[논문]와류를 이용한 압전 에너지 수확 회로의 전력 분석

박건민; 이종현; 조치영

doi:10.7776/ask.2019.38.2.222

와류를 이용한 압전 에너지 수확 회로의 전력 분석
Electrical power analysis of piezoelectric energy harvesting circuit using vortex current 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.2, 2019년, pp.222 - 230

박건민 (제주대학교 해양시스템공학과) , 이종현 (제주대학교 해양시스템공학과) , 조치영 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 유체의 와류 현상을 이용한 에너지 하베스팅 회로의 전력을 분석하였다. 와류를 전기 에너지로 바꾸기 위한 소자로 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전 센서를 사용하였으며, 전력 분석을 위해 잘 알려진 브리지 다이오드 정류 회로와 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 다이오드 정류회로 입력단에 병렬 동기 스위치 회로를 접목한 P-SSHI(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 정류 회로를 사용하였다. 다이오드 및 P-SSHI 정류 회로의 출력 전력은 이론을 통해 분석하였고 실험을 통해 검증하였다. 공기에 의한 와류를 이용한 실험을 통해 P-SSHI 정류 회로의 전력효율이 69 % 증가됨을 확인하였다. 또한 수확된 와류 에너지를 슈퍼 커패시터에 저장하는 회로를 구현하여 2차 전지로써 활용이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the power of the energy harvesting circuit using the PVDF (Polyvinylidene fluoride) piezoelectric sensor transformed by vortex was analyzed. For power analysis, a general bridge diode rectifier circuit and a P-SSHI (Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor) rectifier circuit with a switching circuit were used. The P-SSHI circuit is a circuit that incorporates a parallel synchronous switch circuit at the input of a general rectifier circuit to improve energy conversion efficiency. In this paper, the output power of general rectifier circuit and P-SSHI rectifier circuit is analyzed and verified through theory and experiment. It was confirmed that the efficiency was increased by 69 % through the experiment using the wind. In addition, a circuit for storing the harvested energy in the supercapacitor was implemented to confirm its applicability as a secondary battery.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 3. Block diagram of piezoelectric energy harvesting circuit.
그림 Fig. 1. (a) Fluid flow visualization by vortex, (b) vibration of piezoelectric sensor by vortex.
그림 Fig. 2. PVDF piezoelectric sensor.
그림 Fig. 4. (a) General energy harvesting circuit, (b) output voltage waveform of piezoelectric sensor.
그림 Fig. 5. (a) P-SSHI energy harvesting circuit, (b) output voltage waveform of piezoelectric sensor.
그림 Fig. 6. Energy storage circuit model of supercapacitor.
그림 Fig. 7. PSPICE simulation of P-SSHI circuit (a) P-SSHI circuit and, (b) output voltage waveform of piezoelectric sensor.
그림 Fig. 9.Output power of harvest circuit by load resistance.
그림 Fig. 10. Output power of rectifier circuit by vibration frequency.
그림 Fig. 8. (a) Experiment set up, (b) output voltage waveform of piezoelectric sensor.
표 Table 1. Parameters of each variable applied to the simulation.
그림 Fig. 11. Output power of rectifier circuit by displacement of piezoelectric sensor.
그림 Fig. 12. Output power of rectifier circuit by capacitance of piezoelectric sensor.
그림 Fig. 13. Output power of P-SSHI rectifier circuit by Q factor of switching circuit.
그림 Fig. 14. Experiment setup.
그림 Fig. 15.Output voltage of harvest circuit by load resistance.
그림 Fig. 16. Output power of harvest circuit by load resistance.
그림 Fig. 17. Energy storage circuit design of supercapacitor.
그림 Fig. 18. Output voltage waveform of supercapacitor.
그림 Fig. 19. Output current waveform after charging of supercapacitor.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 본 논문에서는 생성된 압전 에너지를 저장하는 저장회로를 구현하였다. 구현된 저장회로는 충전 및 방전 횟수가 거의 무한대로 반영구적인 수명과 짧은 충방전 시간으로 인한 높은 출력 밀도가 장점인 슈퍼커패시터에 기반한 에너지저장장치를 구현 하였다.
본 논문은 바람의 와류현상에 의한 압전 센서 진동을 활용하여 에너지 하베스팅 회로의 전력을 이론적으로 분석하고 실험을 통해 검증했다. 고려된 일반적인 정류회로와 SSHI를 병렬로 연결한 정류회로를 비교한 결과 P-SSHI 정류회로의 전력이 1.
이에 반해 본 논문은 유체의 움직임 특히 유체에 의해 발생되는 와류를 이용하는 에너지 하베스팅 회로에 관한 것이다. 와류 현상은 유체의 이동이 장애물에 의해 방해를 받게 되면 장애물 뒷부분에 입자들의 회절로 인해 소용돌이가 발생되는 현상이다.

제안 방법

또한 본 논문에서는 생성된 압전 에너지를 저장하는 저장회로를 구현하였다. 구현된 저장회로는 충전 및 방전 횟수가 거의 무한대로 반영구적인 수명과 짧은 충방전 시간으로 인한 높은 출력 밀도가 장점인 슈퍼커패시터에 기반한 에너지저장장치를 구현 하였다. 회로에 사용된 슈퍼커패시터는 두 장의 분극전극을 배치하여 비교적 제조가 용이하고 저비용으로 제작이 가능한 EDLC(Electrical Double Layer Capacitor)를 사용했다.
와류 에너지 하베스팅 소자인 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전 센서를 이용한 전파정류회로 및 P-SSHI(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 정류 회로 모델을 소개하고 두 회로의 전력을 이론적으로 분석한다. 그리고 분석된 두 정류회로의 전력을 실험을 통해 검증한다. 끝으로 수확된 에너지를 슈퍼커패시터에 저장한 후 출력되는 전력을 분석한다.
그리고 분석된 두 정류회로의 전력을 실험을 통해 검증한다. 끝으로 수확된 에너지를 슈퍼커패시터에 저장한 후 출력되는 전력을 분석한다.
끝으로 정류회로를 거쳐 수확된 에너지 저장회로는 Fig. 6과 같이 슈퍼커패시터와 저항으로 구성된 RC회로로 구현하였다. 이때 각 RC회로의 시상수는 다음과 같은 조건으로 설계하였다.
14와 같이 실험을 하였다. 다양한 부하 저항에 따른 전압을 측정하여 전력을 계산하였다.
두 종류의 정류회로의 전력 특성을 분석하기 위한 사전 모의실험을 진행하였다. 우선 P-SSHI 정류회로의 반전계수(λ)를 구하기 위한 PSPICE를 통하여 모의실험을 Fig.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 와류 에너지 하베스팅 소자인 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 압전 센서를 이용한 전파정류회로 및 P-SSHI(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 정류 회로 모델을 소개하고 두 회로의 전력을 이론적으로 분석한다. 그리고 분석된 두 정류회로의 전력을 실험을 통해 검증한다.
13은 스위칭 회로의 전기적 Q인자(Q_i)에 따른 정류 회로의 출력 전력 변화를 분석하였다. 일반 정류 회로에서는 스위칭 회로가 포함되어 있지 않기 때문에 P-SSHI 정류 회로에 대해 모의 실험을 진행 하였다. Q인자가 증가하면 반전계수(λ)는 Eq.
전술한 이론적인 전력 분석 결과를 검증하기 위하여 Fig. 8과 동일한 세기의 선풍기 바람을 이용하여 공기 흐름을 발생하여 PVDF 압전 센서로부터 생성되는 전력을 측정하였다. 따라서 진동 주파수는 2 Hz 이고, 압전 센서의 진폭 변위는 1.
PVDF를 바람의 와류현상에 의한 진동은 앞서 에너지 하베스팅 회로 실험의 방법과 동일하게 진행하였다. 전압은 Labview의 DAQ(Data Acquisition)를 활용하여 데이터를 수집하였고 전류는 슈퍼커패시터가 완충된 이후 전류계측기를 통하여 측정하였다. 측정된 에너지 저장회로의 출력 전압은 Fig.
첫 번째 단에서는0.6Ω(Ri)과 10F(Ci)을 직렬 연결하여 시상수(τi)는 6s, 두 번째 단은 62Ω(Rd)과 1 F(Cd)을 직렬 연결하여 시상수(τd)는 62s, 세 번째 단은 124Ω(Ri)과 10 F(Cl) 을 직렬 연결하여 시상수(τl)는 1240s가 되도록 에너지 저장 회로를 Fig. 17과 같이 구현하였다.

대상 데이터

PVDF는 PZT에 비해 낮은 압전 효율을 내포하지만 유연성이 뛰어난 장점이 있다. 따라서 본 논문은 Fig. 2와 같이 외력이 작은 환경적 요인인 와류에서 작동이 용이한 PVDF 센서를 사용하였다.
10은 와류에 의해 압전 센서의 변형 주파수에 따른 각 정류 회로의 출력 전력 변화를 보여준다. 사용된 주파수의 범위는 와류의 진동 주파수 대역인 1Hz ~ 5 Hz로 설정하였다.
구현된 저장회로는 충전 및 방전 횟수가 거의 무한대로 반영구적인 수명과 짧은 충방전 시간으로 인한 높은 출력 밀도가 장점인 슈퍼커패시터에 기반한 에너지저장장치를 구현 하였다. 회로에 사용된 슈퍼커패시터는 두 장의 분극전극을 배치하여 비교적 제조가 용이하고 저비용으로 제작이 가능한 EDLC(Electrical Double Layer Capacitor)를 사용했다.

성능/효과

본 논문은 바람의 와류현상에 의한 압전 센서 진동을 활용하여 에너지 하베스팅 회로의 전력을 이론적으로 분석하고 실험을 통해 검증했다. 고려된 일반적인 정류회로와 SSHI를 병렬로 연결한 정류회로를 비교한 결과 P-SSHI 정류회로의 전력이 1.81배 증 가되며, 실험을 통해 전력 효율이 1.69배 증가됨을 확인하였다. 또한 슈퍼커패시터를 이용한 저장하는 회로를 구현하여 안정적으로 14.
또한 Pstandard와 PP-SSHI를 비교하였 을 때 전체적으로 P-SSHI 정류 회로가 1.82배 더 높은 전력을 출력하는 것을 알 수 있다.
또한 Pstandard와 PP-SSHI를 비교하였을 때 전체적으로 P-SSHI 정류 회로가 1.84배 더 높은 전력을 출력하는 것을 알 수 있다.
또한 Pstandard와 PP-SSHI를 비교하였을 때 전체적으로 P-SSHI 정류 회로가 1.8배 더 높은 전력을 출력하는 것을 알 수 있다.
69배 증가됨을 확인하였다. 또한 슈퍼커패시터를 이용한 저장하는 회로를 구현하여 안정적으로 14.25 uW 전력을 공급할 수 있어 저장회로를 통해 nW급의 출력 전력을 uW 급으로 공급할 수 있어 2차 전지로써 활용이 가능함을 확인하였다.
최대 시상수(τl) 1240s에 의해 슈퍼커패시터가 충전 될 때 까지 1100s 걸렸으며 전압은 2.5 V로 충전된 이후 방전으로 인해 서서히 전압이 감소하는 추세를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅 회로는 와류 현상의 어떤 점을 이용하는가?	와류 현상은 유체의 이동이 장애물에 의해 방해를 받게 되면 장애물 뒷부분에 입자들의 회절로 인해 소용돌이가 발생되는 현상이다. 유연한 압전소자를 유체의 흐름 속에 위치시키면, 와류에 의해 압전소자의 변위가 발생하게 되고 그 결과 전기 에너지가 발생하게 된다. 생성되는 전기 에너지는 와류의 특성에 따라 달라지며, 이에 대한 압전 센서의 진폭 변위와 주파수에 대한 선행 연구가 진행되어 왔다.
	와류 현상은 무엇인가?	이에 반해 본 논문은 유체의 움직임 특히 유체에 의해 발생되는 와류를 이용하는 에너지 하베스팅 회로에 관한 것이다. 와류 현상은 유체의 이동이 장애물에 의해 방해를 받게 되면 장애물 뒷부분에 입자들의 회절로 인해 소용돌이가 발생되는 현상이다. 유연한 압전소자를 유체의 흐름 속에 위치시키면, 와류에 의해 압전소자의 변위가 발생하게 되고 그 결과 전기 에너지가 발생하게 된다.
	전파정류회로의 전력 효율 성능이 좋지 않은 이유는 무엇인가?	압전 에너지 소자로부터 발생되는 교류 신호를 직류 신호로 바꾸는데 사용되는 대표적인 회로인 정류회로는 4개의 다이오드를 연결한 전파정류회로이다. 전파정류회로는 다이오드의 순방향 전압강하로 전력 손실이 발생해서 전력효율 성능이 좋지 않아, 이를 개선하기 위한 다양한 회로 연구들이 수행되어 왔다. 대표적인 정류 회로로는 동기 정류 방식,[1,2] 능동 소자 기반 회로,[3] 자체 리셋 기반 회로,[4] 자려 부스터 기반 회로[5] 등이 존재한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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L. Zubieta and R. Bonert, "Characterization of doublelayer capacitors for power electronics applications," IEEE Transactions on Industry Applications, 36, 199-205 (2000).

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저자의 다른 논문 :

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].

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