IJPEM-GT

Mathematical model development, experimental validation and design parameter study of a folded two-degree-of-freedom piezoelectric vibration energy harvester
보다 많은 전력을, 보다 넓은 주파수 대역에서 만들 수 있는 2자유도 압전 진동에너지 수확 장치


김윤영/서울대학교


  • 서울대학교 김윤영 교수팀과 대구가톨릭대학교 김재은 교수는 2자유도 압전 진동 에너지 수확 장치(two-degree-of-freedom PVEH (piezoelectric vibration energy harvester))에 대한 공동 연구를 통해 보다 많은 전력을 넓은 주파수 대역에서 얻기 위한 구조를 개발하고 이에 대한 엄밀한 수학적 모델을 유도, 실험을 통해 그 성능을 검증하였다.

  • 본 연구팀은 고유 진동수가 일치하는 2개의 보(탄성 보와 에너지 수확 보)가 서로 반대 방향으로 부착된 2자유도 구조(two-degree-of-freedom folded PVEH-AMS (auxiliary mass-spring unit))에서 고유 진동 모드의 순서가 전환(mode sequence reversal)된다는 것에 착안하여, 고유 진동수 분리(eigenvalue separation) 없이 목적 가진 주파수(target excitation frequency) 근처에서 발생 전력이 매우 향상되는 압전 진동 에너지 수확 장치를 최초로 개발한 바 있다(국내 특허 등록 10-1061591)

  • 본 연구에서는 이에 대한 연속체 기반의 엄밀한 수학적 모델을 처음으로 유도하고 제작 및 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다. 유도된 수학적 모델을 통해 전기 출력 크기 및 발생 전력 주파수 대역폭에 영향을 미치는 인자를 비로소 정확히 파악하게 되었으며, 이는 제안된 구조의 전기-역학 연성에 기반한 물리적 거동 특성의 이해에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

  • 또한, 수학적 모델을 이용한 다양한 설계 변수 연구를 통해 구성 보의 길이 비율에 따라 고유 진동 모드 순서의 재 전환(mode sequence reversion)에 의해 발생 전력 대역폭도 향상 시킬 수 있고, 끝단 분포 질량 비율에 따라서 발생 전력 크기를 동시에 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 앞으로 2자유도 진동 에너지 수확 장치의 설계와 평가에 유용하게 활용될 수 있으며, 물리적 거동에 대한 이해도 증가는 추후 다양한 다자유도 구조의 진동 에너지 수확 장치의 연구에도 응용 가능하다.
 
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