본문내용
1. 융합 Capstone Design 프로그램 결과보고서
1.1. 과제 개요 및 필요성
본 과제에서는 기계적인 진동에너지를 이용하여 하베스팅을 통해 전기에너지로 변환 및 회생하여 지속적인 자가발전이 되는 선형전자기 기반 발전기를 개발하고자 한다. 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 태양열, 진동, 압력 등의 에너지와 같이 우리 일상생활 주변에 산재하지만 버려지는 에너지들을 수확하여 이를 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 것을 말한다. 이 중 진동에너지를 이용한 하베스터는 다른 에너지 하베스터와는 달리 주변에 존재하는 미세 진동이나 인체 활동 중 발생하는 미세한 진동부터 변압기나 다른 기계에서 발생하는 큰 진동까지 다양한 진동에너지를 생성할 수 있고 외부에 노출될 필요 없이 장치 안으로 내장이 가능하기 때문에 외부 환경의 영향을 받지 않아 삽입형 디바이스에 적용가능한 장점이 있다. 또한 진동에너지 하베스팅 방식에는 정전기(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 압전(piezoelectric)을 이용하는 방식이 있다. 그 중 전자기 기반 방식을 이용한 방식은 높은 전력 효율을 발생하는 장점이 있어 발전기 시스템에 적용하여 지속적인 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한 전자기 기반 방식을 적용한 발전기에는 크게 선형 발전기와 회전형 발전기가 있다. 회전형 발전기의 경우 진동이 가지는 특성인 직선운동을 그대로 적용할 수 없어 회전형 운동으로 바꾸어 주는 스크류, 체인, 기어 등의 기계적인 변환시스템이 반드시 필요하다. 이로 인해 중량이 증가하거나 복잡한 구조로 설계가 되며 유지 및 보수가 어렵다는 단점이 있지만 선형 발전기의 경우 진동특성을 그대로 이용하기 때문에 기계적 변환장치가 필요하지 않을뿐더러 회전형 발전기에 비해 구조가 단순하여 경량화 및 소형화가 가능해지며 유지 및 보수가 쉽다는 장점이 있다. 본 과제에서는 선형전자기기반 발전기의 모델링, 시뮬레이션 및 이를 통한 실험적 연구를 수행한다.
1.2. 과제의 수행 방법, 과정, 내용 및 결과
과제의 수행 방법, 과정, 내용 및 결과는 다음과 같다"
[과정 1] 공진점 유도 및 초기모델 전자기해석
기존 진동에너지 하베스팅 시스템과 전자기 기반 선형발전기 시스템의 관련 문헌을 분석하여 발전기 형상 design 및 전반적인 개념을 이해하였다. 60Hz에 대한 가진 진동수와 발전기 내부의 고유 진동수를 이용하여 공진점을 찾기 위해 Matlab 프로그램을 활용하여 선형발전기의 이동자가 움직일 수 있는 진폭을 계산하였다. 이어서 초기모델의 형상과 조건에 맞추어 상용 전자기 유한요소 해석프로그램을 이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이를 통해 이동자의 움직임에 따라 유도되는 기전력과 자속의 흐름을 해석하고 해석결과의 문제점을 확인하였다. 초기 모델의 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 발전량을 확인하였다.
[과정 2] 최적설계 변수 선정 및 제한 조건 설정
최적 설계를 위해 설계변수를 선정하고 제한 조건을 설정하였다. 자석의 축 방향 길이(h2), 이동자의 반경방향 길이(d2), 코일의 축방향 길이(c1), 코일의 반경방향 길이(c2)를 설계변수로 선정하고, 공극 5mm, 샤프트 반경방향 두께 15mm, 코어 축방향 길이 10mm의 제한 조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 설계요구사항을 만족하는 최적 설계 문제를 정식화하였다.
최소한의 해석으로 주어진 시스템에 대해 최대한의 정보를 얻기 위해 실험계획법(DOE)을 실시하였다. 실험계획법을 통해 18개의 실험점을 도출하였다.
PIAnO를 이용하여 구한 22개의 실험점에 대해 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 이용하여 모델링하고 각각의 모델링에 대한 발전량을 구하였다.
시뮬레이션 결과를 통해 크리깅 모델을 생성하고 근사화 기법을 통해 22개의 실험점을 생성하여 정확도를 측정하였다.
진화알고리즘을 통하여 최적화값을 도출하였다. 진화알고리즘은 적합도를 평가하여 순위를 정하고 상위개체와 선택된 개체에서 각각 하나의 부모를 선택하여 자손을 생성하는 재결합단계, 임의의 개체를 선택하여 임의의 값으로 변화하는 돌연변이 과정을 거치면서 세대를 거치게 된다.
근사모델 도출을 통한 발전기 형상의 최적설계를 수행하였다. 근사모델 도출을 통한 발전량은 0.8W이다. 근사모델 도출 결과를 검증하기 위해 MAXWELL을 이용하여 최적화 값으로 모델링한 결과 발전량이 0.807W로 메타모델 결과와 0.88%의 오차를 보였다. 이를 바탕으로 CAD를 활용하여 시제품 도면을 생성하였다.
1.3. 설계제품의 목적 및 내용
설계제품의 목적 및 내용은 다음과 같다.
현재 상용화된 에어필터 교체식 공기청정기의 소모품을 물로 대체하여 비용문제를 해소함과 동시에 에어필터와 동등한 공기청정능력을 갖추는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 부품으로는 본체, 송풍기, 워터펌프, 노즐, 사이트 글라스, 드레인밸브로 구성되며, 작동원리는 수펌프를 이용하여 물을 노즐로 미세하게 분사시켜 송풍기를 통해 지나는 공기의 미세먼지를 포집하는 것이다. 목표사양으로는 원룸부터 가정집 거실까지 약 6평 ~ 13평을 허용할 수 있는 공기청정능력을 갖추고자 하였으며, 주 대상을 자취생과 주부로 계획하였다.""
1.4. 제품 설계
제품 설계는 선형 발전기 개발을 위한 주요 과정이었다. 먼저 기존 진동에너지 하베스팅 시스템과 선형 발전기 시스템에 대한 이해를 바탕으로 발전기의 형상 설계 및 개념을 정립하였다.
진동 수와 발전기 고유진동수를 고려하여 공진점을 도출하고 이동자의 움직임에 따른 진폭을 Matlab 프로그램을 통해 계산하였다. 초기 모델의 설계 형상과 조건에 맞추어 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이를 통해 이동자의 움직임에 따른 기전력 및 자속 흐름을 분석하여 초기 모델의 발전량을 확인하였다.
최적설계를 위해 설계 변수를 선정하고 제한 조건을 설정하였다. 자석의 축 방향 길이 h2, 이동자의 반경 방향 길이 d2, 코일의 축방향 길이 c1, 코일의 반경 방향 길이 c2 등이 주요 설계 변수였다. 이들 변수에 대한 상한값과 하한값을 정의하고 설계요구사항을 만족하는 최적 설계 문제를 정식화하였다.
실험계획법(DOE)을 통해 18개의 실험점을 도출하고, 각 실험점에 대한 전자기 해석을 MAXWELL 프로그램을 활용하여 수행하였다. 이를 통해 생성되는 발전량을 확인하였다.
다음으로 크리깅 모델을 이용하여 근사화 기법으로 22개 실험점을 생성하고 정확도를 측정하였다. 이후 진화알고리즘을 통해 최적값을 도출하였다.
최종적으로 근사모델 도출과 전자기 해석을 통해 최적화된 선형 발전기 모델을 도출하였다. 0.8W의 발전량을 달성하는 최적 설계 변수 값을 도출하고, 이를 토대로 CAD를 이용한 시제품 도면을 생성하였다.
1.5. 실험계획법
실험계획법(DOE: Design Of Experiments)은 최소한의 실험으로 주어진 시스템에 대해 최대한의 정보를 얻기 위해 실시하였다. 실험 계획법을 통해 설계 변수 h2, d2, c2에 대한 18개의 실험점을 도출하였다.
먼저 초기모델의 형상과 조건에 맞추어 상용 전자기 유한요소 해석프로그램을 이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이동자의 움직임에 따라 유도되는 기전력과 이에 따른 자속의 흐름을 해석하여 문제없이 진행되었음을 확인하였다. 그리고 초기 모델의 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 발전량에 대해 점검하였다.
다음으로, 초기 모델에 대한 최적 설계를 진행하기 위해 각각의 설계 변수를 선정하고 제한 조건을 설정하였다. 자석의 축 방향 길이 h2, 이동자의 반경방향 길이 d2, 코일의 축방향 길이 c2를 설계 변수로 선정하였고, 이에 대한 제한 조건을 정의하였다. 이를 통해 타당한 근거와 이유를 가지고 실험 계획법 문제를 정식화하였다.
실험 계획법을 통해 도출된 18개의 실험점에 대해 상용 전자기 해석프로그램을 이용하여 각각의 모델링을 수행하고 발전량을 구하였다. 이를 통해 설계 변수에 따른 발전량 데이터를 확보하였다.
결과적으로, 최소한의 실험만으로도 주어진 시스템에 대해 충분한 정보를 획득할 수 있었다. 이를 통해 효율적인 최적설계를 수행할 수 있었다.
1.6. 실험점에 대한 전자기 해석 수행
[실험점에 대한 전자기 해석 수행]
상용 전자기 유한요소 해석프로그램을 이용하여 실험점 22개에 대한 전자기 해석을 수행하였다. 초기 모델의 형상과 조건에 맞추어 MAXWELL ...
