보고서 정보
주관연구기관 |
경북대학교 KyungPook National University |
연구책임자 |
김철
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2013-04 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201300034360 |
과제고유번호 |
1345168481 |
DB 구축일자 |
2013-12-21
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키워드 |
에너지 하비스터,압전재료,발생 전압,외팔보의 진동,압전위상최적설계,유한요소해석,와류 진동,전기-변형 관계식Energy harvester,Piezoelectric material,Output voltage,Vibrating cantilever,Topology optimization,Finite element analysis,Vortex shedding,Electro-strain relation
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초록
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연구의 목적 및 내용
본 과제의 연구목표는 우선 에너지 하비스팅 시스템에 적합한 여러 압전재료에 대한 전기 기계적 특성을 평가하여 좋은 재료를 선정한다. 특히 MFC 등 압전폴리머 복합재료는 구성 방정식을 개발하여 에너지 회수시스템의 설계에 활용하고, 궁극적으로는 최적화된 형상의 압전재료가 부착된 에너지 하비스팅(harvesting) 시스템을 개발하고 제작하여 그 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하는 것이다. 이 때 가장 높은 전압을 발생시키는 형상을 찾기 위해서 압전재료 위상최적화 기법을 개발하고, 이를 사용하여 외부의 진동
연구의 목적 및 내용
본 과제의 연구목표는 우선 에너지 하비스팅 시스템에 적합한 여러 압전재료에 대한 전기 기계적 특성을 평가하여 좋은 재료를 선정한다. 특히 MFC 등 압전폴리머 복합재료는 구성 방정식을 개발하여 에너지 회수시스템의 설계에 활용하고, 궁극적으로는 최적화된 형상의 압전재료가 부착된 에너지 하비스팅(harvesting) 시스템을 개발하고 제작하여 그 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하는 것이다. 이 때 가장 높은 전압을 발생시키는 형상을 찾기 위해서 압전재료 위상최적화 기법을 개발하고, 이를 사용하여 외부의 진동으로 작동되는 소형(수 mm~cm) 외팔보형 에너지 하비스팅 시스템을 개발하는 것이다.
연구결과
PZT, PMN-PT, PVDF, MFC 등 압전재료의 비선형 전기-기계적 거동을 고려하여 수학적 위상최적화 알고리즘 및 code를 개발했고, 이를 외팔보 형태의 전기에너지 하비스터에 부착하여 구조해석을 할 수 있는 유한요소해석 기법과 연동시켜서 최대 전압량을 발생시키는 압전재료 별로 다양한 전기발생장치의 예비형상(위상)을 계산한 후, 발생전압을 수치적으로 계산하고 또한 전기 특성실험을 수행하여 최적 여부를 확인하였다. 또한 재료혼합 및 특수한 공정으로 최초로 제조된 압전폴리머 복합재료(PVDF, 폴리피롤 등)에 대해서 굽힘변형 특성에 영향을 미치는 섬유(fiber) 함량에 따른 전기-기계적 물성을 얻기 위한 시험을 수행하였고, PMN-PT fiber와 고분자로 구성된 압전복합재료의 기계적 물성치를 구하는 기법을 개발하였다. 운행 중인 차량이나 바람과 같은 자연적으로 발생하는 공기의 난류유동 속에서 Vortex Shedding 현상을 발생시켜 진동을 유발하여 전기를 생산할 수 있는 수 센티미터 스케일의 외팔보형 회수시스템을 개발했고, 이론적 CFD 및 구조 FEM 해석 기법을 개발했으며, 시간에 따라서 변동하는 유동속도에 따른 고유진동수와 전압 발생량과의 관계를 연구하였다. 또한 해석결과를 풍동실험을 통하여 얻은 결과와 비교하여 정확성을 입증하였다.
연구결과의 활용계획
전자제품에 필요한 대체 에너지원으로 소형화, 무선화, 고기능화가 필요한 다양한 분야, 즉 Wearable 컴퓨터, MP3, GSM, Bluetooth 등의 정보통신기기, Robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 Power Generation 용으로 활용가능하며, 환경문제를 해결할 수 있는 청정에너지일 뿐만 아니라 기존 이차전지, 연료전지를 대체 할 동력원으로 사용할 수 있다. 특히, 전기자동차의 보조 전기발생장치, 바람이 부는 교량위에 설치하면 가로등 전력원이 될 수 있고, 신발 바닥에 부착하면 통신기기의 전력원이 될 수 있다.
Abstract
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Purpose& contents
Good piezoelectric materials for energy harvesting are chosen on the basis of evaluating the electromechanical properties of several candidate materials. Especially, the detailed evaluating study is performed on electromechanical properties of piezocomposite materials consisting
Purpose& contents
Good piezoelectric materials for energy harvesting are chosen on the basis of evaluating the electromechanical properties of several candidate materials. Especially, the detailed evaluating study is performed on electromechanical properties of piezocomposite materials consisting of piezo-ceramic fibers and conductive polymer matrix. An efficient analysis method based on FEM and a topology optimization algorithm for piezoelectric materials was developed for the unimorph cantilevered energy harvesters which can produce the maximum electric power outputs. An piezoelectric cantilevered energy harvesting system is designed and fabricated for various experiments using the developed computer code.
Result
Conceptual designs and experimental studies on energy harvesters were performed based on a developed topology optimization code. A vibrating energy harvester consists of PZT, PMN-PT, MFC, piezocomposite or PVDF were developed and voltage outputs were calculated using FEM and topology optimization. The energy harvesters were topologically optimized to maximize the voltage outputs subjected to external excitations.
A new piezo-composite material consisting of carbon nanofiber and PPy were successfully fabricated by the electrophoretic and polymerization process newly developed from this research. Because the piezo-composite material had been fabricated for the first time, its electro-mechanical properties were obtained by mechanical and electrical tests. An efficient method to calculate material properties were developed for the piezo-composite material made from PMN-PT fiber and polymer
A cantilevered piezoelectric energy harvester which vibrates in the region of vortex shedding was designed and analyzed electro-mechanically. CFD analysis was performed to obtain vortex shedding frequency around various shapes of bodies placed in an air stream. The analysis results were compared with those from a wind tunnel test.
Expected Contribution
The results from this research can be applicable for main or subsequent power sources for various industrial applications such as wearable computers, MEMS, cars, airplanes, etc. For examples, a harvester can be used for a power source of cell phones in the form of a shoe insole. In additions, it can be used for a sub-power source for electric cars and streetlights on many bridges in winds.
목차 Contents
- 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 85
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 87
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 87
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 87
- 8. 참고문헌 ... 88
- 9. 연구성과 ... 89
- 10. 기타사항 ... 94
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