본문내용
1. 과제 개요 및 필요성
1.1. 과제의 개요
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. 발전기 모델링의 검증을 위해 상용 유한요소 소프트웨어를 활용하여 시뮬레이션을 수행한다. 또한, 효율적인 발전량 및 시제품의 경량화, 소량화를 위해 여러 자기회로(영구자석, 코일, 요크 등)를 도출하여 분석하며, 자기회로의 최적설계를 수행하여 효율을 극대화 한다. 최종적으로, 본 연구 결과의 타당성을 최종적으로 검증하기 위해 최적 설계된 설계안을 바탕으로 선형전자기 기반 발전기 시제품을 제작한다. 이를 통해 변압기에서 나오는 주파수 및 변위를 적용하여 진동에너지 하베스팅을 통해 선형 발전기에서 발생되는 발전량을 실험적으로 검증한다.
1.2. 과제의 필요성
최근 세계적으로 경제 성장과 이에 따른 에너지 수요의 증가로 인해 많은 화석 에너지가 사용되고 있다. 화석 에너지의 사용량이 증가할수록 온실가스로 인한 환경문제나 에너지 자원의 고갈문제 등이 제기되고 있다. 이에 대해 전 세계적으로 에너지 효율 상승 및 친환경 에너지원에 대한 관심이 급속도로 높아짐에 따라 일상 속에서 파생되는 에너지를 재활용하여 사용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 진동을 이용한 에너지 하베스팅 시스템은 지난 수십 년간 연구되어 오고 있는 연구 분야 중 하나이며, 이를 이용해 발전기에 적용함으로서 자가 발전이 되어 지속적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 점에서 친환경적인 에너지원으로 주목되고 연구가 활발히 진행되고 있으나, 진동에너지를 적용하여 실제 리니어 발전기를 설계 및 실험을 통한 분석은 미흡한 상태이다. 진동에너지를 이용한 전자기 기반 선형발전기 시스템에 적용하기 위해서는 진동에너지가 필수적이다. 이러한 진동에너지는 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 전봇대 위에 달려있는 변압기에서 확인할 수 있다. 변압기의 경우 60hz, 120hz의 진동을 접할 수 있으며 또한 변압기의 전압과 전류에 대한 정보를 원격 측정 및 감시를 할 수 있는 무선부하감시시스템이 적용되어져 있다. 이러한 시스템을 구동시켜 관리자에게 정보를 전달하기 위해서는 배터리가 필수적이지만 배터리 수명의 한계로 인해 3년마다 교체해야하며 이에 따라 많은 시간과 비용이 들어가는 단점이 있다. 이에 대해 본 연구에서는 변압기에서 발생하는 기계적 진동인 60hz를 이용하여 에너지 하베스팅을 통해 전기에너지를 지속적으로 자가 발전할 수 있는 전자기 기반 선형발전기 시스템을 개발하고자 한다.
2. 과제의 수행 방법, 과정, 내용 및 결과
2.1. 공진점 유도 및 초기모델 전자기해석
공진점 유도 및 초기모델 전자기해석이다.
기존 진동에너지 하베스팅 시스템과 전자기 기반 선형발전기 시스템의 관련 서적 및 참고 문헌, 논문 등을 이용하여 발전기 형상 design 및 전반적인 개념을 이해하였다. 60Hz에 대한 가진 진동수와 발전기 내부의 고유 진동수를 이용하여 공진점을 찾기 위해 Matlab 프로그램을 이용하여 선형발전기의 이동자가 움직일 수 있는 진폭에 대해 계산하여 도출하였다.
초기모델의 형상과 조건에 맞추어 상용 전자기 유한요소 해석프로그램을 이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이동자의 움직임에 따라 유도되는 기전력과 이에 따른 자속의 흐름을 해석하여 해석이 문제없이 진행되었는지 확인하였다. 초기 모델의 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 발전량에 대해 확인하였다.
2.2. 최적설계 변수 선정 및 제한 조건 설정
초기모델의 최적설계를 위해 각각의 설계 변수를 선정하고 제한 조건을 설정하였다. 설계 변수로는 자석의 축 방향 길이(h2), 이동자의 반경 방향 길이(d2), 코일의 축 방향 길이(c1), 코일의 반경 방향 길이(c2)를 선정하였다.
공극을 5mm로 설...
