풍력에너지 하베스팅 장치에 사용되는 압전 필름의 출력 특성에 대한 수치해석 (Numerical Analysis for the Performance Test of a Piezoelectric Film used in Wind Energy Harvesting (WEH) Device)

서지정보

· 발행기관 : 대한기계학회
· 수록지 정보 : 대한기계학회논문집 B / 47권 / 6호 / 289 ~ 296페이지
· 저자명 : 노하은, 이재영

초록

본 연구에서는 블레이드리스 풍력에너지 하베스터에 사용되는 직사각형의 압전 필름의 출력 특성을 알아보기 위한 수치해석을 수행하였다. 블레이드리스 풍력에너지 하베스팅 장치는 바람이 단일 탄성봉에 고정되어 있는 원형 실린더를 지날 때 생기는 vortex shedding frequency와 구조물의 고유진동수가 일치할 때 생기는 공진을 에너지원으로 이용하여 발전하는 원리이다. 발전기의 프로토타입을 설계하기에 앞서 압전 필름 자체의 출력 특성을 확인하기 위해 기계적-전기적 결합 모델을 구축하였다. 해당 모델을 이용하여 풍속 0 - 8 m/sec에서의 vortex shedding frequency 범위(5 - 25 Hz)에 대한 출력 전압 및 전력을 계산하였다. 본 해석을 통해 시스템의 고유진동수가 낮을수록 전압 및 전력 출력이 커지는 것을 확인하였다. 또한, vortex shedding frequency 범위 내의 5, 10, 15, 20, 25 Hz의 고유 진동수를 가진 각각의 프로토타입에 대하여 최대 출력을 가지는 외부 저항을 도출하였다. 계산 결과, 시스템의 고유 진동수가 커질수록 전력 출력이 최대가 되는 최적 부하저항 값이 작아지는 것을 확인하였다. 5개의 고유진동수에 대해 가장 높은 전력 출력을 가지는 시스템은 고유 진동수 5 Hz, 최적 부하저항 5.57 Ω 였으며, 이때 전력 출력은 1.97 × 10-16W이다.

영어초록

In this study, a numerical analysis was conducted to investigate the output characteristics of a rectangular film used in a bladeless wind energy harvester. The bladeless wind energy harvesting device generates power by using the vibration energy as an energy source, which is occurred when the natural frequency of the structure and the vortex shedding frequency that is created by the wind passing through a cylinder fixed to an elastic rod is close to each other. To confirm the output characteristics of the piezoelectric film itself before modeling a prototype, a mechanical-electrical coupling model was constructed. Using this model, the output voltage and power were calculated for the vortex shedding frequency ranges (5 - 25 Hz), which is associated with the wind speed of 0 - 8 m/sec. Through this analysis, it was observed that the lower the natural frequency of the system, the higher the output voltage and power. In addition, the optimal load resistance for each prototype with natural frequencies of 5, 10, 15, 20, and 25 Hz within the vortex shedding frequency range for maximum power output was derived. The calculation results showed that as the natural frequency of the system increased, the optimal load resistance value for the maximum power output decreased. The system with the highest power output for the five natural frequencies was the system with a natural frequency of 5 Hz and the optimal load resistance of 5.57 MΩ, with the power output of 1.97 × 10-16W.

참고자료

· 없음