표제지
논문요약
목차
약기호표 13
I. 서론 15
1. 연구 배경 및 동향 15
가. 배경 15
나. 에너지 하베스팅 기술 개요 17
다. 압전에너지 하베스팅 기술 25
2. 연구의 목적 35
3. 연구의 방법 및 범위 36
II. 압전소자의 전력 발생 특성 분석 37
1. 압전소자의 특성 37
가. 압전소자의 정의 37
나. 압전소자의 종류 37
다. 압전소자의 분극 과정 - 폴링현상 39
라. 압전소자의 구성 방정식과 계수 40
2. 압전소자의 모델 42
가. 압전소자의 정적모델 - Euler Bernoulli(오일러-베르누이)모델 42
나. 압전소자의 진동모델 - 캔틸레버 빔 모델 43
다. 압전소자 내부 회로의 전력 발생의 이론적 특성 46
라. 전달함수 방법을 이용한 전력 발생 동적모델 47
III. 도로용 압전에너지 하베스팅 모듈 설계 52
1. 압전에너지 하베스팅 모듈 설계 52
가. 압전소자의 모델선택 52
나. 압전에너지 하베스팅 모듈 설계 54
2. 압전에너지 하베스팅 모듈 기구부 설계 및 제작 57
IV. 압전에너지 하베스팅 모듈용 전력변환장치 설계 64
1. 보행자용 전력변환장치 설계 64
가. 시스템 구성 및 하드웨어 설계 64
나. 커패시터 분석 68
다. 전력변환장치 설계 69
라. 하드웨어 제작 및 성능 평가 73
2. 최적 동작 지점 분석 82
가. 설계 하드웨어 손실 분석 82
나. 최적 운전전압 분석 82
다. 최적 운전전압에 따른 동작 효율 85
3. 차량용 전력변환장치 설계 88
가. 전력변환장치 설계 88
나. 전력변환장치 운전방법 90
다. 시뮬레이션 결과 91
라. 실험 결과 93
V. 결론 98
참고문헌 100
Abstract 104
〈표 1-1〉 에너지 하베스터용 변환 기술 비교 18
〈표 1-2〉 다양한 진동에너지 변환 기술의 원리와 동작 구조 21
〈표 1-3〉 진동에너지 하베스팅 기술의 장단점 22
〈표 1-4〉 압전세라믹스의 다양한 응용 24
〈표 1-5〉 재료의 성질을 나타내는 각 결정구조의 결정족 25
〈표 1-6〉 다양한 압전 박막소재 물성 비교 29
〈표 1-7〉 MEMS 기반의 압전에너지 하베스팅 특성 비교 30
〈표 1-8〉 압전 소재의 압전 변위 상수 및 압전 전압 상수 31
〈표 1-9〉 다양한 형태의 에너지 하베스팅 기술의 특성 비교 32
〈표 2-1〉 압전소자의 소재에 따른 분류와 특징 38
〈표 2-2〉 압전소자모델의 경계조건 49
〈표 3-1〉 PZT와 PVDF의 비교 52
〈표 3-2〉 압전 소자의 재료 특성표 53
〈표 4-1〉 Boost 컨버터 세부사양 73
〈표 4-2〉 부품 list 75
〈표 4-3〉 입력전압 별 최저 커패시터 효율 86
〈표 4-4〉 태양광 모듈 사양 94
〈표 4-5〉 압전에너지 하베스팅 모듈 사양 94
〈표 4-6〉 벅-부스트 컨버터 사양 95
〈그림 1-1〉 에너지 패러다임의 변화 15
〈그림 1-2〉 제 3의 발전 기술 16
〈그림 1-3〉 압전 에너지 하베스팅 기술 16
〈그림 1-4〉 압전 에너지 하베스팅과 타 기술 비교 17
〈그림 2-1〉 Weiss(와이즈) 도메인에서 전기 쌍극자 39
〈그림 2-2〉 압전 유닛 셀 39
〈그림 2-3〉 d₃₁와 d₃₃ 모드 41
〈그림 2-4〉 강성가중치 중립축을 따라 설치된 유니모프형 압전체와 기판 42
〈그림 2-5〉 캔틸레버 빔 모델 44
〈그림 2-6〉 압전 발전기 회로 모델 46
〈그림 2-7〉 Power generation system(동력발전시스템)의 동적 모델 47
〈그림 2-8〉 자유물체도 48
〈그림 2-9〉 설계 변수 48
〈그림 3-1〉 상판 구조물 57
〈그림 3-2〉 하판 구조물 58
〈그림 3-3〉 압전소자 PCB 모듈 59
〈그림 3-4〉 외부 하우징 구조물 59
〈그림 3-5〉 매설형 압전에너지 하베스팅 모듈 조립공정도 60
〈그림 3-6〉 매설형 압전에너지 하베스팅 모듈 조립상태 60
〈그림 3-7〉 상판 구조물 제작 도면 60
〈그림 3-8〉 하판 구조물 제작 도면 61
〈그림 3-9〉 외부 하우징 제작 도면 61
〈그림 3-10〉 압전소자 PCB 모듈 회로도 62
〈그림 3-11〉 압전에너지 하베스팅 모듈 시제품 63
〈그림 4-1〉 시스템 구성도 64
〈그림 4-2〉 Boost 컨버터 동작 65
〈그림 4-3〉 압전소자에 의해 발전된 에너지 크기 66
〈그림 4-4〉 커패시터 등가 모델 67
〈그림 4-5〉 하루 중 보행자 수 69
〈그림 4-6〉 시간 변화에 따른 커패시터 저장 에너지 및 전압 69
〈그림 4-7〉 Boost 컨버터 저항 등가회로 71
〈그림 4-8〉 RC 방전 72
〈그림 4-9〉 Boost 컨버터 73
〈그림 4-10〉 입력전압에 따른 인덕터 전류 리플 크기 74
〈그림 4-11〉 Artwork 거버 이미지 76
〈그림 4-12〉 제작된 하드웨어 76
〈그림 4-13〉 시험 구성 1 76
〈그림 4-14〉 시험 구성 2 77
〈그림 4-15〉 입력 전압에 따른 출력 전압 77
〈그림 4-16〉 입력 전압 변동에 따른 출력 line regulation 78
〈그림 4-17〉 입력전압을 선형으로 변화시켰을 때 출력전압 regulation 79
〈그림 4-18〉 입력전압이 3[V]일 경우 동작 79
〈그림 4-19〉 입력전압이 6[V]일 경우 동작 80
〈그림 4-20〉 입력전압이 5[V] 경우 동작 80
〈그림 4-21〉 입력 전압을 연속적으로 변경 81
〈그림 4-22〉 제작 하드웨어 효율 83
〈그림 4-23〉 시간당 보행자에 따른 입력 커패시터 전압 및 손실 에너지 84
〈그림 4-24〉 하루 중 최적운전 보행자수 87
〈그림 4-25〉 제안한 운전기법에 따른 시스템 효율 87
〈그림 4-26〉 전력변환장치 89
〈그림 4-27〉 벅-부스트 컨버터 89
〈그림 4-28〉 전력변환장치 운전방법 90
〈그림 4-29〉 전력변환장치 운전방법 시뮬레이션 모델 91
〈그림 4-30〉 벅-부스트 컨버터 시뮬레이션 모델 92
〈그림 4-31〉 배터리 충전 모드 시뮬레이션 결과 92
〈그림 4-32〉 전력변환장치 운전방법 시뮬레이션 결과(단독 발전) 93
〈그림 4-33〉 전력변환장치 운전방법 시뮬레이션 결과(연계 발전) 93
〈그림 4-34〉 테스트 베드 94
〈그림 4-35〉 개발된 벅-부스트 컨버터의 실험결과 96
〈그림 4-36〉 개발된 전력변환장치 운전방법의 실험결과 97