2단 평행 구조로 수직 배열을 가진 유연한 PVDF 에너지 하베스터 장치의 성능 특성 연구 = Performance characteristics study of a flexible PVDF energy harvester device with a vertical arrangement in a two-stage parallel structure

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the performance characteristics of electrical energy harvesting induced by fluid flow were experimentally investigated using a flexible PVDF energy harvester device with a two-stage parallel and vertically aligned configuration. The proposed single module was designed by combining a funnel-type inlet and a spiral internal channel based on the previously developed FTEH(Funnel Type Energy Harvester) structure, which effectively concentrates the incoming airflow and induces rotational vortices to amplify the vibration displacement of the piezoelectric films.
Ten PVDF film modules were serially connected to form one set, and four identical sets were assembled into three different array configurations—2×2, 4×1, and 1×4—to experimentally examine the influence of array geometry and vortex interaction on power-generation performance. The experiments were conducted under wind speeds ranging from 1 to 3m/s, using a DPS(Direct Current Power Supply)-based charging circuit and a DAQ(Data Acquisition) system. All measurements were performed under identical electrical conditions with a 100μF capacitor and a 50Ω load resistance, while voltage signals were sampled at 100Hz and averaged at 30-second intervals to minimize noise.
At a wind speed of 3m/s, the 2×2 array configuration achieved an average charging voltage of 2.895V and a total output power of 0.731W at 600s, which were approximately 3.3 times and 4.2 times higher than those of the 4×1 (0.224W) and 1×4 (0.176W) arrays, respectively. The uniformity index (U = 0.701), vortex amplification index (G = 0.663), and array efficiency (η = 0.789) indicated that the 2×2 configuration provided the most uniform and efficient energy distribution among all configurations. This superior performance resulted from the vortex recirculation effect, where the wake flow generated at the upper leading modules was reintroduced into the lower trailing modules, and from the partial output inversion observed in the left column (#1–#3), which together enhanced the energy balance and maintained high power uniformity.
In contrast, the 4×1 array exhibited significant power degradation due to strong wake interference between modules, while the 1×4 array showed asymmetric side flow and wall reflection effects, resulting in reduced power efficiency. These findings experimentally demonstrate that the energy-harvesting performance of a piezoelectric device is not governed solely by flow velocity but is dominantly influenced by the vortex-induced flow field, structural configuration, and aerodynamic coupling among arrayed modules.
Therefore, the proposed two-stage parallel funnel-type PVDF energy harvester with a 2×2 array configuration is identified as an effective design for high-efficiency energy harvesting even under low-wind-speed conditions (1~2m/s). The results of this study are expected to provide valuable design guidance for future applications in self-powered IoT sensors, wearable devices, and distributed micro-power supply systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 2단 평행 구조로 수직 배열된 유연한 PVDF 에너지 하베스터 장치에서 유체 유동에 의한 전기 에너지 수확 특성을 실험적으로 분석하였다.
연구에 사용된 단일 모듈은 기존 FTEH(Funnel Type Energy Harvester) 구조를 기반으로, 퍼넬형 유입구와 나선형 내부 유도 유로를 결합한 PVDF 모듈로 설계하였다. 이 구조는 유입 유동을 집중시키고 회전 유동을 유도하여 압전 필름의 진동 변위를 증폭시키는 특성을 지닌다. 실험에서는 이러한 단일 모듈 10개를 직렬로 연결하여 하나의 세트를 구성하고, 총 4세트를 조합하여 2×2, 4×1, 1×4의 세 가지 배열 형태로 배치하였다. 이를 통해 배열 간 상호작용과 와류 재순환 효과가 하베스터의 전력 성능에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.
실험은 풍속 1~3m/s 조건에서 수행되었으며, DPS(Direct Current Power Supply) 기반 충전 회로와 DAQ(Data Acquisition) 장비를 이용해 충전전압을 실시간 포집하였다. 모든 측정은 동일한 회로 조건(부하 100μF 캐패시터, 50Ω 저항)에서 수행되었으며, 100Hz로 수집된 데이터를 30초 간격의 대표값으로 처리하여 잡음 영향을 최소화하였다.
풍속 3m/s 조건에서 2×2 배열 구조는 600초 기준 평균전압 2.895V, 총출력전력 0.731W를 기록하였으며, 동일 조건의 4×1 배열(0.224W)과 1×4 배열(0.176W)에 비해 각각 약 3.3배, 4.2배 높은 출력을 보였다. 또한 균일성 지수 U는 0.701, 와류지표 G는 0.663, 배열효율 η는 0.789로 평가되어, 세 배열 중 가장 균질하고 효율적인 출력을 나타냈다.
특히 2×2 배열은 상단 선두부에서 발생한 후류가 하단 후방부로 재유입되어 에너지를 보강하는 와류 재순환(vortex recirculation) 효과와, 좌열 #1–#3 구간에서 관찰된 출력 역전(output inversion) 현상에 의해 높은 전력 보존율과 안정된 에너지 분포를 실현하였다. 반면, 4×1 배열은 선두부 후류 간섭으로 인해 후방 모듈 출력이 급격히 저하되었고, 1×4 배열은 측면 편류와 벽면 반사로 인한 비대칭 유동이 형성되어 효율이 낮게 나타났다. 이러한 결과는 압전 에너지 하베스터의 성능이 단순한 유속 크기뿐 아니라, 와류 유도 형상과 배열 구조의 상호작용에 의해 결정적으로 좌우된다는 점을 실험적으로 입증한 것이다.
따라서 본 연구에서 제안한 2단 평행 퍼넬형 PVDF 하베스터 배열 구조는 저풍속(1~2m/s) 환경에서도 후류 에너지를 효과적으로 재활용하며 고효율 전력 수확이 가능한 유망한 에너지 하베스터 설계로 평가된다. 또한 본 연구의 결과는 향후 소형 자가발전형 IoT 센서, 웨어러블 디바이스, 분산형 전력 공급 시스템 등 다양한 응용 분야의 기초 설계 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 3
• Ⅱ. 에너지 하베스팅 이론 및 모델링 5
• 2.1 에너지 하베스팅 개요 5
• 2.2. 압전 이론 및 구성 방정식 7
• 2.3 외팔보 기반 진동 해석 10
• 2.3.1 외팔보의 횡방향 진동 방정식(지지 기반 진동 포함) 10
• 2.3.2 기초 운동 하에서 외팔보의 절대 변위 해석 11
• 2.3.3 고유모드 해석 및 질량 정규화 13
• 2.3.4 모달 방정식 유도 및 감쇠비 해석 15
• 2.3.5 정상상태 응답(조화기초 가진) 17
• 2.4 전기기계 결합 시스템 모델 18
• 2.5 전기 출력 및 주파수 응답 해석 19
• 2.6 전기기계 결합 시스템 모델의 수치해석 22
• III. 선행 연구 고찰 및 연구의 차별성 31
• 3.1 에너지 하베스팅 기술의 발전 동향 31
• 3.2 압전 소재별 연구 현황 32
• 3.3 구조별 연구 동향 33
• 3.4 전력 변환 및 관리 기술 39
• 3.5 본 연구의 차별점 40
• Ⅳ. 연구내용 및 방법 42
• 4.1 연구내용 42
• 4.2 연구 방법 44
• 4.3 연구장비 구성 및 제작 45
• Ⅴ. 실험 결과 및 분석 51
• 5.1 실험 조건 및 구성 51
• 5.2 배열 구조별 충전전압 및 출력전력 결과(풍속 3m/s 조건) 53
• 5.2.1 분석 개요 및 평가 지표 53
• 5.2.2 4×1 배열 구조 결과 57
• 5.2.3 1×4 배열 구조 결과 62
• 5.2.4 2×2 배열 구조 결과 66
• 5.2.5 비교 및 종합 고찰 72
• 5.3 풍속별 최적 배열 비교(1–3m/s) 75
• 5.3.1 분석 개요 및 평가 지표 75
• 5.3.2 1m/s 조건에서의 배열별 출력 특성 76
• 5.3.3 2m/s 조건에서의 배열별 출력 특성 82
• 5.3.4 3m/s 조건에서의 배열별 출력 특성 88
• 5.3.5 비교 및 종합 고찰 94
• Ⅵ. 결론 99
• 참고문헌 103
• Abstract 107