 실험실의 가진 실험결과의 최대전력과 현장 실험결과의 최대전력을 비교하면 표 7과 같다. 이를 참조할 때, 실험실 조건 1회 가진 시의 수확전력은 차량이 약 20km/h 이상 주행할 때, 그리고 5회 연속 가진에 대비해서는 최소한 30km/h 이상 주행할 때에 동일하거나 그 이상의 전력효율을 거둘 수 있는 것으로 분석된다. 이러한 결과로 볼 때 다음과 같은 결론을 유추할 수 있다.
첫째, 2차 시제품의 압전부 편심작용 구조를 개선하였다. 이는 고강도 케이싱 구조를 구성하기 위한 것이다.
첫째, 개발 모듈은 증폭 및 공간효율화 구조로 개선하였다. 전체적으로 전자기부 3개, 그리고 전자기부 1개소당 상부에 압전부(PZT) 2개씩을 배치하였다.
첫째, 에너지블록의 1, 2차 현장 발전성능 평가결과, 차량의 속도증가에 따라 발전성능은 개략 속도의 증가에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 차량 속도가 높은 곳에서 에너지 수확효율이 높으므로 에너지블록의 용도는 속도 30km/h 이상이 가능한 용처에 적용하는 것이 적절하다는 것을 의미한다.
첫째, 현장조건에서의 차량재하 성능실험결과 시속 30km/h에서 평균 최대 2.16W의 전력생산이 가능하였다. 이는 실험실의 1회 및 5회 연속 가진실험과 실험실 실제 차량재해 실험에 비해 더 좋은 발전효율을 낸 것으로 평가된다.
이와 같이 개선 모듈에 대하여 1, 2단계 개발 모듈과 같이 실험실 조건에서 개선 모듈에 대한 발전성능을 평가하였다. 측정 결과, 1회 가진 시에 개선모듈에서 발생되는 순간 최대전력은 1.066W이었다. 따라서 이론적으로 충전할 수 있는 시간당 전력은 639.
프로토타입 에너지 하베스터의 발전성능은 50cm 높이에서 볼(1kg)을 낙하시키고 낙하에 따른 충격력과 진동발생을 동시에유발시키는 볼드롭(Ball drop) 방식과 4Hz의 주파수에 의한 가진 방식으로 측정하였다. 측정결과는 표 1과 같이 볼드롭 방식에서는 기존 압전 에너지 하베스터 대비 약 505%, 그리고 4Hz 가진 방식에서는 274%의 발전성능이 향상되는 것으로 나타났다.
후속연구
이는 무선으로 시설물을 유지할 때 소요되는 기본적인 대기전력, 경광등이나 LED 전광판에 소요되는 소비전력이 생산되는 하베스팅 전력에 비해 상대적으로 크기 때문이다. 따라서 본 연구와 같이 수확전력을 축전하는 경우라도 주기적인 축전지의 충전을 통한 관리가 필요한 것으로 사료된다
- 직병렬 배열에 의하여 동시에 4개의 차바퀴가 에너지블록을 지나는 수확전력의 증폭 효과는 그리 크지 않다. 따라서 향후 도로용 에너지수확을 위해서는 차륜이 지나는 위치에 병렬로 에너지블록을 설치하는 것이 효율과 경제성에서 유리할 것으로 사료된다.
또한 에너지소비가 작은 시설물의 경우라도 수확에너지만의 자가발전이 어려운 것으로 사료된다. 따라서 향후 수확에너지를 이용하는 SOC시설물은 그 용도에 맞는 가장 효율적인 비용, 크기 등으로 개발할 필요가 있다고 사료된다.
셋째, 차량운행 재하에 의한 에너지블록은 4개의 바퀴가 동시에 4개의 에너지블록을 통과하는 것과 하나의 에너지블록을 지나는 것과 큰 차이가 없음을 확인하였다. 따라서 향후 유사조건의 도로용 에너지하베스터의 개발 및 적용 시에는 하나의 차륜 하중만을 이용하는 방법으로 개발하는 것이 효과적일 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 에너지하베스팅 기술이 중점을 둔 전력 범위는?
기존의 에너지하베스팅 기술은 μW~mW급의 센서가동 수준의 소형전력에 집중하여 왔다. 프로토타입 에너지 하베스터는 이러한 기술수준을 극복하여 수 W급의 전력을 수확을위한 핵심기술을 개발하고자 한 것이다.
에너지하베스팅이란?
본 연구는 평소 의식하지 못하지만 우리 주위에 상존하는 빛, 바람, 열, 온도차, 진동 등 버려지는 다양한 에너지원을 수확하여 전기에너지로 변환시켜 활용하는 에너지하베스팅(energy harvesting) 기술에 관한 것이다. 현재까지의 에너지하베스팅에 관한 연구는 무선스위치 등 일부 상용화된 부문을 제외하면 주로 수확성능을 높이기 위한 이론과 소자개발이 중심을 이루어 왔다.
프로토타입 에너지 하베스터의 실험을 위해 사용한 발전량 증폭기술은?
04m W급) 평가를 토대로 발전량 증폭기술을 적용하였다. 발전량 증폭은 압전과 전자기유도 조합방식을 통한 증폭, 다층(Multi -layer) PZT에 의한 면적증가 방식, 그리고 D31 변형 유도홀 구조를 통한 증폭기술을 적용한 것이다.
참고문헌 (5)
김창일, 김경범, 전종학, 조정호, 백종후 등 (2012), "압전 캔틸레버 구조를 이용한 도로용 에너지 하베스터의 개발 및 평가", 전기전자재료학회논문지, 25(7): 511-515.
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