Journal of Sensor Science and Technology Vol. 25, No. 5 (2016) pp. 371-376 http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.5.371 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
전력계통 구조물의 상태진단용 자가발전 무선 센서 노드 개발 및 평가
김창일1 · 정영훈1 · 윤지선1 · 홍연우1 · 장용호2 · 최범진2 · 박신서2 · 손천명3 · 서덕기3 · 백종후1,+
Development and Evaluation of Self-powered Energy Harvester in Wireless Sensor Node for Diagnosis of Electric Power System
Chang Il Kim1, Young-Hun Jeong1, Ji Sun Yun1, Youn Woo Hong1, Yong-Ho Jang2, Beom-Jin Choi2, Shin-Seo Park2, Chun Myung Son3, Duck Ki Seo3, and Jong Hoo Paik1+
Abstract
A self-powered piezoelectric energy harvester was developed for the application in wireless sensor node. The energy har- vester was evaluated with power generation characteristics for the wireless sensor node for structural diagnosis of the electric power system. The self-powered wireless sensor node was set to measure temperature, vibration frequency of the electric power system. A piezoelectric harvester composed of 7 uni-morph cantilevers (functionalized as 6 generators and 1 vibration sensor) was connected to be an array and revealed to produce significantly high output power of approximately 10 mW at 120 Hz under 3.4 g((1 g = 9.8 m/sec
2). The wireless sensor node could work as the electric power generated by the devel- oped piezoelectric harvester.
Keywords: Piezoelectric Transducer, sensor node, Energy harvester, Electric power system
1. 서 론
발전소 구조물의 안전성능 진단을 위해서 발전설비 시설이 운전 중이거나 외부요인으로 인해 운전이 중단된 상태일 때의 환경(진동, 온도, 가스 등)을 감지하기 위한 다양한 센서가 필 요하며 감지된 정보를 확인하기 위한 정보시스템이 필요하다.
발전소 구조물은 관리 인력의 안전사고에 대한 위험성이 매우 높은 환경이며, 규모가 커서 관리해야할 범위가 넓다. 이에 원 격으로 정보를 수신할 수 있고 무선 센서 노드의 배터리를 교 체하지 않아도 자가 발전하여 센서 노드의 작동이 가능한 전 력계통 구조물의 상태진단용 자가발전 무선 온도 센서 노드를
구현하고자 하였다. 기존의 센서 노드는 화학배터리를 전원으 로 사용하거나 전원 케이블을 연결하여 작동된다. 하지만 진 동 에너지를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 이용한 자가발전 형 무선 센서 노드 기술 개발을 통해 기존 센서노드 전원으로 사용되던 화학배터리를 대체하여, 환경오염의 주범인 화학배 터리의 사용을 줄이고, 센서 노드의 전원 교체 주기를 급감할 수 있어 배터리 교체를 위한 불필요한 노동력 투입의 감소는 물론 무선 관리 시스템을 이용하여 안전 사고의 발생을 원천 차단할 수 있다. 이에 상시 전원과 배터리없이 낮은 소비전력 을 사용하는 전자기기에 압전 에너지 하베스팅 연구가 다양하 게 진행되고 있다[1]. 사람의 움직임[2-7]이나 기계류의 진동, 건축물의 진동[8,9], 파도에 의한 운동 에너지[10,11]가 이에 해당된다. 기계공학이나 전기회로에 대한 연구[12]나 자동차 의 간헐적인 진동에 의한 압전 에너지 하베스팅 연구[15-18]
가 이루어졌으며 최근 전력 계통의 구조 진단을 위한 하베스 팅 연구가 있었다[19,20]. 압전 소재를 이용하여 외부 진동 환 경(전력계통 구조물의 진동)에 최적화된 에너지 하베스터의 구 조를 설계하여 하베스팅 모듈을 제작하였으며 성능평가를 위 한 데모 실험을 실시하였다. 전력계통 구조물에 부착된 자가 발전 온도와 진동센서의 감지정보를 수 분 간격으로 무선전송 및 수신하여 모니터링 할 수 있음을 확인하여 발전소 구조물 의 안전성능 진단 시스템을 구현 하였다.
1한국세라믹기술원 전자소재부품센터(Electronic Materials &
Component Center, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology) 101, Soho-ro, Jinju-si, Gyeongsangnam-do, 52851, Korea
2(주)센불 (Senbool Inc.)
38, Hambangmoe-ro 402 beon-gil, Namdong-gu, Incheon, 21639, Korea
3한전KDN(주) (KDN Electric power IT Research Institute, KEPCO KDN Co.) 661, Bitgaram-ro, Naju-si, Jeollanam-do, 58217, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Sep. 26, 2016, Revised: Sep. 28, 2016, Accepted: Sep. 30, 2016)
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2. 실험 방법
2.1 압전 모듈 제작
전력계통 구조물의 안전 상태를 진단하기 위하여 압전 세라 믹을 에너지원으로 활용하여 온도, 진동 등을 센싱하고 이를 실 시간으로 네트워크에 연결하는 Wireless Sensor Network (WSN) 시스템 구축이 가능하도록 압전 모듈을 제작하고자 하였다. 자 가 발전 무선 센서 노드를 제작하기 위해서 전력계통 구조물의 주기적인 진동 에너지를 이용하였다. 주기적인 진동 에너지에 의해 압전체가 변형되어 사인파 형태로 나타나면 정류회로를 통 하여 정류하고 캐패시터에 충전하여 센서 노드에 사용이 가능 하도록 하였다. 압전 에너지 하베스팅 소자는 금속판(37 mm × 61 mm × 0.4 mm) 에 압전 시트(35 mm × 35 mm × 0.3 mm)을 부착하여 제작 하였으며, 이때 사용한 조성과 압전 시트의 특성 값은 Table 1과 같다.
제작한 압전 캔틸레버 7개를 에너지 하베스터(242 mm × 178 mm × 16 mm) 에 장착하였다. 압전 캔틸레버는 진동 주파수 120 Hz 에 맞도록 캔틸레버 끝단에 무게추를 부착하여 공진 주파수를 맞추었다. 센서 노드와 정류 회로를 에너지 하베스터 케이스안에 함께 장착하였다. 제작한 에너지 하베스터 직육면체 구조 뒷면에 자석을 매립하여 전력 계통 구조물에 부착이 용이하게 하였고, 우천시에 수분이 내부로 침투되지 않도록 고무링을 사용하였다
(Fig. 1). 무선 센서 노드 내부에는 7개의 압전소자와 정류회로 그 리고 한 개의 무선센서노드(온도, 주파수 측정)가 장착되어 있다.
7 개의 압전 소자 중 6개는 자가 발전용 소자이며 한 개는 전력 계통 구조물의 진동 주파수를 측정하는 센서로 사용 하였다. 정 류 회로는 진동에 의해 발생되는 교류형 전압을 직류로 정류하 는 역할을 하며 무선 센서 노드는 온도 계측 값, 진동 주파수 계 측 값, 캐패시터의 전압 계측 값을 무선으로 송신하는 역할을 한다.
2.2 센서 노드 제작
Fig. 2 는 자가발전 에너지 하베스터 무선 센서 노드의 개념도 이며 Table 2는 무선 센서 노드의 스펙이다. 지그비 칩셋(EM357, Ember 사)을 사용하여 2.4 GHz의 무선 통신 주파수를 사용한다 . 소비 전원은 10 mW이며 온도 계측 운전시는 3.3 V, 0,3 mA 이하로 필요하며 진동 계측 운전시는 3.3 V, 1.5 mA 이하가 필 요하다. 이를 100 mm × 50 mm × 40 mm 크기에 집적시키고 50 g 이하로 제작하였다. 충전용 콘덴서는 1 F을 사용하였고 온 도 센서는 NTC 소자로 -40 ~ 105 ℃ 계측 범위를 가진다. 진 동 센서로 사용되는 압전 캔틸레버는 0 ~ 240 Hz의 주파수를 계측이 가능하다. 안테나는 내장 안테나와 외장 안테나를 사용 가능하도록 설계하였고 본 연구에서는 내장 안테나를 사용하여 전력계통 구조물 현장에서 시험 평가하였다. 센서 노드의 전원 으로 사용하기 위해 압전 캔틸레버 6개를 연결하였고 각각의 압 전 캔틸레버에서 발생되는 교류 전압을 정류하기 위해 정류 회 로를 거쳐 콘덴서에 충전 하도록 하였다. 진동 주파수를 측정하 기 위한 진동 센서는 동일한 압전 캔틸레버를 사용하였다.
Fig. 1. Photograph of the piezoelectric energy harvester and sensor node
Table 1. d 33 ×g 33, k p , Q m of the 0.71 Pb (Zr 0.47 Ti 0.53 )O 3 + 0.29 Pb {(Ni 0.6 Zn 0.4 ) 1/3 Nb 2/3 }O 3 piezoelectric ceramic
Parameter Features
d 33 ×g 33 15,000 pCVm/N 2
kp 65 %
Qm 80
Fig. 2. Schematic of the self-powered energy harvester sensor node
Development and Evaluation of Self-powered Energy Harvester in Wireless Sensor Node for Diagnosis of Electric Power System
2.3 발전 특성 평가
Fig. 3 은 주기적인 진동원에 의한 압전 캔틸레버의 발전 특성 을 계산하는 방법이다. 진동에 의해 압전 캔틸레버가 변형되면 주기적인 사인파 형태의 파형이 나타나고 이를 정류회로와 저 항을 연결하여 시간에 따른 파워 그래프를 그린뒤 이를 시간에
대하여 적분하고 측정시간으로 나누면 압전 에너지 하베스터의 발생 전력을 계산할 수 있다. Fig. 4는 전력 계통 구조물의 진 동 환경을 계측한 뒤 실험실에서 진동을 구현하기 위한 실험 장 치이다. 파형발생기로 파형을 만들고 증폭기로 신호를 증폭하여 가진기에 인가하여 전력 계통 구조물의 진동 환경을 구현하였 다. 압전 에너지 하베스터를 진동 구조물 측면에 부착하는 형태 가 되므로 가진기를 지면에 평형하게 하고 제작한 에너지 하베 스터를 진동계와 함께 고정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 하베스터 발전 특성 평가
Fig. 5는 전력계통 구조물의 진동환경을 구현하여 압전 에너 지 하베스터의 발전특성을 평가한 모습이다. 발전량은 가진기 위에 무선센서노드를 고정하고 회로상에 5.67 kΩ의 특정저항을 연결한 후 전력계를 이용하여 측정한 값이다. 전력계통 구조물 옆면의 수직방향의 진동은 속도 28.89 mm/s, 가속도 3.4 g(1 g
= 9.8 m/sec
2), 변위는 0.101 mm으로 계측되었으며, 수평방향의 진동 가속도는 1.3 g(1 g = 9.8 m/sec
2) 으로 계측되었다. 이와 같은 진동 환경을 실험실에서 구현하기 위해서 파형발생기를 이 용하여 sine파 형태인 120 Hz의 진동을 인가하고, 가진기의 가 속도가 3.4 g (1 g = 9.8 m/s
2)가 되도록 설정하였으며 이러한 조건에서 10.007 mW의 전력이 발생함을 확인하였다.
Table 2. Wireless sensor node
Parameter Features
Zigbee chipset model EM357 (Ember) Communication frequency
rage 2.4 GHz
Consumption of electrical power
Power 10 mW
Temperature sensor : 3.3 V/ 0.3 mA Frequency sensor : 3.3 V/ 1.5 mA
Size 120 mm × 50 mm × 40 mm
Weight 50 g
Fig. 4. Experimental setup for periodical vibration
Fig. 3. Calculation method of output power on periodical vibration
Fig. 5. Photograph of the experimental setup and output power of piezoelectric energy harvester
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3.2 현장평가
Fig. 6은 전력 계통 구조물의 진동을 수반하는 전력 계통 기 기에 자가발전 모듈을 설치하여 발전량을 측정하고, 자가발전 상태에서 계측 및 무선통신기능이 정상적으로 수행되는지 여부 를 확인한 현장 실증 시험 모습이다. 무선 통신 기능의 수신은 Merging Unit 를 통해 주장치(상위HMI)에 데이터가 정상적으로 수신되는지 여부를 확인하였다.
실증 시험 현장에는 무선 센서 노드 일체형 에너지 하베스터 1대, Merging Unit(MU) 1대, 광미디어 컨버터 1대, 상위 HMI(CMD-UI) 1 대를 설치하였다. 전력 계측은 디지털 파워 미 터로 저항 7.2 kΩ을 연결 하였을 때 발전 전압은 8.49 V가 계 측되었고, 발전 전력은 10 mW가 계측되었다. 실험실에서 진동 환경을 모사한 경우 정확한 120 Hz이지만 현장의 진동은 주된 주파수가 120 Hz이지만 다른 주파수가 혼합된 형태이기 때문 에 임피던스 매칭시 서로 다른 저항 값을 사용하였다. 슈퍼 캐 패시터의 충전 전압은 디지털 멀티 미터로 계측시 초기 전압은 1.501 V이었으며 558초뒤 3.784 V가 계측되어 콘덴서의 충전 시간은 약 6분인 것으로 측정 되었다. 무선 멀티센서 노드는 정 상적으로 작동하였고, 진동구조물 함체의 온도, 진동크기 및 주 파수를 확인할 수 있었다.
3.3 무선 송신 평가
Fig. 7은 전력 계통 구조물 측면에 부착된 에너지 하베스터를 에너지원으로 하여 전력 계통 구조물의 표면 온도와 진동 주파 수 그리고 에너지 하베스터의 슈퍼 캐패시터의 전압을 측정하
여 2분 주기로 무선 송신하고 수신하는 실증 시험의 모습이다.
데이터 수집장치를 이용하여 측정한 데이터를 수신하고 기록하 여 화면에 나타낸다. 송신과 수신의 작동 여부를 100시간 동안 기록하였다.
Fig. 8 은 무선 센서 노드의 슈퍼 캐패시터의 전압을 2분 주기 로 수신한 데이터이다. 무선 센서 노드가 정상 작동 하기위한 전압 이하로 내려가지 않고 압전 에너지 하베스터에 의해 충분 한 전압이 공급됨을 확인 할 수 있었다.
3.4 내구성 평가
Fig. 9는 자가 발전 무선 센서로부터 만 4일 동안 수신한 전 력 계통 구조물 표면의 온도와 진동에 의해 압전 캔틸레버의 발 생 전압 크기 그리고 진동 주파수 데이터 이다. 슈퍼 캐패시터 의 완충 전압 3.8 V 이상에서 계속 유지 되는 것을 확인하였으 며 이때 전력 계통 구조물의 표면 온도는 최고 39.5
oC, 최저 26.0
oC 이었다. 전력 계통 구조물의 진동 크기는 최고 5.7 V, 최 저 3.4 V로 계측되었다. 진동 주파수 계측 결과는 최고 진동 주 Fig. 6. Experimental setup and Evaluation (a) setup energy harvester
(b) vibration (c) power of energy harvester (d) capacitance (initial) (e) capacitance (final)
Fig. 7. Experimental setup of self-powered energy harvester in wire- less multi sensor node for diagnosis of electric power system
Fig. 8. Capacitance voltage versus time
Development and Evaluation of Self-powered Energy Harvester in Wireless Sensor Node for Diagnosis of Electric Power System
파수는 120.4 Hz이었고 최저 진동 주파수는 119.6 Hz이었다.
100 시간, 약 만4일 이상의 평가 기간 중 압전 에너지 하베스터 에 의한 전원 공급이 유지되었고 무선 센서 노드의 정상 작동 이 가능함을 확인 하였다.
4. 결 론
전력계통 구조물의 감시와 안전성능 진단을 위해서 진동을 이 용한 자가 발전형 무선 센서 노드 기술개발을 통해 유해한 배 터리 기반의 독립전원 관리한계를 극복하고 무전원의 친환경형 자가발전 개념의 기술을 개발하였다. 본 연구에서는 압전 소재 를 이용하여 외부 진동 환경(전력계통 구조물의 진동)에 최적화 된 에너지 하베스터의 구조를 설계하여 하베스팅 모듈을 제작 하였으며 옥외 전력계통 구조물에 자가발전 무선센서 노드를 부 착하여 충방전 여부, 송수신 여부를 평가를 수행하여 다음과 같 은 결론을 얻었다.
1. 전력계통 구조물의 표면 진동을 에너지원으로 하는 압전 에너지 하베스터에 연결한 캐패시터는 방전없이 충전 가능함을 확인하였으며 슈퍼 캐패시터의 충전 전압은 디지털 멀티 미터 로 계측시 초기 전압은 1.501 V이었으며 558초뒤 3.784 V가 계
측되어 콘덴서의 충전시간은 약 6분이었다.
2. 진동 주파수가 120 Hz이고 진동 가속도가 3.4 g인 전력계 통 구조물에 부착한 압전 하베스터의 발전량은 10.722 mW 이었다.
3. 압전 하베스터를 전원으로 작동하는 무선 온도, 진동센서 노드를 통해 캐패시터의 전압, 진동(Hz)데이터를 송수신 가능함 (4 일연속)을 확인하여 전력 계통 구조물의 안전성능 진단 시스 템의 적용가능성을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 2015년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다. (No.
20151120100260)
REFERENCES
