[논문]압전소자를 이용한 에너지 하베스터용 전력변환장치 연구

안현성; 김영철; 차한주

doi:10.5370/kiee.2017.66.7.1059

압전소자를 이용한 에너지 하베스터용 전력변환장치 연구
A Study of Power Conversion System for Energy Harvester Using a Piezoelectric Materials 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.7, 2017년, pp.1059 - 1065

안현성 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 김영철 (System Dynamics Research Laboratory, Korea Institute of Machinery & Materials) , 차한주 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the energy harvester with a piezoelectric materials is modeled as the electric equivalent circuit, and performances of a standard DC method and a Parallel-SSHI method are verified through experiment under variable force and load conditions. Piezoelectric generator consists of mass, damper and spring constant, and it is modeled by electrical equivalent circuit with RLC components. Standard DC and Parallel-SSHI are used as power conversion methods, and standard DC consists of full-bridge rectifier and smoothing capacitor. Parallel-SSHI method is composed of L-C resonant circuit, zero-crossing detector and full-bridge rectifier. In case of simulation under $100k{\Omega}$ load condition, the harvested power is $500{\mu}W$ in Standard DC and $670{\mu}W$ in Parallel-SSHI, respectively. In experiment, the harvested power under $100k{\Omega}$ load condition is $420{\mu}W$ in standard DC and $602{\mu}W$ in Parallel-SSHI. Harvested power of Parallel-SSHI is improved by approximately 40% more than that of standard DC method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

전력변환장치는 크게 AC-DC 전력변환장치와 DC-DC 전력변환 장치로 구성되어 사용된다. 본 논문에서는 AC-DC 전력변환장치의 부분을 다루게 되어 풀브리지 정류기를 이용한 방법과 Parallel-SSHI 방법을 비교한다. 두 가지의 에너지 방법은 힘 F와 변위의 미분 #를 sin의 함수로 가정하며, (3)과 같다.
본 논문에서는 압전발전기 출력 에너지의 이용률을 증가시키기 위해서 standard DC 방법에 L-C공진회로를 추가한 Parallel Synchronized Swiched Harvesting on Inductor (ParallelSSHI) 방법을 제안하였으며, 압전소자를 이용하여 캔틸레버 구조의 에너지 하베스터를 제작하고, 이를 전기적으로 등가모델링 하였다. 또한, 에너지 하베스터용 전력변환장치의 풀브리지 정류기를 이용한 Standrad DC와 L-C공진을 이용한 Paralle-SSHI의 발전 방법을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 부하에 따른 출력 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 압전발전기를 이용한 에너지 하베스터를 제작하고, 전기적으로 모델링하여 시뮬레이션 및 실험을 통해 에너지 하베스터를 검증하였다. 전력변환장치는 standard DC와 Parallel-SSHI를 사용하였으며, standard DC는 풀브리지 정류기를 이용한 기법이다.

가설 설정

(a)의 standard DC의 출력 전압은 6.48V이고 출력 전력은 약 420μW이다.
4G의 힘을 주기 함수로 인가하였고 부하는 100kΩ으로 선정하여 진행하였다. 압전 소자의 물리적인 공진주파수로 동작하는 것으로 가정하여 힘의 주파수를 156Hz로 설정하여 인가하였다. 또한, 부하 측 평활용 커패시터의 용량은 15μF 으로 압전발전기의 커패시턴스(19nF)에 비해 크게 선정되었다.

제안 방법

부하는 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ으로 다양한 크기를 통해 성능을 확인하였으며, 시뮬레이션과 동일하게 가진기의 구동 조건은 압전발전기의 공진주파수로 설정하여 진행하였다. 0.4G와 0.8G의 힘을 통해 Standard DC와 parallel-SSHI 기법의 출력 전압, 변위, 출력 전력 등을 통해 두 방법의 성능을 검증하여 비교하였다.
또한, 부하 측 평활용 커패시터의 용량은 15μF 으로 압전발전기의 커패시턴스(19nF)에 비해 크게 선정되었다. Parallel-SSHI의 공진 회로 동작을 위해서는 변위의 최댓점을 검출해야 하므로 변위의 미분치인 전류 #을 전류센서를 사용하여 검출하고 비교기를 통해 영점 검출을 하여 FET를 동작시켰다.
그림 10과 그림 11은 시뮬레이션 모델링의 결과를 보여주며, 그림 10는 standard DC의 결과이고 그림 11은 Parallel-SSHI의 결과를 보여준다. 각 시뮬레이션 결과를 통해 앞서 설명한 전력 변환장치의 동작에 따른 변위, 압전발전기 출력 전압, 부하 전압, 전류 등을 확인할 수 있으며, 각 전력변환장치의 성능을 확인하였다. ①번 구간은 압전발전기의 C_P를 충전하는 구간이며, ②번 구간은 출력전압인 V_C에 클램프되어 부하 측으로 에너지가 전달되는 구간을 보여준다.
그림 9는 standard DC와 Parallel-SSHI의 시뮬레이션 모델링을 보여주며, (1), (2)를 이용해 R=ηm , L=M, C = 1/K, V = F로 대입하여 직렬 RLC등가회로로 모델링하였고 PSIM을 이용하여 에너지 하베스트용 전력변환장치의 성능을 힘과 부하 조건에 따라 확인하였다.
또한, 시뮬레이션에 전력변환장치의 손실분을 고려하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 0.4G의 힘을 주기 함수로 인가하였고 부하는 100kΩ으로 선정하여 진행하였다.
본 논문에서는 압전발전기 출력 에너지의 이용률을 증가시키기 위해서 standard DC 방법에 L-C공진회로를 추가한 Parallel Synchronized Swiched Harvesting on Inductor (ParallelSSHI) 방법을 제안하였으며, 압전소자를 이용하여 캔틸레버 구조의 에너지 하베스터를 제작하고, 이를 전기적으로 등가모델링 하였다. 또한, 에너지 하베스터용 전력변환장치의 풀브리지 정류기를 이용한 Standrad DC와 L-C공진을 이용한 Paralle-SSHI의 발전 방법을 분석하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 부하에 따른 출력 성능을 확인하였다.
부하는 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ으로 다양한 크기를 통해 성능을 확인하였으며, 시뮬레이션과 동일하게 가진기의 구동 조건은 압전발전기의 공진주파수로 설정하여 진행하였다.
하베스팅 에너지를 최대한 확보하기 위하여 정류기 앞단에 인덕터와 스위치로 구성된 L-C공진회로를 추가하여 Parallel-SSHI기법을 제안하였다. 시뮬레이션을 위해 발전기를 RLC 회로로 모델링하였으며, 힘과 부하 조건을 달리하여 확인하였다. 실험은 각각 0.
실험은 각각 0.4g와 0.8G의 힘을 인가하였고 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ의 부하에서 에너지 하베스터의 성능을 검증하였다.
압전소자를 이용한 에너지 하베스터는 압전소자의 개수에 따라 그리고 부착 구조에 따라 다양한 형태의 구조가 될 수 있는데, 본 논문에서는 압전소자를 이용한 하베스터에 적합한 캔틸레버 형식으로 제작하여 판의 상단과 하단에 압전소자가 위치한 바이모프 형태로 제작하였다. 압전발전기에 부착 된 압전소자는 몇 가지의 재료 상수를 가지고 있으며, 제작된 캔틸레버 모델은 기기적인 구조적 상수를 가지고 있는데, 이러한 상수들은 이후에 에너지 하베스터 전력발전 성능을 분석하는데 사용될 수 있다[7].
전력변환장치는 standard DC와 Parallel-SSHI를 사용하였으며, standard DC는 풀브리지 정류기를 이용한 기법이다. 하베스팅 에너지를 최대한 확보하기 위하여 정류기 앞단에 인덕터와 스위치로 구성된 L-C공진회로를 추가하여 Parallel-SSHI기법을 제안하였다. 시뮬레이션을 위해 발전기를 RLC 회로로 모델링하였으며, 힘과 부하 조건을 달리하여 확인하였다.

대상 데이터

그림 12는 에너지 하베스터의 실험장치 구성을 보여주며, 압전소자에 힘을 가하기 위한 가진기와, 빔위의 물체의 흔들리는 변위를 측정할 수 있는 적외선 변위센서, 부하, 전력변환장치 등으로 구성하였고 전력변환기의 스위치는 N-타입/P-타입 MOSFET를 사용하였다. 적외선 센서를 통해 측정된 변위(u)는 OP Amp를 사용한 미분기를 통해 #을 구하고 비교기에 입력하여 영점을 검출함으로써 변위의 최댓점을 검출하였다.
2kHz이며 압전 발전기의 출력전압이 반전되는 시간은 L-C공진 주기의 절반에 해당되는 시간으로 (8)과 같이 나타낸다. 즉, 반공진 주파수는 약 16kHz이며, 에너지 하베스터의 동작 주파수(약 160Hz)에 100배로 선정하였다.

데이터처리

힘과 부하에 따라 Parallel-SSHI기법이 standard DC에 대해 출력 전력이 최대 100%까지 향상된 것을 통해 Parallel-SSHI 기법을 통해 더 많은 에너지를 하베스팅 하는 것을 검증하였다. 또한, 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 비교를 통해 RLC 등가회로를 통한 모델링의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

Parallel-SSHI를 통해 얻은 출력 전압은 8.17V이고 출력된 전력은 약 670μW로써 동일 힘과 부하에서 standard DC의 500μW에 비해 Parallel-SSHI를 이용한 경우 약 34%의 출력이 향상된 것을 볼 수 있다.
각 힘에 따라 다른 부하 조건에서의 실험 결과는 그림 14과 그림 15에서 볼 수 있듯이 모든 부하의 조건에서 Parallel-SSHI 기법의 성능이 우수한 것을 볼 수 있다. 두 전력변환방법의 실험 결과를 통해서 100kΩ의 저항 부하에서 가장 큰 전력을 생산하는 것을 통해 압전발전기의 출력이 부하 조건에 달라지는 특성을 가지는 것을 볼 수 있다.
17V이고 출력된 전력은 약 670μW로써 동일 힘과 부하에서 standard DC의 500μW에 비해 Parallel-SSHI를 이용한 경우 약 34%의 출력이 향상된 것을 볼 수 있다. 두 시뮬레이션 모두 동일한 주파 수의 힘이 인가되었으며, 동일한 한주기의 시간을 가질 때 standard DC결과의 ②번 구간의 시간(5.4ms)과 Parallel-SSHI의 결과 파형의 ③번 구간의 시간(7.2ms)이 서로 상이한 것을 볼 수있는데, 이는 Parallel-SSHI 기법이 부하 측으로 에너지를 더 많은 양을 전달하는 것으로 볼 수 있다.
두 전력변환방법의 실험 결과를 통해서 100kΩ의 저항 부하에서 가장 큰 전력을 생산하는 것을 통해 압전발전기의 출력이 부하 조건에 달라지는 특성을 가지는 것을 볼 수 있다.
Parallel-SSHI의 성능을 최대로 하기 위해서는 출력 전압(V_CP)의 값이 최대일 때 반전되어야 부하 측 전압(V_C)에 빠르게 클램프 될 수 있다. 본 논문에서의 공진 인덕턴스는 20mH로 선정되었으며, 발전기의 출력 커패 시터(C_P)는 압전 소자의 특성에 따라 정해진 값으로 19nF의 값을 가진다. L-C공진 주파수는 약 8.
76V고 출력 전력은 602μW로써 standard DC에 비해 약 40%정도 향상된 것을 볼 수 있다. 실험 파형을 통해 볼 수 있듯이 압전발전기의 출력 전압이 부하 측 출력전압에 클램프되어 있는 구간이 standard DC에 비해 Parallel-SSHI 기법이 더 긴 시간을 가지는 것을 볼 수 있다.
8G의 힘을 인가하였고 10kΩ, 100kΩ, 1MΩ의 부하에서 에너지 하베스터의 성능을 검증하였다. 힘과 부하에 따라 Parallel-SSHI기법이 standard DC에 대해 출력 전력이 최대 100%까지 향상된 것을 통해 Parallel-SSHI 기법을 통해 더 많은 에너지를 하베스팅 하는 것을 검증하였다. 또한, 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 비교를 통해 RLC 등가회로를 통한 모델링의 타당성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전소자의 에너지 변환 특성을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것의 특성은?	주변 에너지를 하베스팅을 하기 위해서는 대표적으로 압전 효과를 이용할 수 있으며, 압전 효과는 주변에서 흔히 발생하는 진동 에너지가 압전소자에 가해져 소자의 구조적인 변형을 유도하면 압전소자의 에너지 변환 특성을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다[3-6]. 압전을 이용한 에너지 하베스팅은 압전 세라믹의 구조에 따라서 수V에서 수십V의 전압을 생산해 낼 수 있는 반면 전압에 비해 월등히 낮은 수 nA에서 수μA수준의 전류를 생산해 내는 특성이 있다. 압전소자에 의해 발생된 전력은 전력의 관점에서 보면 미소 전력일 수 있으나, 무선 센서와 같은 자가 구동 응용분야에 사용되는 전원을 공급하기 위한 에너지로는 충분한 전력이기 때문에 기존의 전원을 대체하는 에너지로 사용가능하다.
	압전 효과란?	반면 최근 기술의 고도화로 인해 마이크로전자기계시스템 (MEMS)과 나노전자기계시스템(NEMS)의 수요가 증가함에 따라 무선으로 전력을 공급해야하기 때문에 우리 주변에 존재하는 열, 진동과 같은 친환경적이며 효율적인 에너지원을 이용한 연구가 이루어지고 있으며, 이를 에너지 하베스팅 기술이라 한다[1-2]. 주변 에너지를 하베스팅을 하기 위해서는 대표적으로 압전 효과를 이용할 수 있으며, 압전 효과는 주변에서 흔히 발생하는 진동 에너지가 압전소자에 가해져 소자의 구조적인 변형을 유도하면 압전소자의 에너지 변환 특성을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다[3-6]. 압전을 이용한 에너지 하베스팅은 압전 세라믹의 구조에 따라서 수V에서 수십V의 전압을 생산해 낼 수 있는 반면 전압에 비해 월등히 낮은 수 nA에서 수μA수준의 전류를 생산해 내는 특성이 있다.
	현재 사용하고 있는 대부분의 전력은 무엇으로 만들어 지는가?	현재 사용하고 있는 대부분의 전력은 화력, 수력, 원자력 발전소 등에서 동기발전기를 통해 만들어진 에너지를 사용하고 있다. 반면 최근 기술의 고도화로 인해 마이크로전자기계시스템 (MEMS)과 나노전자기계시스템(NEMS)의 수요가 증가함에 따라 무선으로 전력을 공급해야하기 때문에 우리 주변에 존재하는 열, 진동과 같은 친환경적이며 효율적인 에너지원을 이용한 연구가 이루어지고 있으며, 이를 에너지 하베스팅 기술이라 한다[1-2].

참고문헌 (10)

M. Triches, F. Wang, A. Crovetto, A. Lei, Q. You, X. Zhang, Ole A, MEMS "Energy Harvesting Device for Vibration with Low Acceleration", Procedia Engineering, Vol. 47, 2012, pp. 770-773.

상세보기
Shengwen Xu, Khai D. T. Ngo, Toshikazu Nishida, Gyo-Bum Chung, Attma Sharma, "Low Frequency Pulsed Resonant Converter for Energy Harvesting", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, No. 1, Jan., 2007, pp. 63-68.

상세보기
Anton, SR and Sodano, HA "A review of power harvesting using piezoelectric materials". Smart Mater. Struct. 16, pp. R1-R21, 2007.

상세보기
S P Beeby, M J Tudor, N M White, "Energy harvesting vibration sources for microsystems applications", Meas. Sci. Tech., Vol. 17, No. 12 : R175-R195, 2006.

상세보기
Chen QX and Payne DA, "Industrial applications of piezoelectric polymer transducers", Meas. Sci. Tech. 6, pp. 249-267. 1995.

상세보기
Mohammad Adnan Ilyas, Jonathan Swingler, "Piezoelectric energy harvesting from raindrop impacts", Energy, Vol. 90, 2015, pp. 796-806.

상세보기
Y C Shu and I C Lien, "Analysis of power output for piezoelectric energy harvesting systems", Smart Materials and Structures 15, pp. 1499-1512. 2006.

상세보기
E. Lefeuvre, A. Bader, C. Richard, D. Guyomar, "Piezoelectric Energy Harvesting Device Optimization by Synchronous Electric Charge Extraction", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 16, Oct., 2005.

상세보기
E. Arroyo, A. Badel, "Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Device Optimization by Synchronous Energy Extraction", Sensors and Actuators A : Physical, Vol. 171, Issue 2, November, 2011, pp. 266-273.

상세보기
D. Zhu, M. Tudor, S. Beeby, "Strategies for increasing the operating frequency range of vibration energy harvesters", Meas. Sci. 21, 2010.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증