최근 에너지 수요 증가에 따라 안전하고 지속적인 에너지 공급 체계에 대한 관심 및 필요성이 증가하고 있다. 즉, 화석에너지 사용에 따른 환경파괴 및 지구 온난화 가속으로 온실가스 문제가 심각하여 기존의 에너지원을 대체할 수 있는 다양한 에너지원이 필요하며, 미래 산업사회 패러다임은 저효율 화석연료 중심의 구조에서 고효율, 친환경 에너지 산업으로의 전환이 요구된다. 가장 대표적인 신재생에너지인 태양광발전의 경우 그리드 패리티를 달성하는 등 확대·보급이 지속적으로 증가하고 있으나 시간적·공간적 제약으로 인하여 확대 및 보급에 한계가 있다. 따라서, 이러한 기존 신재생에너지의 한계를 극복하기 위하여 시간적·공간적 제약이 적고 날씨의 영향을 적게 받는 새롭고 지속 가능한 제3의 발전 기술이 필요한 실정이다.
이러한 제3의 발전 기술 중 압전에너지 하베스팅 기술은 자연 또는 주변 환경에서 버려지는 기계적 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 저장하는 독립 전원 기술로서 기존의 에너지원을 대체할 수 있는 친환경 발전기술이다. 더불어 제작비 및 유지비가 상대적으로 저렴하며 면적 대비 높은 발전 효율 특성으로 인해 소형화가 가능하고 시간적·공간적 제약이 적어 설치비용 회수 기간이 짧은 장점이 있다.
본 논문에서는 압전에너지 하베스팅 기술을 도로에 적용하기 위한 효율적 운영 방안에 대하여 연구하였다.
이를 위하여 먼저 압전소자의 특성을 분석하고 이를 바탕으로 압전소자의 정적모델 및 진동모델을 고찰하였다. 또한, 이러한 압전소자의 정적모델 및 진동모델을 전달함수 방법을 이용하여 전력 발생 동적모델을 도출함으로써 압전소자의 전력 발생 특성을 분석하였다.
다음으로 도로 내 사람이나 차량의 충격 및 진동에 의한 에너지 수집 및 활용을 목적으로 하는 kW급 매크로 압전에너지 하베스팅 모듈을 설계 및 제작하였다.
마지막으로 제작된 압전에너지 하베스팅 모듈을 이용하여 압전에너지 하베스팅 기술을 도로에 적용하기 위한 두 가지의 효율적 운영 방안을 도출하였다. 먼저 보행자용 전력변환장치를 설계 및 제작하고 성능 평가를 통하여 최적 동작 지점을 분석하였다. 이러한 최적 동작 지점 분석은 먼저 발전된 전력에 따라 변하게 되는 컨버터의 입력전압에 따른 효율과 입력 커패시터에 존재한 병렬저항 성분에 의한 에너지 손실을 분석하고, 최적 운전전압 분석과 최적 운전전압에 따른 동작 효율 분석을 통하여 수행하였다. 두 번째로 압전에너지 하베스팅 모듈의 도로 적용 시 에너지 효율 극대화를 위하여 상호 보완적인 역할을 수행하는 태양광발전을 압전에너지 하베스팅 모듈과 연계하기 위한 차량용 전력변환장치를 설계하고 효율적 운영을 위한 전력변환장치 운전방법을 개발하였다.