논문 2012-49SC-1-7
자전거 주행의 진동 분석에 기반한 에너지 수확 증진 기술 개발
( Enhanced Energy Harvester Based on Vibration Analysis of Bicycle Riding )
여 정 진*, 유 문 호**, 김 정 자**, 양 윤 석****
( Jung Jin Yeo, Mun Ho Ryu, Jung Ja Kim, and Yoon Seok Yang )
요 약
자전거는 균형을 유지하며 빠른 속도로 주행하는 과정에서 여러 형태의 상당한 운동 에너지가 내재되어 있어, 에너지 수확 기술을 적용하는데 있어 큰 장점을 갖는 이동형 플랫폼이다. 자전거에 에너지 수확 기술을 적용해 높은 출력을 얻기 위해서는 주행 중인 자전거의 운동 특성을 면밀히 관찰하고 이해하는 것이 필요하지만 실제 도로를 주행하는 자전거의 움직임을 정밀하 게 측정한 연구나 이를 위한 전용의 측정 장치는 거의 없는 실정이다. 본 연구는 MEMS 기반의 가속도 센서를 이용하여 주행 중인 자전거의 동적 상태를 측정하고 이를 토대로 자전거 주행에 동반되는 에너지의 특성을 분석함으로써 이에 적합한 에너지 수확 증진 기술을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 일반 자전거를 이용한 도로 주행 실험에서 주행 속도와 무관한 주파수 특 성을 갖는 평균 1g 전후의 잉여 진동 에너지가 수반됨을 확인하였으며, 임의진동 에너지의 효과적인 수확을 위해 비선형 특성 을 갖는 자기부상형 전자기 유도 방식의 에너지 수확기 프로토타입을 개발하였다. 개발된 에너지 수확기를 자전거에 장착하여, 휴대용 센서 및 근거리 무선 통신 모듈의 구동이 가능한 평균 1.5 mW 의 전력 생산을 검증하였다. 현재 자전거 차체의 진동 분리 및 변환 효율 향상을 위한 연구가 진행 중이며, 향후 증진된 출력을 바탕으로 각종 스마트 정보 기기의 지속적인 전력 공급을 위한 기반 기술이 될 것으로 기대한다.
Abstract
Bicycle has a large amount of kinetic energy available for energy harvesting technology in its speedy and balanced riding movement. Systematic and realistic analysis of its dynamic property is essential to improve the efficiency of energy harvester. However, there has not been enough researches about precise measurement or analysis of bicycle dynamics on real roads. This study aims to investigate the characteristics of vibrational movement of bicycle using MEMS-based accelerometer and to develop a prototype of electromagnetic energy harvester with nonlinear behavior which is proper to the random vibrations accompanied in bicycle riding. The vibrational components have average magnitude of 1 g and turn out to be independent of riding speed. The developed prototype of energy harvester was installed on a front port of a bicycle to use this ambient vibration and generated an average electrical power of 1.5 mW which is enough to support power for most of portable sensors and short range radio-frequency communication. Further study about isolation of vibration from a rider and conversion efficiency is ongoing. The developed energy harvester is expected to be a platform technology for sustainable portable power supply for various smart IT devices and applications.
Keywords: Bicycle dynamics, Accelerometer, Ambient vibration scavenging, Energy harvesting
* 정회원, 전북대학교 헬스케어공학과
(Department of Healthcare Engineering, Chonbuk National University)
** 정회원, *** 정회원-교신저자, 전북대학교 바이오메디컬공학부 (Division of Biomedical Engineering, Chonbuk National University)
※ “이 논문은 2011년도 교육과학기술부로부터 지원받아 수행된 연구임”(지역거점연구단육성사업/헬스케어사업단) 접수일자: 2011년11월25일, 수정완료일: 2012년1월9일
Ⅰ. 서 론
자전거 주행은 균형 감각을 포함한 인체 시스템의 매 우 정교하고 최적화된 반응이 요구되는 생체 역학적 활 동으로서, 탑승자가 지속적으로 균형을 유지하며 각종 도로를 주행하는 과정에 상당히 높은 수준의 운동 역학 적 에너지가 잠재되어 있다. 자전거 주행 중의 에너지 를 전력으로 변환하여 이용하는 기존의 방법으로는 회 전하는 자전거의 바퀴에 발전기를 부착하는 다이나모 방식을 대표적인 예로 들 수 있다. 그러나 페달링에 따 르는 사용자의 운동 부하를 크게 증가시키는 단점으로 인해 그 활용성에 한계를 보여 왔다. 이에 반해 사용하 지 않으면 어차피 버려지게 되는 잉여에너지를 이용하 여 전기에너지를 생산하는 방식은 전력생성량이 상대적 으로 적음에도 불구하고, 별다른 노력이나 추가적인 운 동 부하에 따른 에너지 소모가 없다는 점에서 큰 의미 를 갖는다. 자전거 주행에서 생기는 잉여에너지를 전기 에너지로 변환․활용하기 위해서는 자전거 주행의 동적 인 특성에 대한 체계적인 관찰과 분석이 필요하다. 그 러나 실내에 측정 기반을 두고 있는 인체 보행 분석 등 과 달리 실제 도로를 주행 중인 자전거의 역학적 특성 을 다룬 분석 연구는 많지 않으며, 이를 위한 전문화된 계측 도구 또한 전무한 실정이다[1-3]. 최근 자전거를 기 반으로 한 에너지 수확 과정에서 차체의 진동 특성을 정량화하려는 시도가 있었으나 실험의 범위가 제한됨으 로 인해 자전거 주행의 특성을 정확히 파악하는 데에는 한계가 있었다[4].
본 연구에서는 MEMS (Micro-electro mechanical system) 기반의 소형 3축 가속도센서를 이용해 자전거 주행 시 수반되는 진동의 크기, 패턴, 주파수 특성을 분 석하고, 이를 근거로 자전거 주행 중 수반되는 진동을 보다 효과적으로 활용할 수 있는 에너지 수확기를 개발 하는 것을 목표로 하였다.
Ⅱ. 자전거 주행 중 수반되는 진동의 측정
별도의 전용 도로나 전용 차선이 마련되어 있지 않은 우리나라의 자전거 도로 여건을 고려할 때, 자전거는 그림 1과 같이 요철이 많은 노면 뿐 아니라, 인도와 차 도의 경계를 지나야 하는 경우가 많다. 이는 주행 시 많 은 흔들림과 진동의 요인이 된다. 그러므로 이러한 자 전거의 실제 주행에서 발생하는 진동의 특성을 먼저 파
그림 1. 주행 실험이 실시된 도로의 표면
Fig. 1. Surface of the road that implemented riding experiment.
그림 2. 주행 중의 진동 측정을 위한 장치 구성
Fig. 2. Device configuration for vibration measurement during riding.
악하는 것이 에너지 수확 효율을 향상시키는데 있어 무 엇보다 중요하다.
앞 포크 (Front fork)는 바퀴의 중심축과 연결되어 지면으로부터 발생하여 바퀴 살 (Spoke)로 전달된 충격 을 일차적으로 수용하는 부분이므로 자전거의 차체 중
(a) (a)
(b) (b)
(c)
그림 3. 15 km/h 속력에서 측정 범위 ± 6 g 의 가속도 센서를 사용하여 측정된 진동 데이터
(a) X 축, (b) Y 축, (c) Z 축
Fig. 3. Vibration data measured using accelerometer of
± 6 g range at the riding speed of 15 km/h (a) X axis, (b) Y axis, (c) Z axis.
(c)
그림 4. 5 km/h 의 속력에서 측정 범위 ± 12 g 의 가 속도센서를 사용하여 측정된 진동 데이터 (a) X 축, (b) Y 축, (c) Z 축
Fig. 4. Vibration data measured using accelerometer of
± 12 g range at the riding speed of 5 km/h (a) X axis, (b) Y axis, (c) Z axis.
가장 큰 진동이 발생하는 부분 중의 하나이다. 특히 앞 포크에 충격 흡수 장치 (Suspension)가 장착된 자전거 의 경우 지면으로부터 수반되는 진동이 차체의 프레임 (Frame) 및 탑승자로 전달되어 감쇄되지 않으므로 진 동의 관점에서 이해할 때, 바퀴는 프레임으로부터 분리 되어 보다 자유로운 진동을 경험하게 된다. 따라서 앞 포크 혹은 충격 흡수 장치는 진동에너지 수확에 가장 적합한 위치라고 할 수 있다[5].
진동 측정을 위한 실험에 사용된 자전거는 앞 포크에 충격 흡수장치가 장착된 MTB (Mountain Bicycle) 스 타일의 자전거로 차체의 무게는 17.5 kg, 탑승자의 무게 는 70 kg 이었다. 그림 2는 자전거의 앞 충격 흡수 장 치에 부착된 3축 가속도센서의 위치와 데이터 획득을 위한 장치 구성을 보여준다. 가속도센서로의 출력 데이 터는 NI USB-6009 DAQ (National instruments, USA) 를 이용하여 1 kHz 의 샘플링 주파수로 배낭 속의 노
트북에 실시간으로 전송․저장하였다. 주행 속도에 따 른 영향을 알아보기 위해 자전거는 각각 5 km/h, 10 km/h, 15 km/h, 20 km/h 의 속력으로 캠퍼스 내의 도 로를 주행하였다. 이때 가속도센서의 측면 기울어짐으 로 인한 성분 측정의 오차를 줄이기 위해 좌우의 흔들 림은 가능한 최소로 유지하며 주행하였다.
1. 진동의 크기
그림 3은 사전 연구 과정에서 15 km/h 의 속도로 주 행하는 자전거에서 측정 범위 ± 6 g (g: 지구 중력 가 속도)의 가속도센서를 사용한 초기 실험을 통해 측정된 데이터 중 하나이다. 자전거의 주행 방향인 X 축 방향 으로는 최대 2 g 의 진동이 발생하는 것을 볼 수 있다.
지면과 수직 방향인 Z 축 방향에서 진동은 가장 큰 값 을 나타냈으며 특히 일부 구간에서의 진동은 센서의 측 정 범위인 ± 6 g 를 벗어난 것으로 나타나서, 보다 정
(a) (a)
(b) (b)
(c)
그림 5. 10 km/h 의 속력에서 측정 범위 ± 12 g 의 가 속도센서를 사용하여 측정된 진동 데이터 (a) X 축, (b) Y 축, (c) Z 축
Fig. 5. Vibration data measured using accelerometer of
± 12 g range at the riding speed of 10 km/h (a) X axis, (b) Y axis, (c) Z axis.
(c)
그림 6. 15 km/h 의 속력에서 측정 범위 ± 12 g 의 가속도센서를 사용하여 측정된 진동 데이터 (a) X 축, (b) Y 축, (c) Z 축
Fig. 6. Vibration data measured using accelerometer of ± 12 g range at the riding speed of 15 km/h (a) X axis, (b) Y axis, (c) Z axis.
확한 측정을 위해 측정범위 ± 12 g의 아날로그 가속도 센서 MMA7331L (Freescale, USA)를 이용하여 측정 장치를 다시 구성하고 실험을 반복하였다. 가속도센서 를 제외한 다른 구성은 모두 이전 실험과 동일하게 유 지하였으며 자전거 속력에 따른 영향을 파악하기 위해 동일한 도로에서 5 km/h, 10 km/h, 15 km/h, 20 km/h 로 주행 조건을 달리하여 실험을 반복하였다. 대표적인 측정 결과들을 그림 4～7에 나타냈다.
가. 5 km/h 에서의 가속도 측정
그림 4에서와 같이 5 km/h 의 속력에서 자전거는 주 행 방향인 X 축과 지면에 수직 방향인 Z 축 방향으로 약 1 g 진폭 (peak-to-peak) 의 비슷한 크기의 가속도 를 받고 있으며 진행 방향과 수직인 측면 방향의 Y 축 은 전반적으로 요동하는 불규칙한 파형을 보이고 있다.
이는 다른 속력에서의 Y 축 데이터와 비교해 볼 때, 저속에서 자전거의 균형을 잡기위한 잦은 핸들 움직임
과 중심 이동에 기인한 것으로 생각할 수 있다.
나. 10 km/h 에서의 가속도 측정
그림 5의 10 km/h 속력에서 자전거에 가해지는 진 동은 그림 4와 비교할 때 X 축 및 Z 축에서 진동의 크 기는 비슷하나 속력이 증가함에 따라 Z 축이 보다 큰 피크 (peak) 값을 갖는 경향이 나타났다. 한편 주행 속 력의 증가는 자세 안정화에 기여하여 Y 축 데이터에 나타났던 불규칙한 요동 성분이 많이 사라진 것을 볼 수 있다.
다. 15 km/h 에서의 가속도 측정
그림 6의 15 km/h 속력의 주행에서는 Z 축이 받는 진동 에너지의 피크 값이 더욱 크고 빈번하게 나타나는 것을 볼 수 있으며 X 축과 비교하였을 때 Z 축으로 진 동이 집중되어 나타나는 것을 볼 수 있다. 15 km/h 속 력에서 ± 6 g 의 가속도센서를 사용하여 얻은 데이터인
그림 3과 비교하면 대부분의 구간에서 진동의 크기와 형태가 유사함을 볼 수 있으나, 그림 6에서는 이전의 측정범위 ± 6 g 센서를 사용하였을 때 측정이 불가능하 였던 해당 구간에서 Z 축 방향으로 순간적으로 약 8 g 의 가속도가 측정된 것을 볼 수 있다. 8 g 의 가속도 수치는 우주비행사들의 극한 훈련에 사용되는 중력가속 도와 비슷한 수준이며 이는 전기 에너지로 변환한다면 상당한 수준의 에너지가 됨을 예측할 수 있다.
라. 20 km/h 에서의 가속도 측정
20 km/h 의 속력으로 주행한 데이터인 그림 7에서 는 Z 축에서 최대 약 12 g 에 이르는 중력 가속도가 발생하고 있으며 이는 속도가 증가할수록 X 축에 비해 Z 축에 대한 진동이 급격히 증가하는 것을 나타내고 있다.
(a)
(b)
(c)
그림 7. 20 km/h 의 속력에서 측정 범위 ± 12 g 의 가 속도센서를 사용하여 측정된 진동 데이터 (a) X 축, (b) Y 축, (c) Z 축
Fig. 7. Vibration data measured using accelerometer of
± 12 g range at the riding speed of 20 km/h (a) X axis, (b) Y axis, (c) Z axis.
2. 진동의 주파수 특성 분석
진동원이 갖는 주파수 대역에 적당한 진동 에너지 수 확기를 설계하는 것은 에너지 수확의 효율 향상과 출력 을 증대시키기 위해 매우 중요하다[6-9]. 효과적인 에너 지 수확기의 개발을 위해, 여러 속력에서 측정된 자전 거 진동의 주파수 특성을 각각 분석하였다. 5 km/h, 10 km/h, 15 km/h, 20 km/h 속력의 자전거 주행으로부터 진동이 가장 크게 발생하는 Z 축에서의 진동 데이터를 각각 Matlab (MathWorks, USA)을 이용해 FFT (Fast
(a)
(b)
(c)
(d)
그림 8. 주행 속력에 따른 자전거 진동의 주파수 특성 (a) 5 km/h, (b) 10 km/h, (c) 15 km/h, (d) 20 km/h
Fig. 8. Frequency response of the bicycle vibration at different riding speed (a) 5 km/h, (b) 10 km/h, (c) 15 km/h, (d) 20 km/h.
(a)
(b)
그림 9. 주행 중 진동 데이터 수집을 위한 측정 시스템 구성 (a) 도시형 자전거, (b) 미니벨로 자전거 Fig. 9. Measurement system for vibration data
acquisition during riding.
(a) city bicycle, (b) minivelo
Fourier Transform) 분석하고 그 결과를 그림 8에 나타 냈다. 5 km/h 속력의 주행에서는 진동의 주파수 특성이 뚜렷하지 않으나 10∼20 km/h 사이의 속력에서는 주로 10∼20 Hz 사이의 주파수 대역에 걸쳐 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히 15∼20 km/h 의 속력으로 주행하는 경우, 진동은 약 15∼20 Hz 의 대역에서 최대 크기를 갖는 것을 관찰할 수 있다. 일반 자전거 사용자들의 평 균 도로 주행 속력이 15∼20 km/h 임을 감안하면 자전 거 주행의 진동 에너지 수확기는 15∼20 Hz 의 공진 주 파수를 갖도록 하는 것이 에너지 수확 효율을 향상시키 는데 유리할 것으로 생각할 수 있다.
그러나 모터, 보일러 등의 설비에서 발생하는 지속적 이고 일정한 주파수와 크기를 갖는 진동과 달리, 자전 거의 경우 주행 중에 수반되는 진동은 임의적인 특성이 많고, 주파수 대역폭이 넓을 뿐 아니라, 자전거의 종류 와 탑승자의 무게 등도 변수로 작용하므로, 공진 주파 수를 정확히 일치시켜 최대 공진 특성을 갖는 진동 에 너지 수확기는 제작하기도 쉽지 않을 뿐 아니라, 실제 진동 에너지의 수확에 효과적이지 못할 수 있다.
참고를 위해 여러 자전거의 종류에 따른 진동의 주파 수 특성 분석을 시행하였다. 그림 9에 동일하게 도시형 자전거와 미니벨로 자전거에 구성된 측정 시스템을 나 타내었다. MTB와 크기 및 형태에서 차이가 큰 대표적
(a)
(b)
그림 10. 15 km/h 속력의 주행에서 자전거의 진동 주파수 특성 (a) 도시형 자전거, (b) 미니벨로 자전거
Fig. 10. Vibration frequency response of different bicycles at the riding speed of 15km/h (a) city bicycle, (b) minivelo.
인 두 종류의 자전거를 이용하여 동일한 탑승자와 도로 조건에서 실험을 반복하고 이로부터의 진동 주파수 특 성을 비교하였다. 그림 10은 자전거의 주행 속력 15 km/h 에서 도시형 자전거 (City bicycle), 미니벨로 자 전거 (Minivelo)의 진동 주파수 특성을 보여준다. 그림 8-(c)와 비교하여 그림 10-(a)의 도시형 자전거의 진동 은 10～20Hz에서 공진주파수가 넓은 대역폭을 갖는 특 징을 비슷하게 보여주고 있다. 그러나 그림 10-(b)의 미 니벨로 자전거는 도시형 자전거, MTB와는 다른 주파 수 특성을 보이고 있으며 10Hz 미만과 30∼40Hz 사이 에서 상대적으로 작은 진폭을 갖는 두 개의 공진 주파 수 대역이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 통 해 다양한 종류의 자전거에서 두루 적용이 가능한 효과 적인 에너지 수확기의 개발이 필요함을 알 수 있다.
Ⅲ. 자전거 진동 에너지 수확기 개발
1. 에너지 수확기 제작 및 특성 평가
기존 대부분의 선형 에너지 수확기 (Linear energy harvester)는 공진 주파수에서 가장 큰 출력을 내는 특 성을 갖고 있으나, 앞서 기술한 바와 같이 정확한 공진 주파수를 갖도록 에너지 수확기를 제작하는 것은 매우 힘든 일이며, 진동의 공진 주파수와 일치하지 않는 경
우가 더 일반적인 일상의 임의의 진동을 효과적으로 에 너지로 변환하는 데에는 한계가 있다[10].
반면 최근 연구되기 시작한 비선형 에너지 수확기 (Nonlinear energy harvester)는 선형 에너지 수확기와 같이 공진 주파수를 가지고 있긴 하지만 훨씬 넓은 주 파수 대역에 걸친 비교적 평탄한 출력을 가질 뿐 아니 라, 장치의 파라미터를 조금 수정함으로써 공진 주파수 대역을 쉽게 변화시킬 수 있는 장점으로 인해 제작 상 에 유리하며, 이를 바탕으로 일상의 임의적 진동을 효 과적으로 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술로 가능성 을 주목받고 있다[11]. 더욱이 적당한 초기 조건이 주어 지면 선형 에너지 수확기에 비해 매우 큰 최대 출력을 얻을 수 있다는 장점도 있다.
그림 8에서 볼 수 있듯이, 자전거의 종류에 따라서도 조금씩 달라지는 진동의 주파수 특성을 감안할 때 이러 한 비선형 에너지 수확 방식을 활용하는 것이 효과적일 것으로 생각되었다.
비선형 에너지 수확기의 구현을 위해 강자성의 희토 류 (Rare-earth) 네오디뮴 자석 (Neodymium magnet) 을 이용한 자기 부상 (Magnetic levitation) 방식의 수확 기를 설계 후 제작하였다. 진동 주파수 대역의 조절을 위해서는 시뮬레이션을 이용한 세부 파라미터 추정 기 법 대신, 3차원 설계 도구와 쾌속 조형기 (Rapid Prototype Machine)인 FDM Vantage (Stratasys, USA)을 이용하여 얻은 자석의 세기, 코일의 위치 등에 의한 사전 데이터를 바탕으로 테스트를 거쳐 개발하였 다. 그림 11에 에너지 수확기의 간단한 모식도와 쾌속 조형을 위해 ProEngineer (PTC, USA) 로 작성된 3차 원 설계 도면을 나타냈다. 그림 11-(a)과 같이, 원통 밑
(a) (b)
그림 11. 에너지 수확기 설계 (a) 모식도, (b) 3D 도면 Fig. 11. Energy harvester design
(a) draft, (b) 3D drawing for rapid prototyping.
그림 12. 제작된 비선형 에너지 수확기 Fig. 12. Developed nonlinear energy harvester.
Parameter Dimension
Tube length (mm) 100
〃 inner diameter (mm) 20.2
〃 outer diameter (mm) 24.5
Middle magnet thickness (mm) 10 〃 diameter (mm) 20
End magnets thickness (mm) 5
〃 diameter (mm) 20
Coil thickness(mm) 0.3
Coil turns 350
Coil layers 7
표 1. 에너지 수확기의 파라미터
Table 1. Parameter of the energy harvester.
그림 13. 에너지 수확기의 주파수 특성 분석을 위한 측 정 시스템 구성
Fig. 13. Measurement system configuration for analysis the frequency response of the energy harvester.
부분에 고정된 자석의 척력에 의해 공중에 부상된 영구 자석이 외부의 진동을 받아 상하로 운동하고, 이 때 외 부에 감겨진 코일에 유도 전류를 발생하게 된다. 그림 11-(b) 도면으로부터 쾌속 조형을 이용하여 그림 12와 같이 프로토타입을 제작하였다. 에너지 수확기 구성의 세부 파라미터들을 표 1에 나타내었다.
그림 14. 가진 장치에서의 에너지 수확기 주파수 특성 Fig. 14. Frequency response of energy harvester on the
shaker.
제작된 에너지 수확기의 진동 입력에 대한 주파수 응 답 특성을 그림 13의 가진장치 (Shaker)를 이용해 측정 하였다. 파형 발생기 (Function generator)와 가진 장치 를 이용해 0～50 Hz 주파수를 갖는 2 g 의 진동을 인 가하여 얻은 에너지 수확기의 주파수 응답 특성은 그림 14와 같다. 에너지 수확기는 20 Hz 근처의 대역에서 피 크를 가지며 앞에서 기술한 자전거의 진동 주파수 대역 을 포함한 넓은 주파수 대역에 걸쳐 비교적 완만한 특 성 곡선을 보이고 있다.
2. 주행 중의 에너지 수확기 전력 생산량 평가 실제 주행에서의 전력 생산량을 측정하기 위해 그림 15와 같이 자전거의 앞 포크 (충격 흡수 장치 하단)에 제작된 에너지 수확기를 부착하고, 캠퍼스 내의 도로에 서 15 km/h 속력의 주행으로 실험을 진행하였다. 아울 러 자전거의 종류에 따른 에너지 수확기의 전력 생산량 을 비교하기 위해 도시형 자전거와 미니벨로 자전거에 도 에너지 수확기를 부착하여 동일한 조건에서 실험을 반복하였다. 주행 과정에서 얻어진 각 자전거에서의 평 균 전력 생산량을 표 2에 나타내었다.
그림 15. 자전거 주행 실험(15 km/h)에서의 에너지 수확 기 및 측정 시스템 구성
Fig. 15. Energy harvester and measurement system configuration in the bicycle riding experiment(15 km/h).
Bicycle type Generated energy
MTB 1.5 mW
City bicycle 0.74 mW
Minivelo bicycle 0.73 mW
표 2. 여러 종류의 자전거에서의 에너지 수확기 전력
생산량 비교
Table 2. Comparison of energy harvester's electric power output in the various bicycle.
MTB에서의 평균 전력 생산량은 1.5 mW로 다른 두 종류의 자전거들에 비해 평균 2 배 정도 크게 나타났다.
이는 앞서 설명한 것처럼 충격 흡수 장치에 의해 탑승 자로부터 진동이 분리된 데 따른 효과로 해석할 수 있 다. 한편 크기와 구조가 다른 도시형 자전거와 미니벨 로 자전거는 주파수 특성의 큰 차이에도 불구하고 비슷 한 수준의 평균 전력 생산량을 보였는데 이는 제작된 비선형 방식의 에너지 수확기가 공진 주파수 대역 바깥 의 넓은 주파수 대역에 걸친 진동에 대해서도 비교적 안정적인 전력을 생산해 내는 것을 입증하고 있다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 자전거에서의 효과적인 에너지 수확 을 목적으로 초소형 가속도센서를 이용하여 자전거의 주행 중에 나타나는 움직임 특성을 측정하고, 특히 진 동의 크기와 패턴, 주파수 특성을 분석하였다. 이를 토 대로 자전거 주행에 수반되는 임의적 진동 에너지의 수 확에 적합한 자기부상 방식의 비선형 에너지 수확기를 설계하고 프로토타입을 제작하였다. 제작된 에너지 수 확기를 실제 자전거에 장착하여 주행한 결과, 최대 1.5 mW 수준의 전력 생산량을 얻을 수 있음을 확인하였다.
또한 다양한 자전거에 에너지 수확기를 적용한 결과,
Electronics Required Power
GPS receiver chip 15 mW
Cell phone (standby) 8.1 mW
PPG sensor 1.473 mW
Humidity 1 mW
Pressure 0.5 mW
3D accelerometer 0.324 mW
Temperature 27 μW
A/D conversion 1 μW
RF transmission sub μW
표 3. 각종 전자기기와 센서들의 평균 소비전력
Table 3. Average power consumption of various electronic devices and sensors.
주행으로부터 발생하는 진동을 자전거 차체 및 탑승자 로부터 분리하는 것이 승차감 향상과 주행 안정성 이외 에, 진동 에너지 수확 효율에도 매우 유리함을 의미하 는 분석 결과도 추가로 얻을 수 있었다.
표 3에 대표적인 휴대용 전자 기기 모듈의 평균 소비 전력을 나타냈다. 표에서 보는 바와 같이 최근 초저전 력 (Ultra-low power) 반도체와 지능형 전력 관리 (Intelligent power management) 기술의 발달로 인해, 소형 전자기기의 소모 전력이 현저히 줄어들어 평균 mW 혹은 그 이하이므로, 본 연구에서 개발된 에너지 수확으로도 현재 충분히 공급이 가능한 수준에 있다.
향후 지속적인 연구를 통해 출력을 더욱 향상시킴으로 써 최근 자전거에서 사용이 증가하고 있는 속도계, 운 동량 추정, GPS 트랙킹 및 다양한 스마트폰 어플리케 이션 (Application) 등 야외 활동에서 IT 기기의 배터리 공급 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
아울러, 에너지 수확 기술의 실용화를 위해서는 고효 율의 에너지 변환 기술과 더불어 충분한 수준의 에너지 원을 제공할 수 있는 동적 플랫폼에 대한 탐색도 중요 하다. 이러한 관점에서 다양한 운동 에너지와 동적 특 성을 내제한 자전거는 에너지 수확을 위한 플랫폼으로 서 중요한 의미를 갖는다. 자전거는 지속적인 이동 중 전력 공급이 가능한 장점을 바탕으로 다양한 센서와 결 합한 무선 센서 네트워크 등에 활용 가능하여 향후 에 너지와 환경, 건강에 관련된 광범위의 실시간 데이터 측정을 지원할 수 있는 중요한 장비가 될 수 있을 것이 다[12].
참 고 문 헌
[1] Y. Champoux, S. Richard, J. M. Drouet, “Bicycle structural dynamics,” Journal of Sound and
Vibration, Vol. 41, no. 7, pp. 16-24, July 2007.
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[3] 김주한, 이전, 이희영, 김영호, 이경중, “비고정식 가속도계를 이용한 운동 중 에너지소비 추정,” 전 자공학회논문지, 제48권 SC편, 제4호, 63-70쪽, 2011년 7월.
[4] E. Minazara, D. Vasic, F. Costa, “Piezoelectric generator harvesting bike vibration energy to supply portable devices,”
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[6] S. Roundy, P. K. Wright, J. Rabaey, “A study of low level vibration as a power source for wireless sensor nodes,”
Computer Communications, Vol. 26, no. 11, pp. 1131-1144,
July 2003.[7] S. Priya, “Advanced in energy harvesting using low profile piezoelectric transducers,” Journal of
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[12] J. Yun, S. Patel, M. Reynolds, G. Abowd “A quantitative investigation of inertial power harvesting for human-powered devices,”
in
Proceedings of the 10th international conference
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South korea, September 2008.저 자 소 개 여 정 진(정회원)
2010년 전북대학교 생체정보 공학과 학사 졸업.
2010년～현재 전북대학교 헬스 케어공학과 석사과정
<주관심분야 : 에너지 수확, 그린 테크놀로지, HCI>
유 문 호(정회원)
1990년 서울대학교 제어계측 공학과 학사 졸업.
2004년 서울대학교 공과대학 협동과정 의용생체공학 전공 박사 졸업.
1990년～2000년 대우중공업.
2000년～2005년 바이오메드랩.
2005년～현재 전북대학교 바이오메디컬공학부.
<주관심분야 : 재활, 원격재활, 재활자동화, 관성 센서 응용, 임베디드 시스템>
김 정 자(정회원)
1985년 전남대학교 계산통계학과 학사 졸업
1988년 전남대학교 전산학과 석사 2002년 전남대학교 전산학과 박사 1988년∼2002년 전남대학교
전산학과 외래교수 2002년∼2004년 전남대학교 전자통신 연구소 post-doc
2004년∼2006년 한국 Bio-IT 파운드리 사업단 광주센터 연구교수
2006년∼현재 전북대학교 바이오메디컬공학부 교수
<주관심분야 : 바이오인포매틱스, 데이터 마이닝, 생체역학, 족부 의공학>
양 윤 석(정회원)-교신저자 1996년 서울대학교 제어계측
공학과 학사 졸업.
1998년 연세대학교 협동과정 생체공학과 석사 졸업.
2002년 서울대학교 공과대학 협동과정 의용생체공학 전공 박사 졸업
2002년～2005년 한국전자통신연구원(ETRI).
2005년～현재 전북대학교 바이오메디컬공학부.
<주관심분야 : 바이오센서, 임베디드 시스템, 신 경재활공학, 에너지 수확>
