압전소자를 이용한 에너지 발생 장치에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

에너지 사용량이 증가함에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 여러 방법의 신재생 에너지 발생 방식이 있으나, 압전형 에너지 방식이 상대적으로 높은 출력 밀도를 가지고 있다. 압전형 에너지 방식을 논문의 주제로 선정하였다. 본 논문에서 압전 소자와 DC-DC 컨버터를 사용한 시뮬레이션을 통해 시스템의 동작을 검증하였다. 압전소자의 의해 발생되는 출력전력은 교류형식으로 발생된다. 이를 직류 축전용 배터리(슈퍼 캐패시터)에 저장하여, DC-DC컨버터와 벅컨버터에 순차적으로 연결하여 실험하였다. 압전소자는 부하변동에 대한 압전에너지 출력의 반응속도가 느린 단점을 가진다. 출력전력의 품질이 불안정해지는 문제를 보완하기 위해, DC-DC컨버터를 부가적인 보조전원장치로 사용하였다. 실험 결과 압전소자의 출력이 높은 것과 매우 짧은 시간 동안 발생하는 것을 알 수 있었다. Psim을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 기초적인 모델의 압전소자와 DC-DC컨버터를 사용하였다. 특히 압전소자의 제작 공정은 직접 수행하였다. 진동의 세기(하중)에 비례하여, 압전소자는 5~15V의 범위의 전압으로, 0.001mA~0.1mA의 범위의 전류로 일정하지 않은 에너지를 생산하였다. 이러한 특성으로 인하여 압전소자에 의한 출력을 곧바로 사용하는 것은 적합하지 못하였다. 따라서 일단 출력 전력을 축전용 배터리(슈퍼 커패시터)에 저장한 후 사용하였다. 그리고 이를 다시 DC-DC컨버터에 연결하였다. 이러한 과정을 통해 발생한 에너지가 0.7V 15mA 이상의 출력이 필요한 LED를 점등할 수 있을 것으로 가정하고, 이러한 가설을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As energy consumption increases, interest in renewable energy is increasing. Among several renewable energy supply methods, the method of piezoelectric energy has a higher energy density. I selected method of piezoelectric energy as my thesis topic. In this study, I verified the system's operations through simulation with a piezoelectric element and a DC-DC converter. The output power of the piezoelectric element is generated by the alternating format. I stored it in a DC electric condenser(super capacitor) and sequentially connected it to the DC-DC converter and buck converter. A piezoelectric element has a demerit that output power react slowly to load variation. To compensate the unstable quality problem I used DC-DC converter as a additional auxiliary power supply. I deduced result that the output of the piezoelectric element is very high and occurred in a very short time. I conducted the simulation with Psim process. I used basic models of the piezoelectric elements and DC-DC converters. Especially I do manufacturing process for the piezoelectric element in person. In proportion to the vibrational intensity(load), the piezoelectric element irregularly supplied power that its voltage range was 5 ~ 15V and its electric current range was 0.001mA ~ 0.1mA. Because of this characteristics, it was not suitable to use the output of the piezoelectric element directly. So I used the output power after I stored it in a electric condenser(super capacitor). And I connected it to DC-DC converter. I made a supposition that its output power can light a LED that can light up above electronic energy of 0.7V 15mA and conducted the simulation to verify the hypothesis.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 . 1
• 1.2 연구의 목적 . 4
• 2. 압전소자와 압전효과 5
• 2.1 신재생에너지 . 5
• 2.2 압전소자와 압전효과 . 7
• 3. Energy Harvesting 26
• 3.1 자가 전력 시스템 26
• 3.2 Energy Harvesting 27
• 4. 에너지 발생장치 29
• 4.1 DC-DC 컨버터의 특징 29
• 4.2 DC-DC 컨버터 32
• 4.3 제안하는 DC-DC 컨버터 33
• 5. 시뮬레이션 42
• 5.1 시뮬레이션을 사용한 회로 구성 . 42
• 5.2 압전소자 제작공정 48
• 6. 결론 및 향후 연구 과제 . 50
• 참고문헌 51
• 국문초록 55
• Abstract . 56