최근, 지구온난화 등의 문제로 인해 새로운 에너지 기술의 개발이 화제가 되고 있다. 중규모 이상의 출력을 얻도록 최적화된 태양광 및 태양열, 풍력 발전과 같은 신재생에너지 기술과 다르게 에너지 하베스팅기술은 출력전력이 매우 작아 크게 주목받지 못하고 있다. 하지만 최근 모바일 산업이 활성화 되면서 에너지 하베스팅기술의 활용가치가 재평가 받고 있다. 또한, 최대전력점 추적방식기술 역시 활발히 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 일정한 저항부하를 위한 열전모듈의 새로운 최대전력점추적 제어방식을 제안한다. 열전 모듈(이하 TEM: Thermoelectric Module)의 V-I곡선특성과 내부저항을 분석하고. 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O(Perturbation and Observation)제어방식은 전압, 전류를 측정하기위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 CV제어방식보다 경제성이 떨어지지만 보다 정확히 MPP를 찾는다는 장점을 가진다. CV(Constant Voltage)제어방식은 전압센서 1개만 사용하기 때문에 경제적인 측면에서는 P&O제어방식보다 뛰어나지만, MPP가 정확히 못하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 두 제어방식의 장점만을 가지고 TEM의 최대전력점(MPP)을 추적하도록 설계하였다. 제안된 MPPT 제어 방식은 PSIM 프로그램을 이용한 모의실험으로 확인하였으며, 하드웨어제작을 통해 제안된 MPPT제어 방식을 검증하였다.
최근, 지구온난화 등의 문제로 인해 새로운 에너지 기술의 개발이 화제가 되고 있다. 중규모 이상의 출력을 얻도록 최적화된 태양광 및 태양열, 풍력 발전과 같은 신재생에너지 기술과 다르게 에너지 하베스팅기술은 출력전력이 매우 작아 크게 주목받지 못하고 있다. 하지만 최근 모바일 산업이 활성화 되면서 에너지 하베스팅기술의 활용가치가 재평가 받고 있다. 또한, 최대전력점 추적방식기술 역시 활발히 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 일정한 저항부하를 위한 열전모듈의 새로운 최대전력점추적 제어방식을 제안한다. 열전 모듈(이하 TEM: Thermoelectric Module)의 V-I곡선특성과 내부저항을 분석하고. 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O(Perturbation and Observation)제어방식은 전압, 전류를 측정하기위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 CV제어방식보다 경제성이 떨어지지만 보다 정확히 MPP를 찾는다는 장점을 가진다. CV(Constant Voltage)제어방식은 전압센서 1개만 사용하기 때문에 경제적인 측면에서는 P&O제어방식보다 뛰어나지만, MPP가 정확히 못하다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 두 제어방식의 장점만을 가지고 TEM의 최대전력점(MPP)을 추적하도록 설계하였다. 제안된 MPPT 제어 방식은 PSIM 프로그램을 이용한 모의실험으로 확인하였으며, 하드웨어제작을 통해 제안된 MPPT제어 방식을 검증하였다.
Recently, the development of new energy technologies has become a hot topic due to problems,such as global warming. Unlike renewable energy technologies, such as solar energy generation, solar power, and wind power, which are optimized to achieve medium or above output power, the output power of ene...
Recently, the development of new energy technologies has become a hot topic due to problems,such as global warming. Unlike renewable energy technologies, such as solar energy generation, solar power, and wind power, which are optimized to achieve medium or above output power, the output power of energy harvesting technology is very small and has not received much attention. On the other hand, as the mobile industry has been revitalized recently, the utility of energy harvesting technology has been reevaluated. In addition, the technology of tracking the maximum power point has been actively researched. This paper proposes a new MPPT(Maximum Power Point Tracking) control method for a TEM(thermoelectric module) for load resistance. The V-I curve characteristics and internal resistance of TEM were analyzed and the conventional MPPT control methods were compared. The P&O(Perturbation and Observation) control method is more accurate, but it is less economical than the CV (Constant Voltage)control method because it usestwo sensors to measure the voltage and current source. The CV control method is superior to the P&O control method in economic aspects because it uses only one voltage sensor but the MPP is not matched precisely. In this paper, a method wasdesigned to track the MPP of TEM combining the advantages of the two control method. The proposed MPPT control method wasverified by PSIM simulation and H/W implementation.
Recently, the development of new energy technologies has become a hot topic due to problems,such as global warming. Unlike renewable energy technologies, such as solar energy generation, solar power, and wind power, which are optimized to achieve medium or above output power, the output power of energy harvesting technology is very small and has not received much attention. On the other hand, as the mobile industry has been revitalized recently, the utility of energy harvesting technology has been reevaluated. In addition, the technology of tracking the maximum power point has been actively researched. This paper proposes a new MPPT(Maximum Power Point Tracking) control method for a TEM(thermoelectric module) for load resistance. The V-I curve characteristics and internal resistance of TEM were analyzed and the conventional MPPT control methods were compared. The P&O(Perturbation and Observation) control method is more accurate, but it is less economical than the CV (Constant Voltage)control method because it usestwo sensors to measure the voltage and current source. The CV control method is superior to the P&O control method in economic aspects because it uses only one voltage sensor but the MPP is not matched precisely. In this paper, a method wasdesigned to track the MPP of TEM combining the advantages of the two control method. The proposed MPPT control method wasverified by PSIM simulation and H/W implementation.
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문제 정의
본 논문에서는 열전에너지 하베스팅을 위한 저전압 DC-DC 부스트 변환기 설계하였다. 입력 측 전압원인 TEM은 8.
가설 설정
TEM은 n과 p 타입의 열전반도체 쌍(leg pairs)이 여러 개로 구성되어있으며, 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬로 연결되어 있다. TEM의 양면에 온도차가 가해지면 TEM의 캐리어들이 뜨거운 면에서 차가운 면으로 이동하여 기전력이 발생된다. Fig.
제안 방법
⑴ 기존의 제어방식인 CV제어방식과 P&O제어방식을 모의실험 하여 각각의 제어방식의 응답속도 및 정확도를 확인하였다.
⑵ 경제성을 위해 전압측정을 위한 전압센서 1개만사용하고 전류 값을 계산하여 전력 값을 구한 뒤, 전력 값을 미분하여 MPP점을 찾아가는 새로운 방식의 MPPT제어방식을 제안하였다.
반대로 CV방식으로 최대 전력점을 추적할 경우, MPP점을 찾는 정확도가 떨어지는 문제점이 방생한다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 전류센서를 없애고 전류는 계산하여 전압센서 1개만을 이용하여 MPP를 추적하는 새로운 제어방식을 제안하였으며, 이에 대한 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
본 논문에서는 BMG6040으로 알려진 TEM을 이용하였으며, Fig. 2와 같은 특성곡선을 가진다.
실험은 TEM(모델명: HMG040)을 앞서 모의실험에서 실험된 부스트컨버터 파라미터를 바탕으로 실험을 하였다. 또한, ATMEGA128을 이용하여 MPPT컨트롤러를 구현하였다.
데이터처리
본 논문에서는 열전에너지 하베스팅을 위한 저전압 DC-DC 부스트 변환기 설계하였다. 입력 측 전압원인 TEM은 8.6V의 개방전압을 출력하며, Fig 3의 특성곡선을 가진 PSIM 프로그램의 solar module(physical)을 이용하여 실험하였다. Table.
1에서 설명한 과 동일하다. 제안된 MPPT방식은 DLL을 이용하여 C 언어로 프로그래밍 하였다.
이론/모형
일반적으로 CV(Constant Voltage), P&O(Perturbation and Observation, IncCond(Incremental Conductance)제어 등이 사용되고 있다. 본 논문에서는 가장 많이 사용되는 CV와 P&O방식을 열전모듈에 적용한다[6-7].
성능/효과
⑶ 제안한 제어방식이 적용된 회로도는 MPP점을 잘 거의 유사하게 찾았으며 응답속도도 빠른 것을 확인할 수 있었다. 즉, 기존의 제어방식과 비교하였을 때 경제성과 응답속도측면에서 향상되었음을 확인하였다.
⑷ PSIM 시뮬레이션에 사용한 제어프로그램(C Block)을 하드웨어 구현 시 ATMEGA128에 큰 수정없이 바로 적용할 수 있다는 장점을 확인 할 수 있었다.
93W로 모의실험에서 측정한 값과 거의 유사하게 나온다. 따라서 제안된 MPPT방법이 잘 동작하는 것을 알 수 있다.
즉, 기존의 제어방식과 비교하였을 때 경제성과 응답속도측면에서 향상되었음을 확인하였다. 또한, TEM의 최대 전력값과 하드웨어 실험 전력값의 일치율이 94.7%로 높은 정확도를 확인 할 수 있다.
⑶ 제안한 제어방식이 적용된 회로도는 MPP점을 잘 거의 유사하게 찾았으며 응답속도도 빠른 것을 확인할 수 있었다. 즉, 기존의 제어방식과 비교하였을 때 경제성과 응답속도측면에서 향상되었음을 확인하였다. 또한, TEM의 최대 전력값과 하드웨어 실험 전력값의 일치율이 94.
후속연구
향후 성능개선을 위해 주회로를 cascaded boost-buck converter로 변경하고, 센서를 사용하지 않는 MPPT방식에 대한 연구를 계속 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TEM은 어떻게 구성되어 있는가?
TEM은 n과 p 타입의 열전반도체 쌍(leg pairs)이 여러 개로 구성되어있으며, 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬로 연결되어 있다. TEM의 양면에 온도차가 가해지면 TEM의 캐리어들이 뜨거운 면에서 차가운 면으로 이동하여 기전력이 발생된다.
에너지 하베스팅기술이란?
이런 문제점을 보완할 수 있는 기술이 바로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이다. 에너지 하베스팅기술은 빛, 폐열, 운동에너지 등 우리주변에서 잘 활용되지 않고 버려지는 에너지를 수집한 뒤 전기에너지로 바꿔 재활용하는 방식을 뜻하는 기술로써[2] 중규모 이상의 출력을 얻도록 최적화된 태양광 및 태양열, 풍력 발전과 같은 신재생에너지 기술과 다르게 그 출력전력이 매우 작아 크게 주목받지 못하고 있다. 하지만 최근 모바일 기술의 발달로 에너지 하베스팅기술은 그 활용가치가 재평가 받고 있다.
MPPT제어에는 어떤 것들이 있는가?
또한, 온도변화에 따라 TEM에서 생성되는 값들의 파라미터가 달라지기 때문에 이 문제를 해결하고자 사용된다. 일반적으로 CV(Constant Voltage), P&O(Perturbation and Observation, IncCond(Incremental Conductance)제어 등이 사용되고 있다. 본 논문에서는 가장 많이 사용되는 CV와 P&O방식을 열전모듈에 적용한다[6-7].
참고문헌 (10)
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E. J. Park, J. T. Park, C. D. Yu, "Thermoelectric Energy Harvesting Circuit Using DC-DC Boost Converter", Journal of IKEEE", vol. 17, no. 3, pp. 284-293, Sep. 2013. DOI: https://doi.org/10.7471/ikeee.2013.17.3.284
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