[논문]비공진 압전 에너지 하베스팅 기술을 활용한 산업용 사물인터넷 기반 자가발전 센서 모니터링 시스템

조재용

문제 정의

주파수 환경은 네 가지 조건(단일 주파수, 여러 주파수, 랜덤 주파수 및 간헐적 주파수)으로구분되었다. 단일 주파수 환경에서는 스마트 공장 내의 컨베이어 벨트가 실험 환경으로 제시되었고, 전형적인 압전 소자의 공진 주파수보다 훨씬 낮은 RPM 조건에서 자석을 활용하여 이를 극복하기 위한 연구가 수행되었다. 여러 주파수 환경에서는 스마트 팩토리나 건물에 위치한 수도관을 실험 환경으로 제시되었으며, 압전 에너지 하베스터는 부족한 전력을 전자기 유도 하베스터와의 하이브리드 시스템을 통해 극복할 수 있으며 그 자체로써 누수 센서로 사용이 가능함이 제시되었다.
z 축 진동은 다른 진동 (X, y 축)보다 훨씬 많으며 z 축 진동에 따르면 진동 가속이저주파수 대 역(3-6 Hz)에서 가장 높은 값이다. 랜덤 주파수환경 및 열차의 저진동화로 인한 문제를 극복하기 위해 관성모멘트 에너지를 수확할 수 있는 진자 시스템을 제안하였다. (그림 9(b))
본 논문에서는 산업 내 다양한 유형의 주파수 환경(단일 주파수, 여러 주파수, 랜덤 주파수 및 간헐적 주파수에 최적화된 압전 에너지 하베스터 연구가 실시되었다. 실제 IIoT 환경에압전 에너지 하베스터를 적용하는 데 필수적인 에너지 하베스팅 회로에 대한 연구가 수행되었다.
본 연구에서는 다양한 주파수 환경에 최적화된 압전 에너지하베스터 연구를 통해 실제 산업 현장에 적합한 에너지 하베스터를 제시한다. 각 주파수 환경이 실제로 발생하는 산업 현장(스마트 팩토리 등)을 실험 환경으로 제시함으로써 실제 적용이 가능하도록 구성하였다.
실제 IIoT 환경에 압전 에너지 하베스터를 적용하는데 필수적인 에너지 하베스팅 회로에 대한 연구를 진행하였다. 우선, 최대 전력을 전달하기 위해 압전등가회로 및 임피던스 매칭 연구가 수행되었다.
2개의 에너지 하베스터 (압전 및 전자기)는 에너지원(수도)에서 운동 에너지를 사용하여 전기 에너지를 생성하였고 생성된 전기 에너지는 수도미터와 누수 감지기를 별도로 작동하는 데 사용되었다. 최종적으로 외부 에너지원 없이 자체 전력 스마트 수도 미터 시스템 구축을목표로 하였다.

제안 방법

제시한다. 각 주파수 환경이 실제로 발생하는 산업 현장(스마트 팩토리 등)을 실험 환경으로 제시함으로써 실제 적용이 가능하도록 구성하였다.
간헐 주파수 환경으로써 압전 기반 무선 스위치 실험을 진행하였다. 일반적으로, 압전 에너지 하베스터는 공명을 발생시키기 위해 캔틸레버 형태로 요구되는 높은 수직 변위로 인해 많은 양을 필요로 한다.
개발된 하베스터를 실제 도로에 적용하여 IIoT 플랫폼을 구축하는 연구가 수행되었다. 겨울철 도로표면의 결빙구간으로 인해 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위하여 압전 에너지 하베스터와 무선 온도 센서를 이용한 도로표면의 온도 모니터링 시스템이 제안되었다. 이를 통해 차량운전자가 미리 도로 표면의 결빙 상태를 무선통신을 통해 전달받음으로써 미끄러짐으로 인한 사고를 방지하는 솔루션으로 활용이 가능하다.
공진 주파수에 의존하는 일반적인 에너지 하베스터로 자석과 블레이드 구조를 활용하여 풍력 에너지를 하베스팅하는 압전에너지 하베스터를 제안하였다. 압전 하베스터는 공진 주파수 환경에서 가장 높은 전력을 생성한다.
14mA 였다. 따라서 공진에 영향받지 않는 전자기와 압전의 하이브리드를 통해 다 주파수를 극복할 수 있는 시스템을 구축하였다.
그러나 실제 현장 작동 주파수 환경은 약 1H立로 실제 압전 장치의 공진 주파수 대 역보다 훨씬 낮다. 따라서 저 Hz환경에 작동하며 속도 측정이 가능하도록 자석을 활용한 단일주파수 타입 에너지 하베스터를 제안하였다. 그림 4는 코어 벨트에 적용된 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 보여준다.
무선 원격 스위치 데이터를 수집하기 위해 상용화된 에너지를 고려하여 스위치의 입력 범위를 5-8N으로 설정하였다. 무선 스위치의 볼륨을 최소화하기 위해 표면에 수직으로 1mm 변위 제한을 설정했다. 주파수변환의 우수성을 검증하기 위해 5가지 유형 의 압전 모델을 설계 했다.
압전 모델을 설계하기 전에 스위치 버튼을 눌렀을 때 적용되는 압력에 대한 데이터를 얻었다. 무선 원격 스위치 데이터를 수집하기 위해 상용화된 에너지를 고려하여 스위치의 입력 범위를 5-8N으로 설정하였다. 무선 스위치의 볼륨을 최소화하기 위해 표면에 수직으로 1mm 변위 제한을 설정했다.
실험 설정에는 에너지 수확 부분, 외부 하중 부분 및 측정 부분의 세 부분으로 구성하였다. 그림 10(b)는 두 진자 방향(X 방향 및 Y 방향)을 가진 두 가지 다른 자기력(인력 및 척력)의 네 가지 모델에 따른 시스템의 전력 밀도를 보여준다.
우선도로의 간헐적인 주파수 환경을 고려하여 변위 에 의존적 인 양단고정형 압전 에너지 하베스터를 개발하였고 이를 실제 도로에 매설하여 도로 데이터 수집 및 분석 연구를 진행하였다. 그 결과, 그림 18에서처럼 압전 하베스터의 전압 출력 형태를 통해 시간별, 일별, 월별 차량 대수 파악이 가능하였고 더 나아가서 발생한 전압에 따른 차종을 유추할 수 있어 도로 데이터수집 및 분석 시스템 구축을 성공적으로 완료하였다.
그림 7(b)에는 오실로스코프, 가변저항기, 워터 펌프, 유속 측정기가 실험에 사용되었다. 워터 펌프는 집 또는 건물의 파이프 내부의 일반적인 유량인 lm/s, 15.26L/I&의 일정한 유량을 유지하도록 설정하였다.
컨베 이어 벨트에 부착된 자석 이 통과함에 따라, 압전 소자의 단부에 부착된 자석으로부터의 자력의 변화로 인해 에너지가 수확된다. 이 시스템에서, 압전 하베스터의 끝에 부착된 자석을 갖는 자성은 저주파 환경을 극복하기 위해 주파수보다 자기력에 더 큰 영향을 미치도록 설계하였다. 마지막으로, 제작된 에너지 하베스터 에서 생성된 전력으로 IIoT 플랫폼용 온도 센서 구동에 성공하였다.
무선 스위치의 볼륨을 최소화하기 위해 표면에 수직으로 1mm 변위 제한을 설정했다. 주파수변환의 우수성을 검증하기 위해 5가지 유형 의 압전 모델을 설계 했다.
최종 단계로, 개발된 하베스터, 설계된 회로를 실제 도로에 적용하여 IIoT 플랫폼을 구축하는 실증 연구를 수행하였다. 우선도로의 간헐적인 주파수 환경을 고려하여 변위 에 의존적 인 양단고정형 압전 에너지 하베스터를 개발하였고 이를 실제 도로에 매설하여 도로 데이터 수집 및 분석 연구를 진행하였다.
실제 상용 센서를 구동하기 위해 압전의 일반적 인 고전압 출력을 센서 의 정격전압에 맞게 변환하는 DC- DC 컨버터 연구가 수행되었다. 최종적으로, 무선 통신 인터페이스를 구축하는 연구를 수행하였다.
열차로 선정하여 실험을 진행하였다. 파동 분석기와 가속도계를 사용하여 ITX 열차의 진동 가속 데이터를 기록하였다. 그림 9(a)는 열차의 3축에 따른 진동 가속의 FFTCFast Fourier Transform) 결과를 보여준다.

대상 데이터

수도 파이프 환경이 선정되었다. 2개의 에너지 하베스터 (압전 및 전자기)는 에너지원(수도)에서 운동 에너지를 사용하여 전기 에너지를 생성하였고 생성된 전기 에너지는 수도미터와 누수 감지기를 별도로 작동하는 데 사용되었다. 최종적으로 외부 에너지원 없이 자체 전력 스마트 수도 미터 시스템 구축을목표로 하였다.
랜덤 주파수 환경으로는 철도차량, ITX(Intercity Train eXpiess)-청춘 열차로 선정하여 실험을 진행하였다. 파동 분석기와 가속도계를 사용하여 ITX 열차의 진동 가속 데이터를 기록하였다.
연구가 실시되었다. 주파수 환경은 네 가지 조건(단일 주파수, 여러 주파수, 랜덤 주파수 및 간헐적 주파수)으로구분되었다. 단일 주파수 환경에서는 스마트 공장 내의 컨베이어 벨트가 실험 환경으로 제시되었고, 전형적인 압전 소자의 공진 주파수보다 훨씬 낮은 RPM 조건에서 자석을 활용하여 이를 극복하기 위한 연구가 수행되었다.

성능/효과

5V 리튬 이온 배터 리 충전 회로를 시뮬레이션한 결과를 보여준다. DC-DC 컨버터 설계를 위해 MOSFET의 L 값과 듀티 비를 선택하고 듀티 비 에 따라 압전 모듈을 설계하고 마지막으로 압전 모듈과 기존 DC-DC 컨버터를 결합하여 최종 압전 에너지 하베스팅 회로를 얻을 수 있다. 그림 17에서처럼 설계된 컨버터를 통해 압전 에너지 하베스터로부터 2.
다시 말해, 누수로 인한 특정 임 계 유량과 rpm을 설정하면 적절한 압전 모듈을 설계하고 제작할 수 있다. 결과로부터, 4개의 자석을 사용하는 것이 가장 큰 변위를 산출함을 알 수 있다.
우선도로의 간헐적인 주파수 환경을 고려하여 변위 에 의존적 인 양단고정형 압전 에너지 하베스터를 개발하였고 이를 실제 도로에 매설하여 도로 데이터 수집 및 분석 연구를 진행하였다. 그 결과, 그림 18에서처럼 압전 하베스터의 전압 출력 형태를 통해 시간별, 일별, 월별 차량 대수 파악이 가능하였고 더 나아가서 발생한 전압에 따른 차종을 유추할 수 있어 도로 데이터수집 및 분석 시스템 구축을 성공적으로 완료하였다. 또한 이를 자율주행 시스템과 연계하여 위치 파악이 어려운 터널 등의 환경 에 차량의 위치 파악을 통한 운전 보조의 역할로 활용이 가능할 것으로 기대 된다.
Y 방향 모델은 X 방향 모델보다 전기 출력 이 높았다. 또한 Y-인력 모델은 X-인력 모델보다 평균 전력 밀도가 504% 높았으며, Y-척력 모델은 X-척력 모델보다 181% 더 높았다. 전체적으로, 인력의 경우가 척력의 경우보다 높은 전기 출력을 냈고 Y-인력 모델은 Y-반발 모델보다 328% 높았으며 X-인력 모델은 X-반발 모델보다 평균 전력 밀도가 117% 더 높았다.
샤프트에 고정된 자석의 위치는 압전 바디의 자유단부에 고정된 자석으로 인한 자력 변화로 인해 종래의 외팔보형 압전 바디의 움직임을 증폭시키도록 변경되었다. 실험 결과, 주파수가 다양한 실제 산업환경에는 적용하기 어 렵다는 것이 파악되었다. 따라서 이 러한 다양한 주파수 환경을 고려한 최적화된 에너지 하베스터의 개발 필요성이 대두되었다.
단일 주파수 환경에서는 스마트 공장 내의 컨베이어 벨트가 실험 환경으로 제시되었고, 전형적인 압전 소자의 공진 주파수보다 훨씬 낮은 RPM 조건에서 자석을 활용하여 이를 극복하기 위한 연구가 수행되었다. 여러 주파수 환경에서는 스마트 팩토리나 건물에 위치한 수도관을 실험 환경으로 제시되었으며, 압전 에너지 하베스터는 부족한 전력을 전자기 유도 하베스터와의 하이브리드 시스템을 통해 극복할 수 있으며 그 자체로써 누수 센서로 사용이 가능함이 제시되었다. 랜덤 주파수 환경을 극복하기 위해서는 철도차량의 실험 환경 에서 많이 존재하는 관성 모멘트를 자석 진자 구조를 통해 에너지화하는 압전 에너지 하베스터가 개발되었다.
또한 Y-인력 모델은 X-인력 모델보다 평균 전력 밀도가 504% 높았으며, Y-척력 모델은 X-척력 모델보다 181% 더 높았다. 전체적으로, 인력의 경우가 척력의 경우보다 높은 전기 출력을 냈고 Y-인력 모델은 Y-반발 모델보다 328% 높았으며 X-인력 모델은 X-반발 모델보다 평균 전력 밀도가 117% 더 높았다.
이 한계를 극복하기 위해 트리거 구조를 사용하여 압전 소재의 양을 최소화하기 위해 발생주파수 변환 개념이 제안되었다. 주파수 증가, 변위 감소를 유도하여 결과적으로 전체 볼륨을 작게 만드는 것이 가능하다. 압전 모델을 설계하기 전에 스위치 버튼을 눌렀을 때 적용되는 압력에 대한 데이터를 얻었다.

후속연구

그 결과, 그림 18에서처럼 압전 하베스터의 전압 출력 형태를 통해 시간별, 일별, 월별 차량 대수 파악이 가능하였고 더 나아가서 발생한 전압에 따른 차종을 유추할 수 있어 도로 데이터수집 및 분석 시스템 구축을 성공적으로 완료하였다. 또한 이를 자율주행 시스템과 연계하여 위치 파악이 어려운 터널 등의 환경 에 차량의 위치 파악을 통한 운전 보조의 역할로 활용이 가능할 것으로 기대 된다. 실제 산업 현장 중 하나인 실제 도로에 압전 에너지 하베스터를 통한 IIoT 기반 자가동력형 센서 모니터링 시스템을 구축하였다는 점에서 그 의의를 갖는다.

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