道 路 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第31卷 第5D 號·2011年 9月 pp. 689~695
충격에너지를 활용한 압전 발전기의 특성을 이해하기 위한 실험 연구
A Experimental Study to Understand of a Characteristics of a Piezo-Generator using Impact Energy
이재준*·문학룡**·권수안***·류승기****
Lee, Jaejun·Moon, Hakyong·Kwon, Sooahn·Ryu, Seungki
···
Abstract
In this paper, available power generation on the road from renewable energy technologies on how to use the piezoelectric effect has been studied. A lot of vehicles on road that can generate electricity using renewable energy technology as part of the external shock to convert the load into electrical energy using piezoelectric effect piezoelectric generator can be applied to road space. Piezoelectric power harvesting using piezoelectric ceramics for the development of impact load characteristics were tested as function of various experimental design such as generator design and array of piezo-ceramic. To design the piezo- electric generator, the characteristics of piezoelectric ceremic were compared depending on the type of impact load as function of impact load, shock-absorbing.
Keywords : energy harvesting, piezoelectric effect, piezo-generator, impact-load, shock-absorbing
···
요 지
본 논문에서는 도로공간에서 전력 생성이 가능한 신재생 에너지 기술들 중에서 압전효과를 활용하는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 도로공간을 주행하는 수많은 차량을 이용하여 전력을 생성할 수 있는 신재생에너지 기술 연구의 일환으로, 외부 의 충격하중을 전기에너지로 바꾸어 주는 압전효과를 이용하여 도로공간에 적용가능한 압전발전기를 개발하기 위한 기초연 구를 수행하였다. 압전세라믹을 이용한 압전발전 수확기를 개발하기 위한 충격하중에 따른 특성 실험을 하였다. 압전발전기 형상 개발을 위해 충격하중 전달 방법, 충격흡수에 따른 압전세라믹의 발전 특성, 충격하중의 종류에 따른 압전 발전 수확 기의 전압 발전 특성을 비교분석 하였다.
핵심용어 : 에너지 하베스팅, 압전효과, 압전발전기, 충격하중, 충격흡수
···
1. 서 론
세계적으로 지구온난화에 따른 이상기온 현상이 많이 발생 됨에 따라, 지구 온난화를 줄이기 위해, 기후변화협약(1992) 이나 교토의정서(1997) 채택 등으로 지구온실가스 감축문제 을 위해 노력하고 있다(류승기 외, 2008). 국내에서도 세계 적으로 심각한 기후변화 문제에 대비하기 위하여, “저탄소 녹색성장”이라는 향후 국가비전을 제시한 후, 신재생에너지 와 같은 기후 친화적 산업을 육성하기 위해 많은 노력과 투 자를 하고 있다.
도로는 물류수송기능과 공공부지로서의 공간기능 및 일상 생활의 기반 역할을 하고 있다. 2010년 11월 전국 자동차
차량 등록 현황은 총 1,792만 9249대로 집계되었다(www.
aweakly.com). 이처럼 수많은 차량이 도로를 주행하면서 배 출되는 많은 양의 CO
2를 줄이기 위해 전기자동차개발에 많 은 투자가 이루어지고 있다. 또한, 기계적에너지를 전기에너 지로 전환하는 압전효과를 이용하여, 도로에서 주행하는 차 량을 활용하여 신재생에너지를 생산하기 위한 연구들이 이 스라엘과 미국 등 선진국에서 활발히 진행되고 있다(류승기 외, 2008; 조용주 외, 2010; 이희철, 2011).
압전세라믹은 외부의 기계적인 에너지를 전기적인 신호를 발생시키는 압전효과와 전기적인에너지의 입력을 기계적인 에너지로 바꾸워주는 역압전 효과를 나타낼 수 있는 재료이 다(박종수, 2005; 윤소남 외, 2009; 강형원 외, 2009). 이스
*정회원·교신저자·한국건설기술연구원 수석연구원 (E-mail : [email protected])
**한국건설기술연구원 수석연구원 (E-mail : [email protected])
***정회원·한국건설기술연구원 선임연구위원 (E-mail : [email protected])
****한국건설기술연구원 연구위원 (E-mail : [email protected])
라엘의 이노와텍(Innowattech)은 압전효과를 이용하여 도로 에서 주행하는 자동차를 에너지원으로 활용하여 전기에너지 를 수확하는 기술을 개발하여 2009년 8월에 시험시공을 완 료하였다. 시험시공에서는 이노와텍에서 개발한 압전발전체 를 도로 포장체에 매설하여 도로를 주행하는 차량에 의해 도로포장체에 전달되는 충격하중을 이용하여 전기에너지를 생산하는 연구를 수행하였다(조용주 외, 2010).
본 논문에서는 압전 세라믹의 압전효과를 바탕으로, 도로 를 주행하는 차량하중으로 신재생에너지를 생산하기 위한 에 너지 수확(Energy Harvesting) 기술개발의 기초 연구 결과 들을 포함하고 있다. 본 연구에서는 외부의 기계적 에너지로 부터 전기에너지를 생산 할 수 있는 압전 발전수확기 개발 과 외부에서 압전발전 수확기에 가해지는 충격하중의 변화 에 따른 압전세라믹으로부터 발생되는 전압특성을 이해하는 것을 목적으로 하였다. 압전 세라믹의 발전 특성을 파악함으 로써, 도로공간에 적합한 압전발전 수확기 개발을 위한 기초 연구로 다양한 실험변수를 선택하였다. 압전발전 수확기 내 부에 설치될 압전 세라믹의 보호를 위한 충격흡수재료 배열, 외부의 기계적 에너지를 압전세라믹에 전달하는 방식에 따 른 전압 특성을 조사하였다. 또한, 도로를 주행하는 차량의 충격하중을 묘사하기 하기위해서, 소형포장가속시험기(One Third Scale Model Mobile Loading Simulator MMLS3) 를 이용하여 차량속도 변화에 따른 압전세라믹에서 발생되 는 전압 특성을 조사하였다.
2. 본 론
2.1 실험방법
본 연구에서는 도로를 주행하는 자동차를 에너지원으로 활 용하여 전기에너지를 수확하기 위한 방법 연구를 목적으로 하고 있다. 이를 위해 압전효과 특성을 지니고 있는 세라믹 을 이용하여 압전발전 수확기를 개발에 필요한 압전 세라믹 의 특성을 이해하고자 한다. 자유낙하(위치에너지)와 차량충 격(운동에너지)이 압전세라믹에 전달되었을때 반응을 조사하 기 위하여 마샬다짐기와 소형포장가속기를 이용하여 본 연 구를 수행하였다. 본 연구에서는 압전세라믹을 이용한 압전 발전 수확기를 사용하였으며 그 형상은 그림 1(a)에서 설명 하고 있다. 정사각형의 압전세라믹을 사용하였다. 그림 1(b) 는 도로에 압전발전 수확기를 설치하였을 때 주행하는 차량
에 의해 압전발전 수확기 출력전압 특성에 대한 연구를 수 행하기위해, 소형포장가속기 Testbed에 설치한 모습을 설명 해주고 있다. 소형 포장가속기 회전수에 따른 압전 발전 출 력전압 특성을 측정하였다. 외부의 기계적에너지에 의해 압 전 발전 수확기에서 출력되는 전압 특성을 조사하기 위하여, 그림 2에서 설명하고 있는 DAQ 시스템(DEWETRON)을 사용하여 압전 발전 수확기에서 발생되는 전압특성을 측정 하였다.
2.1.1 마샬다짐기를 이용한 실험장치
압전 세라믹에 자유낙하 추의 위치에너지가 전달 되었을 때의 전압 특성과 충격하중 변화 따른 압전 세라믹에서 발 생되는 전압 특성을 연구하기 위하여, 그림 3에서 설명하고 있는 마샬다짐기를 이용하였다. 마샬다짐기는 4.5kg추를 일 정높이에서 자유낙하하여 발생되는 에너지를 이용하여 실내 실험실에서 아스팔트 혼합물을 다짐하는 다짐장비이다.
그림 3(a) 표시되어진 자유낙하 추를 다양한 높이에서 낙 하시키며 이에 압전 세라믹에서 발생되는 전압을 측정하였 다. 그림 3(b)는 충격하중에 의해 발생되는 전압량을 측정하 기 위해 콘크리트 시편위에 압전 발전 수확기를 놓은 모습 을 설명해 주고 있다. 그림 3(b)에 표시되어 있는 “낙하높이
” 부분에서 높이를 측정하여 낙하높이를 다양하게 하였다. 본 연구에서는 낙하높이를 3.5cm, 6.0cm, 그리고 12.0cm로 조 절하여 발생되는 충격하중별 발생되는 전압파형 및 최고 전 압을 각각 측정하였다.
그림 1. 충격하중 시험을 위한 마샬다짐기 전경
그림 2. DAQ 측정장비(DEWETRON)
2.1.2 One Third-Scale Model Mobile Loading Simulator (MMLS3)
포장가속시험기는 실제차량하중을 모사하여 현장과 동일한 하중효과를 실내외 시험포장체에서 적용 할 수 있는 장비이 다. Full scale 포장가속시험기는 규모도 크고, 운영비도 많이 필요한 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하고, 차 량하중을 모사하기 위해 개발된 장비가 소형 포장 가속 시험 기(Third-scale Model Mobile Loading Simulator(MMLS3)) 이다. MMLS3는 실제 도로포장에 노출되어 있는 환경을 최 대한 모사하여 소성변형, 수분민감성, 균열저항성 등을 평가 할 목적으로 남아프리카공화국의 MLS 사에서 개발되었으며, 현재 미국의 텍사스 교통국과 대학교 연구소들, 스위스, 중 국 등지에서 아스팔트 공용성 평가 연구를 위해 널리 사용 되고 있다. 현재 소형 포장 가속시험기(MMLS3)를 활용한 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성과 수분민감도를 평가할 수 있는 국가 표준화 작업이 MMLS 3 제품이 개발된 남아 프리카 공화국에서 진행중이다(Rossman, 2008). Full scale 차량하중의 크기를 1/3로 축소한 MMLS 3는 그림 4과 같 이 연속적인 루프 형식으로 한방향으로 현장 교통하중을 시 뮬레이션을 할 수 있는 시스템으로 구축되어 있다. 원형 공 시체 또는 슬래브 샘플를 사용하여 실내시험이 가능할 뿐만 아니라, 소형 포장 가속시험기를 현장에서 직접 운영할 수 있어, 빠르게 아스팔트 혼합물의 성능을 실험실과 현장에서 동시에 평가 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 소형 포장 가 속 시험기는 4개의 보기(bogie)로 구성되어 있으며, 각각의 보기에 직경 30cm의 고무타이어가 장착되어 있다. 이 타이 어의 직경은 표준타이어 트럭 직경의 1/3 크기이며 타이어의 회전속도는 다양하게 조절이 가능하다. 타이어의 압력은 102 kg/m
2을 유지하여 최대 하중은 275kg까지 적용이 가능하며 하중조건은 0.3초 동안 harversine 하중이 작용하고 0.3초 동안 휴지기로 구성되어 있다. 최대 102kg의 동적하중을 가 할 수 있다(Muller, 2009).
2.1.3 위치에너지 계산
그림 3에서 설명되어진 마샬다짐기를 이용하여 압전발전 수확기에 전달되는 충격에너지를 계산하기 위하여 위치에너 지 공식을 활용하였다. 마샬다짐기에서 사용되는 추는 무게 가 4.5kg인 철로 구성되어 있다. 마샬다짐기의 추가 압전
발전 수확기에 가해진 에너지는 식 (1)을 이용하여 계산하 였다.
(1)
3. 압전발전 실험 조건에 따른 데이터 분석 결과3.1 하중 전달 구조 연구
도로를 주행하는 차량의 움직임으로부터 전기 에너지를 생 산하기 위해, 도로공간에 적합한 압전 발전 수확기 개발을 목표로 연구를 수행하였다. 그림 5는 본 연구를 위해 제작 된 두가지 종류의 압전발전 수확기의 단면도이다. 본 연구에 서 사용한 압전발전 수확기의 구조는 5mm 두께의 압전 세 라믹을 사용하였으며, 5mm 두께의 고무판, 1mm 두께의 SUS 304 로 구성되어 있다. 그리고 아스팔트 포장에 설치함 을 고려하여 직경 100mm 아스팔트 시편을 이용하였으며, 압전발전 수확기의 전압특성을 측정하여 분석하였다. 압전 발전 수확기에 전달되는 하중 구조는 그림 5와 같은 두 종 류에 대하여 연구하였다. 그림 5(a), CASE I,는 충격하중이 압전 세라믹 전체에 균일하게 전달되는 등분포 형식이다.
CASE II, 그림 5(b),는 충격하중과 압전 세라믹 사이에 하 중 전달체가 있어서, 압전세라믹 일부분에만 하중이 집중되 는 집중하중 구조이다.
그림 6는 하중전달구조방식에 따른 압전발전수확기에서 발 생되는 출력전압의 특성 결과를 설명하고 있다. 각각의 압전 발전 수확기 구조체마다 5번씩의 5.29J의 위치에너지가 마샬 다짐기를 통하여 전달되었을 때 발생전압을 측정하여 그림 6 과 같은 측정결과 값을 얻을 수 있었다. 그림 6에서 설명 되고 있는 것과 같이 평균값을 비교하면 CASE I이 CASE II 보다 발생전압이 다소 큼을 알 수 있었다. 그러나, 측정된 두 전압의 분포들이 비슷한 경향을 나타내고 있다. 독립된 두개의 측정결과 집단간 평균의 차이를 분석하여, 두 집단간 의 평균이 통계적으로 차이를 보이는지 여부를 검증 하기 위해서 t-Test 분석을 사용하였다. t-Test 분석 후 P 값이 0.14 로 두 측정값들은 차이가 없음을 알 수 있었다. 이는 압전발전수확기를 개발하는데 있어서, CASE I 타입과 CASE II 타입으로 해도 압전 세라믹에서 발생하는 압전 발 전량의 크기는 변화가 없음을 의미한다. 이는 압전발전수확 기를 디자인 할 때, 도로공간의 특성에 따라서 CASE I과 CASE II 를 선택하여 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
U 9.8 m = × × h 그림 3. 충격하중 시험을 위한 마샬다짐기 전경
그림 4. 소형포장가속시험기 전경 (MMLS3)
3.2 시험체 형상 구조 형태에 따른 발생 전압 측정 그림 7은 본 연구에서 사용하기 위하여 제안된 4종류의 압전발전 수확기의 개념도이다. 압전 발전 수확기를 아스팔 트 포장체에 설치 할 경우를 고려하여 압전발전수확기와 아 스팔트 포장체 사이에 충격흡수를 위한 탄성체를 넣기 위해 5mm 두께의 고무판 개수 변화에 따른 동일 위치에너지에 대한 압전 발전 수확기에서 발생하는 압전 발전 수확특성을 측정하였다. 이러한 보호층 두께의 변화에 따른 발생 전압 의 특성 변화를 연구하기 위해, 각각 4종류의 압전발전 수 확기 개념에 대하여 압전 발전 특성거동을 측정, 분석하였 다. 그림 7(a)~(d)에서는 압전 세라믹이 직접 충격하중을 받으면서 압전 세라믹하부에 충격을 흡수할 수 있는 디자인 이다. 충격흡수를 향상시키기 위해서 압전체 세라믹 하단에 그림 5. 압전 발전 수확기 구조
그림 6. 하중전달방식에 따른 발생 전압 특성
그림 7. 고무판 사용 개수에 따른 압전 발전 수확기 구조
고무판 두께를 조절하였다. 그림 8에 설명하고 있는 것과 같이 고무판의 숫자가 늘어날수록 측정 전압이 감소하는 경 향이 나타났다. 5.29J의 위치에너지에 대하여 고무판 두께 에 따라서 발생되는 전압을 측정하여 정리하였다. 그림 8에 서 고무판의 개수가 0인 경우는 사용된 위치에너지가 2.65J 이다. 같은(5.29J) 위치에너지를 가했을 경우 200V 이상의 전압이 측정되었으나, 본 연구에 사용된 측정 장비 전압 범위가 200V가 최대이기 때문에, 고무판을 사용하지 않은 경우에서는 위치에너지 크기를 줄여서 측정하였다. 고 무판이 없을수록 그 압전세라믹에서 발생하는 전압이 더 큼 을 알 수 있었다. 동일한 위치에너지가 가해졌을때도 충격 에너지의 차이에 의해서 발생되는 전압이 다름을 알 수 있 었다.
그림 8에서 설명되는것과 같이 5 종류의 타입에서 공동 적으로 보여주는 경향은 고무판의 개수가 줄어들수록 발생 전압크기가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 고무판의갯수 가 없는 경우와 하나인 경우 위치에너지가 2배로 감소하였 으나, 발생되는 전압이 비슷함을 알 수 있었다. 이는 가해 지는 충격하중이 직접 압전 세라믹에 전달되는 에너지의 크기에 따라서 발생 전압이 비례하여 증가함을 알 수 있 었다.
3.3 다층 압전세라믹 구조 활용 연구
지금까지는 하나의 압전세라믹을 이용하는 압전 발전 수확 기에 대하여 연구를 수행하였다. 다층구조에 대한 압전 발전 수확기 개발을 위한 연구를 수행하기 위해 그림 9와 같은 2 개의 압전발전 세라믹을 활용한 압전 발전수확기를 개발하 여 그 특성을 조사하였다. 본 실험에서는 그림 9에서 설명 하고 있는 것과 같이, 1mm 두께의 SUS304와 5mm 압전 세라믹을 복층구조로된 압전 발전 수확기를 제작하였다. 직 경이 10cm인 포틀랜드 시멘트 콘크리트 원형시편위에 복층 구조의 압전발전수확기를 설치 한 후, 그림 3에서 설명한 마샬 다짐기 추의 높이 변화로 발생되는 다양한 위치에너지 의 변화에 따른 압전 발전 수확기에서 발생된 전압값을 그 림 10에 정리 하였다. 각각의 높이에서 5번씩 추를 낙하하 였으며, 상단 압전소자와 하단 압전소자별로 각각 발생되는 측정 전압을 정리하였다. 5번 측정 결과의 평균값을 표시하 였다.
그림 10에서 설명되어지는 것과 같이 위치에너지와 발생
전압(Voltage)에 사이에서 비례관계가 상관되는 것을 알 수 있었다. 상단소자에서 측정되는 전압이 하단소자에서 측정 되는 전압보다 다소 높게 나타나는 경향이 나타났다. 이는 가해진 위치에너지가 아래로 전달되면서 위치에너지 손실로 인하여 하단부의 압전소자에 전해지는 위치에너지가 줄어들 기 때문에 발생된 측정 전압차이가 발생 된 것이라 사료된 다. 그림 10(b)에서는 압전소자를 2개 사용하였을 경우 위 치에너지에 대한 압전 발전 전압전압과의 상관관계를 조사 하였다.
3.4 에너지 종류에 따른 압전 발전 수확기 파형 특성 분석 3.3 절까지는 마샬다짐기를 이용한 위치에너지에 의해, 압 전 세라믹에서 발생되는 전압 측정 분석하였다. 본 절에서 는 마샬다짐기를 이용한 위치에너지에 의한 충격 파형과 그림 8. 압전 발전 수확기 타입에 따른 전압 발생량
그림 9. 다층구조 압전발전수확기 개념도
그림 10. 압전세라믹을 두개 사용한 하중 조건
실제 도로상에서 발생될 수 있는 차량 충격하중에 의한 압 전 파형 실험을 포장가속시험기를 이용하여 연구를 수행하 였다. 또한, 소형포장가속시험기를 이용하여 차량 속도에 따 른 특성도 분석하였다. 그림 11에서는 압전 세라믹에 가해 진 충격으로 인하여 발생되는 두가지 파형이 정리 되어져 있다. 자유낙하 에너지는 마샬다짐기를 통하여 압전세라믹 에 하중이 가해졌을 때 압전세라믹에서 발생되는 전압 파 형과 소형포장가속시험기 파형은 도로를 주행하는 자동차 하중이 압전 세라믹에 전달되었을 때 발생되는 파형이다.
마샬다짐기에 의한 파형은 충격 하단부가 고정되어 있어 (+) 전원의 형태로만 나타나며, 충격에 따른 전압 파형의 크기만 확인이 가능하다. 그러나 실제 도로에 설치된 압전 파형은 그림 11의 포장가속시험기에 의한 파형과 같은 (+) 와 (-) 형태의 교류전압 파형을 가지게 된다. 이로부터 직 류 전원을 얻기 위해서 교류를 직류로 변환하는 정류기를 사용하게 된다. 이러한 전압파형은 차축이나 차량의 속도에 따라 발생하게 되며, 이러한 파형을 정류를 통하여 전원을 충전시키고 상시전원으로 사용한다. 그림 12는 도로를 주행 하는 차량 속도의 변화를 시뮬레이션 하기 위해서 소형포 장가속기(MMLS3)의 회전 속도를 다르게 하여, 이때 압전 세라믹에서 발생되는 전압파형을 측정하여 정리하였다. 그 림 12와 같이 소형포장가속기 회전속도가 증가할수록 압전 세라믹의 전압이 크게 증가함을 알 수 있었으며, 파형도
전압이 증가하면서 폭이 감소하는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 차량에 의해 압전체에서 발생되는 전원이 차량 의 속도에 의해 크기와 폭이 달라짐을 볼 수 있으며, 이러 한 전압 파형의 변화가 에너지를 생성하는데 영향을 미치 게 되는 요인이 된다. 또한, 이러한 차량 이동 특성에 따 른 전압 파형의 변화에 대해 최대의 전력을 얻기 위한 압 전체 크기나 설치 방법론에 대한 설계의 기본적인 요소들 로 활용된다.
4. 결 론
도로를 주행하는 차량을 이용하여 신재생에너지를 생산하 기 위한 기초연구로 다양한 하중 전달구조, 압전 발전 수확 기 구조 연구, 다층 압전 세라믹 배열등에 관한 연구를 수 행하였으며, 실험 결과는 다음과 같다.
1. 압전 세라믹에 전달되는 충격하중의 크기가 일정하다면, 동일크기의 압전세라믹의 크기가 동일하다면, 하중전달 방 식에 따라서 압전세라믹에서 발생되는 전압특성에 큰 차 이가 없음을 알 수 있었다.
2. 압전 발전 수확기를 개발 하는데 있어서, 압전 세라믹을 보호하기 위한 고무판을 사용할 경우, 그 고무판의 개수가 증가할 수록 압전세라믹에서 발생되는 전압 크기가 감소 함을 알 수 있었다. 또한, 전달되는 충격에너지가 적음에 도 불구하고, 고무판을 사용하지 않은 경우, 압전 발전 수 확기에서 발생되는 전압이 가장 크게 발생 됨을 알 수 있었다.
3. 다층압전 세라믹 배열 연구에서 에너지가 전달되는 곳에 서 거리가 멀어질 수록 동일 면적의 압전 세라믹에서 발 생되는 전압의 크기가 약간 감소함을 알 수 있었으며, 하 중에너지가 전달되면서 거리에 비례해서 감쇠되기 때문이 라 사료된다. 또한, 충격에너지와 압전발전압의 관계가 선 형적으로 비례관계를 나타냄을 알 수 있었다.
4. 하중 전달 방식에 따라서, 압전 세라믹에서 발생되는 전압 특성이 달라짐을 알 수 있었으며, 도로를 주행하는 차량 하중이 전달 될 경우에는 발생되는 전압파형이 (+)와 (-) 형태의 교류전압 파형 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 또 한 차량 주행 속도에 따른 충격하중의 크기의 변화에 따 른 발생 전압 특성이 달라짐을 알 수 있었다.
참고문헌
