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Untitled Prezi

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by

종수 백

on 27 June 2013

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압전소자를 이용한
Energy Harvesting

압전기란 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하가 나타나는 현상인데 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie) 형제가 처음 발견하였다. 이후 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대된다는 것이 알려졌다.

이러한 현상을 역으로 이용하여 진동을 만들어 낼 수 있게 되었다. 압전소자에 전기를 가하면 진동이 생기는 현상도 발견한 것이다.

또 결정판에는 고유의 진동이 있고 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전기와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다는 사실도 발견되었다. 그리고 이들 현상을 이용하는 여러 가지 발명이 뒤따랐다.

최근에는 압전소자의 에너지 생성 효율을 높이기 위해서 위 그림과 같은 외팔보 형태의 발전소자가 많이 쓰인다.
Theory of Background
연구결과
실험 과정 및 방법
차례
Ⅰ. 연구의 필요성 및 목적
1. 필요성
2. 목적

Ⅱ. 연구기간 : 2013. 3. 4. ~ 2013. 6. 14

Ⅲ. 이론적 배경(기존 연구사례 및 문헌연구결과)
연구사례
PSPICE

Ⅳ. 연구방법 및 과정

1.---------------------------------------------

2.---------------------------------------------

3.---------------------------------------------

4.---------------------------------------------

Ⅴ. 연구결과

Ⅵ. 결론 및 제언

Ⅶ. 참고문헌 및 관련사이트
필요성
화석연료의 고갈과 이로 인한 에너지 가격 상승, 특히 화석연료의 온실가스 배출로 인한 환경문제는 하루가 다르게 심각성을 더해간다. 에너지 소비의 97%를 해외에 의존하는 우리에게 이 문제는 더 절실하다. 동시에 새로운 청정에너지 확보가 국가적 화두로 부상했다.

국내 에너지생산량 중 신ㆍ재생에너지는 약 1~2%를 차지하며, 그림.1과 같이 점점 그 비율이 높아질 것이라 예상된다.

하지만 대표적인 신ㆍ재생에너지원인 태양열이나 풍력은 발전을 위해 집열판이나 풍력발전기를 설치하기 위한 넓은 공간을 필요로 하므로 국내 실정에 알맞지 않다. 따라서 국토의 효율적 이용과 신ㆍ재생에너지 생산을 동시에 만족시킬 수 있는 압전소자에 관한 연구가 필요하다.
목적
가. 이 연구논문에서는 압전소자에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 회로 중 Bridge Diode를 구성하고 회로의 효율성을 높인다.

나. 실생활에 직접 적용가능 할 수 있도록 연구하고 적용시켜 그 결과를 연구한다.
-경원대학교는 ‘압전소자를 이용한 판넬형 자가발전 시스템 개발’이라는 과제를 통하여 발전 시스템 기술에 관하여 연구하였다. 이 연구는 보행자의 하중압력을 전력으로 변환하기 위한 압전소재(PZT)사용 판넬형 자가발전시스템을 연구 개발하는 것이다.
-명지대학교는 ‘압전소자를 이용한 에너지 포집 시스템의 토목구조물 적용을 위한 기초 연구’라는 과제를 통하여 토목구조물에 압전소자를 적용시키기 위한 연구를 진행하였다.
-연세대학교는 ‘교량시스템에서 압전소자를 이용한 Energy Harvesting 전력용량 평가’라는 과제를 통하여 압전소자의 전력용량에 관한 연구를 진행하였다.
연구동향
하나의 압전소자가 생산할 수 있는 전력은 현재 mW 수준으로 저전력을 필요로 하는 시스템에서 주로 쓰이도 있다. 따라서 보다 많은 량의 전력을 수집하여 사용하기 위해서는 많은 수의 압전소자들이 설치 되어야 한다. 이를 위해서는 각각 소자의 전력을 모으기 위한 많은 수의 전력배선이 필요하며 효율적인 망의 구성이 필요할 것으로 예상된다.
연구사례
Fig.1은 에너지 하베스팅 시스템의 개략적인 구조를 보여준다. 압전소자는 진동 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는데 이 에너지는 교류 전압으로 bridge rectifier 와 콘데서 CR을 이용하여 직류로 변환한 후에 배터리를 충전시키는 시스템이다.




Fig.3은 브릿지 정류회로의 그림으로 전압의 변동을 줄이기 위해 케페시터를 사용하였다. Fig.1의 압전소자와 DC-DC power converter 사이의 부분이 Fig.3의 브릿지 정류회로 부분이다. 정류회로를 거친 전압은 DC-DC 컨버터를 거치면서 배터리 충전에 적절한 전압으로 승압 혹은 감압된다.
적용사례
-NASA가 연구한 압전소자 발전기를 적용시킨 신발(연구)
-일본의 도쿄역 바닥에 깔려있는 압전소자 발전기
-클럽의 바닥에 설치해놓은 압전소자 발전기
-놀이터의 회전에너지를 이용한 에너지 하베스팅
-전화나 라디오의 스피커
-초음파 탐지기,수정시계의 진동자
-방송기기,원거리 통신회로
-압전소자를 이용한 침수감지센서(특허)
압전기란?
사용될
소자
캐패시터
브릿지 다이오드 회로에서 캐패시터의 용량은 클수록 안정적인 전압을 공급한다. 반대로, 공급 될 전압에 비해 큰 용량을 사용하게 되면 용량의 크기만큼 전기를 손실하게 된다. 압전소자와 같은 경우 저전압을 공급하므로 충전에 delay가 발생한다.
축전기에 직류전압을 가하면 전하가 완전히 충전될 때까지 아주 짧은 시간동안 전류가 흐르고 더이상 전류가 흐르지 않는다.
교류전압을 가하면 전하는 충전·방전되면서 전류가 흐르며 축전기는 일종의 저항 역할을 한다.
이 연구에서 사용되는 세라믹 캐패시터의 종류는 105, 103, 471 이 세가지이다. 캐패시터에 쓰여져있는 숫자는 캐패시터의 용량을 나타낸다.
세라믹 캐패시터는 매우 작은 용량을 가지고 있기 때문에 전하를 축적하기에는 적합하지 않다. 전해 캐패시터의 용량은 보통 10㎌이 넘기 때문에 세라믹 캐패시터보다 100배 이상의 용량을 가지고 있다. 따라서 전하를 축적하기에 적합하고 큰 효과를 기대할 수 있다.
다이오드는 문턱전압이 낮을수록 입력되는 전압을 덜 손상시키기 때문에 이 논문에서는 각 다이오드의 문턱전압을 측정하고 문턱전압이 가장 낮은 다이오드만을 이용할 것이다.
다이오드
왼쪽부터 차례대로 다이오드 문턱전압:
0.89 0.66 0.57 0.25 (단위:Voltage)
압전소자
압전소자 일반형: 한쪽면에만 압전소자가 붙어있으며 효율성이 상대적으로 낮다.

압전소자 바이모프형: 양쪽면에 압전소자가 붙어있으며 효율성이 상대적으로 높다.
PSPICE 사용법
이 연구에서는 PSPICE라는 프로그램을 사용할 것이다. 이는 설계한 회로를 시뮬레이션하여 회로를 직접 구성하기 전에 값을 도출 해내기 위함이다. 또, 이 값과 시뮬레이션을 하기 전에 예상했던 예상값을 비교하여 오차의 원인을 분석할 것이다.


-PSPICE 사용법
(1) 새로운 라이브러리의 시작
① Capture 윈도우 File 메뉴에서 New를 클릭한 후 Library을 선택한다.
② 프로젝트 관리자 윈도우에 라이브러리가 열리면서 커서가 그 지점으로 이동한다. 마우
스의 오른쪽 버튼을 클릭하면 pop-up 메뉴가 나타나고, 사용자의 의도에 따라 메뉴를 선택
하여 사용한다.

(2) 새로운 PSpice 라이브러리 시작
① PSpice 용 project를 생성 혹은 불러들인 후 Capture 윈도의 File 메뉴에서 New를 클릭
한 후 PSpice Library를 선택한다.
② OrCAD Model Editor가 동작하며, 이를 통하여 PSpice용 라이브러리의 특성을 바꾸거나
입력할 수 있다.

1) 부품 가져오기
■ 저항 가져오기
① 부품 가져오기 Tool Bar를 클릭하거나 Place/Part를 선택한다. 혹은 Shift+P를 입력한
다.
② Library 중 ANALOG를 선택한다.
③ 라이브러리의 ANALOG 의 R를 선택한 후 OK를 클릭 한다.

■ 커패시터 가져오기
이번에는 Tool Bar를 사용하지만 Place Part 윈도우에 Part 명을 직접 입력하여 소자를 가
져오는 방법을 사용해 보자.
① Tool Bar를 클릭 한다.
② Part 대화상자 부분에 C를 입력한다.
③ OK 클릭하고 부품의 방향을 맞추기 위해 Ctrl+R를 이용하여 회전시킨 후 Schematic 상
에 배치한다.

■ 교류전원 가져오기
① 단축키 Shift+P를 사용한다.
② 라이브러리 중의 SOURCE, Part의 VSIN을 선택한 후 OK 버튼을 클릭 한다.

■ 접지 가져오기
① Tool Bar를 사용하거나 Place/Ground를 실행한다.
② 라이브러리 중의 SOURCE, Symbol의 0을 선택한 후 OK 버튼을 클릭한 후 Schematic 상에 배치한다.

2) 선(wire) 연결하기
Tool Bar를 클릭하거나 Place/Wire를 선택하거나 Shift+W의 단축키를 이용하여 부품 사이
에 선을 연결한다.
Wire 연결후, 각 wire에 이름을 지정하기 위해서는 Place/Net_Alias menu를 선택한다. 이름
을 적고 O.K 버튼을 누른후, 이름 붙이고자 하는 wire를 선택한다.

-용어정리
VOFF = dc offset voltage
VAMPL = ac voltage
FREQ = frequency
TD = 0 time delay
DF = 0 damping factor
PHASE = 0 phase
브릿지 다이오드
다이오드 브리지(diode bridge) 혹은 브리지 정류기(bridge rectifier)는 4개의 다이오드를 연결한 브리지 회로이다. 브리지 정류 다이오드는 어떠한 극성 전압이 입력되더라도 동일한 극성 전압을 출력한다. 가장 일반적으로, 교류 입력을 직류 출력으로 변경할 때 사용한다. 브리지 정류 다이오드는 2개의 다이오드를 더 사용하지만 (중앙탭 트랜스의 비용을 감소시키는) 전파 정류에 사용된다. 동일한 전압을 출력하는 아답터에서 일반탭 트랜스와 4개의 다이오드를 사용하는 설계방식이 중앙탭 트랜스와 2개의 다이오드를 사용한 방식보다 생산단가 절감에 효과적이다.
브리지 정류 다이오드의 가장 큰 특징은 입력되는 전압과 동일한 전압을 출력된다.
1.회로를 구성한 후 결과값을 예상하여 그래프로 나타낸다.
2.구성된 회로에 시뮬레이션을 실행시켜 나온 결과값을 1번의 예상 결과값과 비교하여 오차원인을 분석한다.
3.실제로 회로를 구현하고 가장 효율적인 회로를 실험을 통해 찾아낸다.
4.농구골대에 구성한 회로를 적용시키고 효율을 측정한다.
구성
1
회로 시뮬레이션 중
회로 시뮬레이션 중.
회로 시뮬레이션 중..
회로 시뮬레이션 중...
2
회로 시뮬레이션 중....
3
4
시뮬레이션을 실행한 결과 캡에 저장되는 전압의 최대치는 약 9.85V이고 전압의 손실은 약 0.05V로 매우 낮았다. 반면, 실제 회로의 결과는 저장되는 전압의 최대치 약 2.4V, 전압 손실 약 1.6V로 큰 오차를 보였다.
전압손실의 오차원인은 시뮬레이션에 입력된 다이오드의 문턱전압 때문인데 이는 학생용으로 공급되는 PSPICE 프로그램에서는 설정을 할 수 없게 되어있기 때문에 불가피한 오차이다.
캡에 저장되는 최대 전압의 오차원인은 다음과 같다.
-시뮬레이션을 실행하기 전 회로를 구성할 때 압전소자의 최대 공급전압을 10V라 가정하였지만 실제 압전소자의 공급전압은 약 4V정도가 한계였다. 즉, 예상값보다 훨씬 낮은 압전소자의 저전압이 오차의 원인이다.

서로 다른 두 다이오드로 구성된 회로를 비교해본 결과 두 회로의 voltage값의 차이가 거의 없었다. 이로보아, 다이오드의 문턱전압 차이가 전체회로의 전압에 영향을 미칠 정도로 크지 않다는 것을 알 수 있다.
실험결과 큰 차이가 나지않지만 이론적으로 문턱전압이 낮은 다이오드가 효율이 좋기 때문에 검정 다이오드를 이용하는 것이 효율성을 높일 수 있다.

이 연구의 목적은 배터리에 충전시킬 때 전류가 거쳐가는 회로를 가장 효율성있게 구성하는 것에 있다. 실제로 압전소자를 이용해 배터리를 충전하거나 전기에너지를 저장시킬 때, 캐패시터의 역할은 안정된 전압을 공급하기 위한 수단으로만 이용된다. 다시 말하자면, 캐패시터가 얼마나 많은 전하를 축적시킬 수 있느냐는 중요하지 않다. 용량이 클수록 안정된 전압을 공급하게되는 것은 사실이지만 공급 될 전압에 비해 큰 용량을 사용하게 되면 용량의 크기만큼 전기를 손실하게 된다. 또, 압전소자와 같은 경우 저전압을 공급하므로 충전에 delay가 발생한다.
실험결과로 미루어 볼 때 33㎌용량은 안정적인 전압을 공급하지 못하므로 비효율적이다. 반면, 가장 큰 330㎌용량은 압전소자의 저전압을 고려할 때 전압에 delay와 손실을 가져오기 때문에 비효율적이다. 220㎌용량의 캡은 330㎌용량의 캡 정도의 안정성을 지니고 있으며 용량의 크기가 중간크기이기 때문에 가장 효율적인 용량이라고 판단된다.

압전소자는 소자의 면적이 클수록, 개수가 늘어날수록 많은 전압을 공급한다. 반면, 일상생활에 쓰이는 기구나 기기에 적용시킬 경우에 압전소자가 많은 부피를 차지한다면 그 기구의 원래 기능에 지장을 주기 때문에 부피를 최소한으로 해야한다.
압전소자는 개수가 많을수록 효율이 높기 때문에 1개보단 4개를 이용하는 것이 좋다. 압전소자 일반형 4개의 효율과 바이모프 4개의 효율을 비교해보면 약 15mV가 차이로 바이모프형 압전소자가 높게 나타난다. 기구에 설치할 경우 작은 부피를 필요로하기 때문에 바이모프형을 설치하는 것이 효율성을 높일 수 있다.
결론 및 제언
일상생활의 여러 곳에 적용을 시켜 효율적인 Energy Harvesting이 이루어지기 위해서 우선, 회로의 소형화가 필요하다. 소자들은 같은 크기일지라도 서로 다른 고유값을 가지고 있다. 소자의 소형화를 통해 압전소자를 설치할 수 있는 공간을 확보하는 것이 효율성을 높일 수 있는 방법이다.
두 번째로는 아주 낮은 문턱전압의 다이오드를 개발해야한다. 압전소자에서 나오는 전압을 감소시키기 때문에 저장될 수 있는 전압의 최대치가 낮아진다.
마지막으로, 압전소자의 저전압을 고전압으로 끌어올릴 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 회로에 저장되는 전압의 최대치는 압전소자에서 발생하는 전압의 최대치에 의해 결정되기 때문에 회로가 효율적일지라도 압전소자의 저전압을 해결하지 못한다면 좋은 효율을 기대하기 힘들다. 이 연구논문에서도 저장되는 전압의 최대치는 2.4V정도로 작은 전압을 보였다. 이 문제를 해결하는 것이 앞으로의 압전소자의 전망과 활용성을 좌우할 수 있을 것이다.
백종수 논문 발표

마치겠습니다.
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