[국내논문]열전발전을 위한 DC-DC Converter의 입력측 전압·전류 센서없는 최대전력점 추적방식 Maximum Power Point Tracking Method Without Input side Voltage and current Sensor of DC-DC Converter for Thermoelectric Generation원문보기
최근, 화석연료 고갈과 온실 가스 배출에 대한 우려가 높아지면서 신·재생 에너지 기술에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 휴대용 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 수요가 증가하고 IT기기들이 소형화되면서 배터리의 크기, 사용시간 등의 한계를 극복하기 위한 기술로 에너지 하베스팅이 있다. 본 논문에서는 열전소자의 V-I 특성곡선과 내부저항을 분석하고, 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O제어방식은 열전소자의 전압, 전류를 측정하기 위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 경제적으로 비효율적이다. 따라서 본 논문에서는 출력전압 조절을 위한 센서1개만을 이용하여 MPP를 추적하는 새로운 MPPT제어방식을 제안한다. 제안하는 MPPT제어방식은 duty ratio와 부하의 출력전압의 관계를 이용하였으며, DC-DC Converter의 출력전압을 주기적으로 샘플링하여 duty ratio를 증가 또는 감소시켜 최적의 duty ratio를 찾아 MPP를 유지하도록 제어된다. DC-DC Converter는 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded boost-Buck Converter를 이용하여 회로도를 설계하였다. 제안된 MPPT 제어방식은 PSIM 시뮬레이션을 이용한 모의실험을 통하여 검증하였고, 그 결과 열전소자의 V-I 특성곡선으로부터 얻어지는 MPP에서 전압×전류 및 전력값(V=4.2V, I=2.5A, P=10.5W)과 일치함을 확인하였다.
최근, 화석연료 고갈과 온실 가스 배출에 대한 우려가 높아지면서 신·재생 에너지 기술에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 휴대용 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 수요가 증가하고 IT기기들이 소형화되면서 배터리의 크기, 사용시간 등의 한계를 극복하기 위한 기술로 에너지 하베스팅이 있다. 본 논문에서는 열전소자의 V-I 특성곡선과 내부저항을 분석하고, 기존의 MPPT제어방식을 비교하였다. P&O제어방식은 열전소자의 전압, 전류를 측정하기 위한 센서 2개를 사용해야하기 때문에 경제적으로 비효율적이다. 따라서 본 논문에서는 출력전압 조절을 위한 센서1개만을 이용하여 MPP를 추적하는 새로운 MPPT제어방식을 제안한다. 제안하는 MPPT제어방식은 duty ratio와 부하의 출력전압의 관계를 이용하였으며, DC-DC Converter의 출력전압을 주기적으로 샘플링하여 duty ratio를 증가 또는 감소시켜 최적의 duty ratio를 찾아 MPP를 유지하도록 제어된다. DC-DC Converter는 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded boost-Buck Converter를 이용하여 회로도를 설계하였다. 제안된 MPPT 제어방식은 PSIM 시뮬레이션을 이용한 모의실험을 통하여 검증하였고, 그 결과 열전소자의 V-I 특성곡선으로부터 얻어지는 MPP에서 전압×전류 및 전력값(V=4.2V, I=2.5A, P=10.5W)과 일치함을 확인하였다.
Recently, research on renewable energy technologies has come into the spotlight due to rising concerns over the depletion of fossil fuels and greenhouse gas emissions. Demand for portable electronic and wearable devices is increasing, and electronic devices are becoming smaller. Energy harvesting is...
Recently, research on renewable energy technologies has come into the spotlight due to rising concerns over the depletion of fossil fuels and greenhouse gas emissions. Demand for portable electronic and wearable devices is increasing, and electronic devices are becoming smaller. Energy harvesting is a technology for overcoming limitations such as battery size and usage time. In this paper, the V-I characteristic curve and internal resistance of thermal electric devices were analyzed, and MPPT control methods were compared. The Perturbation and Observation (P&O) control method is economically inefficient because two sensors are required to measure the voltage and current of a Thermoelectric Generator(TEG). Therefore, this paper proposes a new MPPT control method that tracks MPP using only one sensor for the regulation of the output voltage. The proposed MPPT control method uses the relationship between the output voltage of the load and the duty ratio. Control is done by periodically sampling the output voltage of the DC-DC converter to increase or decrease the duty ratio to find the optimal duty ratio and maintain the MPP. A DC-DC converter was designed using a cascaded boost-buck converter, which has a two-switch topology. The proposed MPPT control method was verified by simulations using PSIM, and the results show that a voltage, current, and power of V=4.2 V, I=2.5 A, and P=10.5 W were obtained at the MPP from the V-I characteristic curve of the TEG.
Recently, research on renewable energy technologies has come into the spotlight due to rising concerns over the depletion of fossil fuels and greenhouse gas emissions. Demand for portable electronic and wearable devices is increasing, and electronic devices are becoming smaller. Energy harvesting is a technology for overcoming limitations such as battery size and usage time. In this paper, the V-I characteristic curve and internal resistance of thermal electric devices were analyzed, and MPPT control methods were compared. The Perturbation and Observation (P&O) control method is economically inefficient because two sensors are required to measure the voltage and current of a Thermoelectric Generator(TEG). Therefore, this paper proposes a new MPPT control method that tracks MPP using only one sensor for the regulation of the output voltage. The proposed MPPT control method uses the relationship between the output voltage of the load and the duty ratio. Control is done by periodically sampling the output voltage of the DC-DC converter to increase or decrease the duty ratio to find the optimal duty ratio and maintain the MPP. A DC-DC converter was designed using a cascaded boost-buck converter, which has a two-switch topology. The proposed MPPT control method was verified by simulations using PSIM, and the results show that a voltage, current, and power of V=4.2 V, I=2.5 A, and P=10.5 W were obtained at the MPP from the V-I characteristic curve of the TEG.
기존의 에너지 하베스팅 시스템에서는 최대 가용 전력을 입력측의 에너지원으로부터 획득하기 위해 입력측에 적어도 1개 이상의 센서를 이용한 MPPT 알고리즘을 사용하여 구현하고 있다. 본 논문에는 경제성을 위해 DC-DC 컨버터의 입력측 센서가 없는 MPPT 제어 방식 제안한다. 이때 시스템제어의 용이성을 위해 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded Boost-Buck 컨버터를 이용하여 회로도를 구성하였다.
기존의 MPPT 제어 방식들은 입력 측에 센서가 적어도 하나 이상이 사용되어 경제적으로 비효율적인 특성을 가지고 있었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 본 논문에서는 입력 측에 센서없이 최대전력점을 추적하는 제어 방식을 제안하였으며, 이에 대한 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
⑴ 기존의 MPPT 제어방식을 모의실험하여 각각의 제어방식의 출력특성을 분석·확인하였다.
본 논문에는 경제성을 위해 DC-DC 컨버터의 입력측 센서가 없는 MPPT 제어 방식 제안한다. 이때 시스템제어의 용이성을 위해 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded Boost-Buck 컨버터를 이용하여 회로도를 구성하였다. 제안하는 MPPT 제어방식은 DC-DC Converter의 출력전압과 duty ratio, 그리고 이 때 열전소자에서 생성되는 전압·전류와의 관계를 이용하여 간단하게 구현하였다.
이때 시스템제어의 용이성을 위해 Two-Switch 토폴로지인 Cascaded Boost-Buck 컨버터를 이용하여 회로도를 구성하였다. 제안하는 MPPT 제어방식은 DC-DC Converter의 출력전압과 duty ratio, 그리고 이 때 열전소자에서 생성되는 전압·전류와의 관계를 이용하여 간단하게 구현하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 BMG6040으로 알려진 열전소자를 이용하였으며, Fig. 3과 같은 특성곡선을 보여준다.
성능/효과
⑵ 입력측에 전압·전류 센서를 사용하지 않고 최대 전력점을 추적하는 새로운 MPPT 제어방식을 제안하였고, 제안한 MPPT 제어방식이 적용된 회로도가 최대전력점을 정확하게 찾아가는 것을 확인하였다.
⑶ Two-Switch 토폴로지로 회로를 구현함으로써 One-Switch 토폴로지 시스템일 때 보다 시스템 전체를 제어의 용이성을 확인하였고, 출력전압 레귤레이션을 위한 기존의 출력 측 전압 센서만으로 MPPT 제어방식을 구현하였기 때문에 경제성측면에서도 효율적임을 확인하였다.
5A이다. 이와같은 결과로 1.1절에서 분석한 열전소자의 최대전력점과 이 때의 전압 및 전류값이 서로 일치하는 것이 확인된다.
후속연구
향후 본 논문에서 PSIM 시뮬레이션을 이용한 모의실험을 바탕으로 하드웨어 제작 후 제안된 MPPT 방식을 검증할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에너지 하베스팅이란?
이러한 문제점을 보완할 수 있는 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 에너지 하베스팅이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양과 바람과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용하는 기술로써, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 기술이다. 최근 휴대용 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 수요가 증가함에 따라 IT기기들이 소형 나노화되는 추세이며, 이에 따른 배터리의 크기, 사용시간 등의 한계를 극복하기 위한 기술로써 주목받고 있다.
열전효과의 종류에는 무엇이 있는가?
이러한 열에너지 하베스팅을 하기 위해서는 열전효과를 이용한 열전소자가 필요하다. 열전효과는 톰슨 효과, 펠티에 효과, 제베크 효과가 있으나 이중 제베크 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환한다. 이때 열전소자는 최대 가용 전력을 출력하는 MPP(Maximum Power Point)가 존재한다[2].
에너지 하베스팅이 주목 받는 이유는 무엇인가?
에너지 하베스팅이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양과 바람과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용하는 기술로써, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 기술이다. 최근 휴대용 전자기기 및 웨어러블 디바이스의 수요가 증가함에 따라 IT기기들이 소형 나노화되는 추세이며, 이에 따른 배터리의 크기, 사용시간 등의 한계를 극복하기 위한 기술로써 주목받고 있다.
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