본문내용
1. 진동에너지를 이용한 자가발전을 위한 선형전자기 개발
1.1. 과제 개요 및 필요성
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. 이에 본 과제에서는 선형전자기기반 발전기의 모델링, 시뮬레이션 및 이를 통한 실험적 연구를 수행한다.
1.2. 과제의 수행 방법, 과정, 내용 및 결과
1.2.1. 공진점 유도 및 초기모델 전자기해석
현재 선형전자기 기반 발전기의 공진점 유도 및 초기모델 전자기해석에 대한 내용은 다음과 같다.
발전기 모델링의 검증을 위해 상용 유한요소 소프트웨어를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 우선 기존 진동에너지 하베스팅 시스템과 전자기 기반 선형발전기 시스템의 관련 문헌들을 검토하여 발전기 형상 설계 및 전반적인 개념을 이해하였다. 그리고 60Hz에 대한 가진 진동수와 발전기 내부의 고유 진동수를 이용하여 공진점을 찾기 위해 Matlab 프로그램을 이용하여 선형발전기의 이동자가 움직일 수 있는 진폭을 계산하여 도출하였다.
이렇게 도출된 초기모델의 형상과 조건에 맞추어 상용 전자기 유한요소 해석프로그램을 이용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이를 통해 이동자의 움직임에 따라 유도되는 기전력과 이에 따른 자속의 흐름을 해석하여 해석이 문제없이 진행되었는지 확인하였다. 그 결과 초기 모델의 시뮬레이션 해석을 통해 도출한 발전량을 확인할 수 있었다.
이처럼 공진점 유도와 초기모델에 대한 전자기해석을 통해 선형발전기의 기본적인 성능을 확인하고, 이를 바탕으로 최적설계를 위한 후속 연구를 진행할 수 있게 되었다.
1.2.2. 최적설계 변수 선정 및 제한 조건 설정
초기 모델의 최적 설계를 위해서는 주요 설계 변수를 선정하고 제한 조건을 설정하는 것이 중요하다. 초기 모델의 설계 변수로는 자석의 축 방향 길이(h2), 이동자의 반경 방향 길이(d2), 코일의 축 방향 길이(c1), 코일의 반경 방향 길이(c2) 등이 선정되었다.
제한 조건으로는 공극 a=5mm일 때, 샤프트의 반경 방향 두께(d1/2)=15mm, 코어의 축 방향 길이(h1)=10mm, c1=2*h2+h1 등이 설정되었다. 이에 따른 구체적인 제한 조건은 다음과 같다:
6mm ≤ h2 ≤ 10mm
20mm ≤ d2 ≤ 30mm
8mm ≤ c2 ≤ 14mm
이와 같은 설계 변수와 제한 조건을 바탕으로 최적 설계 문제를 정식화하여 최소한의 해석으로 최대의 정보를 얻기 위해 실험계획법(DOE)을 실시하였다.
1.2.3. 실험계획법
실험계획법은 최소한의 실험으로 최대한의 정보를 얻기 위해 실험을 계획하고 수행하는 방법이다" 과제에서는 실험계획법(DOE, Design of Experiments)을 활용하여 선형발전기의 최적설계를 진행하였다.
먼저 실험계획법은 발전기의 주요 설계변수 h2(자석의 축 방향 길이), d2(이동자의 반경 방향 길이), c2(코일의 반경 방향 길이)를 선정하였다. 설계변수의 하한값, 초기값, 상한값을 각각 정의하였다.
다음으로 실험계획법을 통해 18개의 실험점을 생성하였다. 이때 요인은 설계변수 h2, d2, c2이며, 각 실험점에서의 발전량을 응답값으로 하였다. 실험계획법은 반응표면 모델링 기법 중 하나인 크리깅 모델 구축에 이용되었다.
실험계획법을 통해...
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