[논문]압전소자 응용분야의 최적효율 운전연구

김용욱; 김동희

doi:10.5370/kiee.2017.66.10.1540

압전소자 응용분야의 최적효율 운전연구
A Study of Optimal Driving Method for Piezoelectric Device Applications 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.10, 2017년, pp.1540 - 1546

김용욱 (Dept. of Electrical Engineering, Tongmyong University) , 김동희 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In piezoelectric device applications, it is important to improve a system efficiency because of the low generated power. In this paper, an optimal driving method is proposed to improve a system efficiency for a piezoelectric energy harvesting system. The proposed method considers disappear energy in input capacitors and the converter efficiency according to the input voltage magnitude to minimize energy losses. Experimental results based on various energy generation cases verify that the proposed method significantly improves the system efficiency; the efficiency is approximately 9.97% higher than that of the conventional method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 압전소자를 이용한 에너지하베스팅 시스템의 효율적인 발전 에너지 저장을 위한 연구를 수행한다. 발전된 전력에 따라 변하게 되는 컨버터의 입력전압에 따른 효율과 입력커패시터에 존재한 병렬저항 성분에 의한 에너지 소실을 분석하여 이에 대한 최적의 운전 지점을 도출한다.
본 논문에서는 에너지하베스팅으로 널리 사용되고 있는 압전소자를 이용한 시스템의 최적효율 운전에 대한 연구를 진행하였으며 최적 효율운전 기법을 제안하였다. 기존의 시스템에서는 발생되는 에너지 양상을 고려하지 않고 일정전압보다 클 경우 동작하여 출력으로 전력을 전달하기 때문에 일정한 효율을 가지는 특성을 가지고 있다.

가설 설정

본 논문에서는 그림 5와 같은 하루 중 보행 패턴을 기반으로 하여 시스템을 구성하였다. 또한, 보행자는 압전모듈을 평균적으로 8개를 밟는다고 가정하여 에너지 생산량을 산출하였으며 이를 기반으로 하여 표 1과 같은 세부사양을 가지는 Boost 컨버터를 설계하였으며 제작된 하드웨어는 그림 7과 같다. 시스템 소형화를 위해 스위칭 주파수를 1.
보행자의 경우 일정하지 않은 시간에 압전모듈 위로 지나가게 되고 이에 따라 발생에너지도 균일하지 못하다. 본 논문에서는 보행자는 시간 내에 일정한 시간마다 지나간다고 가정하여 이에 따라 발생하는 에너지와 소비되는 에너지를 구하였다. 예를 들어 시간당 24명의 보행자가 지나간다고 가정하면, 각 보행자는 2.
컨버터의 효율은 부하 크기와 입·출력 전압 크기에 의해 다양하게 변한다. 본 논문에서는 최대 전류는 200mA로 고정 제어하였으며 출력 전압은 12V로 가정하였다. 입력전압에 따른 효율은 그림 8과 같다.

제안 방법

내딛는 힘과 압전모듈을 밟는 위치가 일정하지 않기 때문에 다양한 전력의 크기를 발전하게 되며, 이러한 불균일한 전력의 크기는 컨버터 입장에서 불안정한 동작을 야기하게 된다. 따라서 이를 평준화하기 위해 컨버터 입력단에 커패시터를 추가하여 시스템을 구성하였다. 그림 3에 따라 압전 모듈에 압력을 가할 경우 3.
본 논문에서는 압전소자를 이용한 에너지하베스팅 시스템의 효율적인 발전 에너지 저장을 위한 연구를 수행한다. 발전된 전력에 따라 변하게 되는 컨버터의 입력전압에 따른 효율과 입력커패시터에 존재한 병렬저항 성분에 의한 에너지 소실을 분석하여 이에 대한 최적의 운전 지점을 도출한다. 실제 압전소자에서 발생되는 에너지크기 분석과 하루 중 발생하는 에너지 빈도수를 기반하여, 실제 제작된 컨버터의 입력전압 크기에 따른 효율과 커패시터에 에너지가 충전되는 빈도에 따라 효율 분석을 진행한다.
힘과 부하의 크기에 의해 식 (1)과 변하게 되므로 안정적으로 부하로 전력을 공급하기 위해 전력변환 장치가 추가된다. 본 논문에서는 12V 배터리를 부하로 하여 그림 2와 같이 시스템을 구성하였다.
본 논문에서는 그림 5와 같은 하루 중 보행 패턴을 기반으로 하여 시스템을 구성하였다. 또한, 보행자는 압전모듈을 평균적으로 8개를 밟는다고 가정하여 에너지 생산량을 산출하였으며 이를 기반으로 하여 표 1과 같은 세부사양을 가지는 Boost 컨버터를 설계하였으며 제작된 하드웨어는 그림 7과 같다.
최적의 입력전압 동작지점을 찾기 위해 압전소자에서 발생되는 에너지 양상 분석이 필요하다. 본 논문에서는 도보에 의한 에너지하베스팅을 위해 그림 5와 같이 하루 24시간동안의 보행자패턴을 기반으로 하여 시스템의 분석과 설계가 이루어진다. 보행자가 많을 경우 발전되는 전력이 많기 때문에 컨버터의 입력 전압은 빠르게 상승하여 방전되는 전력이 최소화된다.
본 논문에서는 압전소자를 모듈형태로 구성하여 에너지를 회수할 수 있도록 그림 1과 같이 구현하였다. 압전소자 10개가 하나의 모듈로 구성되며, 진동과 압력에 최대 40V 및 20mA의 전력을 생산할 수 있다.
또한, 보행자는 압전모듈을 평균적으로 8개를 밟는다고 가정하여 에너지 생산량을 산출하였으며 이를 기반으로 하여 표 1과 같은 세부사양을 가지는 Boost 컨버터를 설계하였으며 제작된 하드웨어는 그림 7과 같다. 시스템 소형화를 위해 스위칭 주파수를 1.2MHz로 선정하였으며, 배터리의 충전은 정전류 제어 방식을 적용하여 200mA로 제한하였다.
발전된 전력에 따라 변하게 되는 컨버터의 입력전압에 따른 효율과 입력커패시터에 존재한 병렬저항 성분에 의한 에너지 소실을 분석하여 이에 대한 최적의 운전 지점을 도출한다. 실제 압전소자에서 발생되는 에너지크기 분석과 하루 중 발생하는 에너지 빈도수를 기반하여, 실제 제작된 컨버터의 입력전압 크기에 따른 효율과 커패시터에 에너지가 충전되는 빈도에 따라 효율 분석을 진행한다. 이를 통해 기존에 에너지가 발생할 경우 바로 출력으로 에너지를 전달할 때와 비교하여 최대 9.
기존의 시스템에서는 발생되는 에너지 양상을 고려하지 않고 일정전압보다 클 경우 동작하여 출력으로 전력을 전달하기 때문에 일정한 효율을 가지는 특성을 가지고 있다. 제안한 최적효율 운전방법은 에너지 발생빈도와 입력 커패시터에서 병렬저항으로 소실되는 에너지를 고려하여 최적 입력운전전압을 분석하였다. 에너지 발생빈도가 짧을 경우 입력전압이 빠르게 상승하여 컨버터의 효율이 향상되고 커패시터에서 소실되는 에너지를 감소시킬 수 있어 토폴로지 변경과 추가적인 장치 없이 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있었다.

데이터처리

시스템 설계를 위해 하나의 모듈에서 발전되는 에너지의 총합을 빈도로 나누어 발전에너지의 평균값을 구하였으며 이 크기는 140μJ이다.

이론/모형

식 (1)에 따라 압전소자 전압의 크기가 배터리를 충전하기 위한 충분한 전압이 되지 못하는 경우가 발생한다. 이를 위해 본 논문에서는 DC-DC 컨버터를 승압형인 Boost 컨버터를 선택하였다. 본 논문에서 적용된 압전소자에서 발생하는 전압 크기와 전력의 양은 도보에 의해 결정되므로 그 크기가 균일하지 않고 빈도 또한 일정하지 않는 특징을 가진다.

성능/효과

이를 위해 본 논문에서는 DC-DC 컨버터를 승압형인 Boost 컨버터를 선택하였다. 본 논문에서 적용된 압전소자에서 발생하는 전압 크기와 전력의 양은 도보에 의해 결정되므로 그 크기가 균일하지 않고 빈도 또한 일정하지 않는 특징을 가진다. 그림 3은 100명의 보행자가 지나갔을 때 발생된 에너지의 크기를 보여준다.
제안한 최적효율 운전방법은 에너지 발생빈도와 입력 커패시터에서 병렬저항으로 소실되는 에너지를 고려하여 최적 입력운전전압을 분석하였다. 에너지 발생빈도가 짧을 경우 입력전압이 빠르게 상승하여 컨버터의 효율이 향상되고 커패시터에서 소실되는 에너지를 감소시킬 수 있어 토폴로지 변경과 추가적인 장치 없이 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있었다. 제안된 운전기법은 논문상의 시스템뿐만 아니라 다양한 분야에 적용되어있는 압전소자 시스템에서 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
3V 이상이 되어야 동작하도록 설계하였다. 입력전압이 높을수록 변환 효율이 높은 것을 알 수 있으며, 입력전압이 낮을수록 변환 효율은 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 높은 입력전압을 얻기 위해 커패시터에서 병렬저항에 의한 에너지 감소가 발생하지만 변환 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 이에 대한 고려가 가능하다.

후속연구

에너지 발생빈도가 짧을 경우 입력전압이 빠르게 상승하여 컨버터의 효율이 향상되고 커패시터에서 소실되는 에너지를 감소시킬 수 있어 토폴로지 변경과 추가적인 장치 없이 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있었다. 제안된 운전기법은 논문상의 시스템뿐만 아니라 다양한 분야에 적용되어있는 압전소자 시스템에서 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전소자의 발전 원리는 무엇인가?	에너지 하베스팅을 위한 에너지 변환 장치 중 압전(Piezoelectric)소자를 이용한 연구와 제품들이 개발되어 현재 여러 응용분야에서 적용되어 사용 중에 있다. 압전소자의 경우 일상생활에서 발생하는 진동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 발전한다. 발전되는 전압은 구조에 따라 수십 볼트 이상의 값을 가질 수 있지만 전류의 경우 수 마이크로암페어의 값을 가지기 때문에 발생되는전력의 크기는 작은 특징을 가진다.
	압전소자를 이용해 발전된 전압, 전류, 전력의 특징은 무엇인가?	압전소자의 경우 일상생활에서 발생하는 진동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 발전한다. 발전되는 전압은 구조에 따라 수십 볼트 이상의 값을 가질 수 있지만 전류의 경우 수 마이크로암페어의 값을 가지기 때문에 발생되는전력의 크기는 작은 특징을 가진다. 회수된 에너지는 주로 배터리에 저장되어 활용 압전 소자를 이용한 에너지하베스팅은 사람의 도보, 자동차의 운행 등과 같이 일정한 발전 특성을 가지지 않기 때문에 배터리를 이용하여 발전 에너지를 저장한다.
	압전발전기의 에너지 출력 성능을 결정하는 요소는 무엇인가?	압전소자 10개가 하나의 모듈로 구성되며, 진동과 압력에 최대 40V 및 20mA의 전력을 생산할 수 있다. 이 전압은 인가하는 식에 나타나는 바와같이 압전발전기의 에너지 출력 성능은 운전 주파수 ω, 부하 R, 변위 u 등에 의해서 결정되는 특성을 가지며, 동일 힘과 주파수 조건에서도 기계적인 부분과 전기적인 부분이 결합 Θ 되므로 부하의 크기에 따라서 그 성능이 결정된다[6]-[7].

참고문헌 (8)

Y. Chen, Y. Wen, and P. Li, "Characterization of dissipation factors in terms of piezoelectric equivalent circuit parameters," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 53, No. 12, pp. 2367-2375, Dec. 2006.

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E. S. de Freitas, F. G. Baptista, D. E. Budoya, and B. A. de Castro, "Equivalent Circuit of Piezoelectric Diaphragms for Impedance-Based Structural Health Monitoring Applications," IEEE Sensors Journal, Vol. 17, No. 17, pp. 5537-5546, Sep. 2017.

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X. D. Do, H. H. Nguyen, S. K. Han, D. S. Ha, and S. G. Lee, "A Self-Powered High-Efficiency Rectifier With Automatic Resetting of Transducer Capacitance in Piezoelectric Energy Harvesting Systems," IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, Vol. 23, No. 3, pp. 444-453, Mar. 2015.

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L. Wu, X, D. Do, S. G. Lee, and D. S. Ha, "A Self-Powered and Optimal SSHI Circuit Integrated With an Active Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 64, No. 3, pp. 537-549, Oct. 2017.

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L. Wu, X, D. Do, S. G. Lee, and D. S. Ha, "A Self-Powered and Optimal SSHI Circuit Integrated With an Active Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 64, No. 3, pp. 537-549, Oct. 2017.

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B. J. Kang, G. Y. Jeon, J. H. Ryu, Y. K. Seo, W. H. Hong, "Research on the Electricity Accumulation by Piezoelectric Energy Harvesting System in Different Installation in Building," Transaction on Architectural Institute of Korea, Vol. 30, No. 7. pp. 221-228, Jul. 2014.
Y. C. Shu and I. C. Lien, "Analysis of power output for piezoelectric energy harvesting systems", Smart Materials and Structures, Vol. 15, No. 6, pp. 1499-1512. Sep. 2006.

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E. Lefeuvre, A. Bader, C. Richard, and D. Guyomar, "Piezoelectric Energy Harvesting Device Optimization by Synchronous Electric Charge Extraction", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 16, No. 10, pp. 865-876, Oct. 2005.

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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].

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