KR20210106136A - 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생에너지로 발전을 하기 위해 압전소자로 압전에너지 발전을 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템(1)은, 압력이나 진동을 통해 에너지를 발전하는 하나 이상의 압전소자(100); 상기 압전소자(100)가 발전한 에너지를 사용가능한 전력으로 변환하는 전력변환장치모듈(200); 상기 전력변환장치모듈(200)과 연결되어 DC전압을 AC전압으로 변환하는 인버터(300); 상기 인버터(300)에 연결되어 연결되는 부하를 제어하는 부하제어모듈(400); 상기 압전소자(100), 상기 전력변환장치모듈(200), 상기 인버터(300) 및 상기 부하제어모듈(400)과 연결되어 동작상태를 모니터링하는 IoT모니터링모듈(500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 압전에너지 하베스팅 시스템 {Smart piezoelectric energy harvesting systems}
본 발명은 압력과 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전에너지를 이용한 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
최근 자연의 에너지 사용 비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전시스템의 용량도 늘어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하고 사람들로부터 멀리 떨어진 곳에 설치하여야 되는 문제가 있어 추가적인 발전시스템이 고려되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 초전도 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생 에너지의 발전효율 등을 고려할 때, 압전발전시스템의 개발이 진행 중이다.
한편, 소규모 전력이 필요한 독립 행동원의 유지 전력 보충을 위한 이미 대세가 된 기술, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은, 문자 그대로 주변에서 에너지를 수확하는 모든 기술을 일컫는데, 가깝게는 풍력발전, 조력발전, 태양발전도 모두 에너지 하베스팅에 속할 수 있으며, 에너지를 얻어내는 에너지 획득방식이라 할 수 있다.
현재까지, 압전 에너지 하베스팅은 주로 WSN(Wireless Sensor Network), 도로나 차량 등에서 적용되고 있다. 한편, 해양의 경우, 항상 바람과 파도가 존재하는 바, 이러한 해양에서의 자연 에너지를 압전 에너지 하베스팅을 이용하여 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술이 요구된다.
또한, 친환경 녹색항만의 추진에 필요한 항만톨게이트용 스마트 압전에너지 시스템의 적용이 불가피하다. 항만에서 사용하는 전력에 의한 이산화탄소 저감을 위해 환경친화적인 제3의 발전기술인 스마트 압전에너지시스템의 적용이 필요하며, 종래의 에너지 생산체계의 한계로 인해 중소형 에너지자립 및 근접지원형 친환경 발전시스템과 같은 에너지 생산의 친환경·사회수용성 요구가 증가하는 추세이다.
정부는 국내 신재생에너지 비율을 2030년 20% 이상 확대를 목표로 추진 중이며, 대표적인 신재생에너지인 태양광발전의 경우는 확대·보급이 지속적으로 증가하고 있으나 시간적·공간적 제약으로 인하여 확대 및 보급에 한계가 있다.
따라서, 이러한 기존 신재생에너지의 한계를 극복하기 위하여 시간적·공간적 제약 및 민원발생의 여지가 적은 지속 가능한 제3의 발전 기술인 압전발전이 필요할 것으로 보인다.
KR 10-2012-0117547 A KR 10-1568613 B1 KR 10-1417844 B1
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전량의 증대를 위해 손실을 최소화하는 최대전력변환기술을 적용하고, 압전모듈의 내구성을 높이기 위해 신소재를 이용한 구조물 설계기술을 적용한 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템을 제공함에 있다.
상기의 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 신재생에너지로 발전을 하기 위해 압전소자로 압전에너지 발전을 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템(1)은, 압력이나 진동을 통해 에너지를 발전하는 하나 이상의 압전소자(100); 상기 압전소자(100)가 발전한 에너지를 사용가능한 전력으로 변환하는 전력변환장치모듈(200); 상기 전력변환장치모듈(200)과 연결되어 DC전압을 AC전압으로 변환하는 인버터(300); 상기 인버터(300)에 연결되어 연결되는 부하를 제어하는 부하제어모듈(400); 상기 압전소자(100), 상기 전력변환장치모듈(200), 상기 인버터(300) 및 상기 부하제어모듈(400)과 연결되어 동작상태를 모니터링하는 IoT모니터링모듈(500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 매설된 압전모듈의 상태를 파악하여 유지 및 운영의 효율성을 높이고, 최대전력변환기술과 승압 컨버팅기술을 적용하여 발생전력을 효율적으로 생산 및 저장하며, 압전모듈에 구조물 설계기술을 적용하여 내구성이 높은 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전 직접효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전에너지 하베스팅 기술의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 적용하는 오일러-베르누이 압전소자의 모델이다.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 적용하는 압전소자의 전기적 모델링이다.
도 7은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전소자 및 출력파형이다.
도 8은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전에너지 하베스팅의 형태와 압력과 출력특성 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 전력변환장치모듈의 회로도이다.
도 10은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 전력변환장치모듈의 또 다른 실시 예 회로도이다.
도 11은 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 적용하는 과전압 보호 회로도이다.
본 발명은 신재생에너지로 발전을 하기 위해 압전소자로 압전에너지 발전을 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템(1)은, 압력이나 진동을 통해 에너지를 발전하는 하나 이상의 압전소자(100); 상기 압전소자(100)가 발전한 에너지를 사용가능한 전력으로 변환하는 전력변환장치모듈(200); 상기 전력변환장치모듈(200)과 연결되어 DC전압을 AC전압으로 변환하는 인버터(300); 상기 인버터(300)에 연결되어 연결되는 부하를 제어하는 부하제어모듈(400); 상기 압전소자(100), 상기 전력변환장치모듈(200), 상기 인버터(300) 및 상기 부하제어모듈(400)과 연결되어 동작상태를 모니터링하는 IoT모니터링모듈(500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전소자(100)는 오일러-베르누이 압전소자 모델인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인버터(300)는 상기 전력변환장치모듈(200)로부터 받은 전력을 AC전압으로 변환할 시 AC전압의 주파수, 크기, 방향을 사용자가 원하는 값으로 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환장치모듈과 상기 인버터 사이에 접속되어 안전장치(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환장치모듈(200)은, 상기 하베스팅 시스템(1)이 태양광발전 패널과 연동하여 태양광 발전을 통해서도 추가 전력을 공급 받을 수 있도록, 태양광발전 연동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환장치모듈(200)은, 상기 압전소자(100)로부터 발생한 전력의 변환손실을 최소화 하기위한 최대 전력 변환 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최대 전력 변환 회로는 상기 압전소자(100)뿐만 아니라 다른 상용전원과 연계하여 구성되어 전력 변환 손실을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최대 전력 변환 회로는, 부스터형 DC-DC 컨버터 회로로 낮은 직류 입력단 전력원으로부터 태양광 인버터의 출력을 감안한 높은 직류 링크단 전압을 구현하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전에너지 하베스팅 시스템(1)은, 태양광 발전과 연동하여 상기 태양광 발전을 통해 생성되는 태양광 전력과 상기 압전소자(100)로부터 생성되는 전력을 각 개별로 구성된 buck-boost 컨버터의 구조로 상기 전력변환장치모듈(200)에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 개별로 구성된 buck-boost 컨버터의 구조로 상기 전력변환장치모듈(200)에 에너지를 공급할 때, 출력은 병렬로 배터리에 연결하여 발전된 에너지를 충전하여 공급가능한 것을 특징으로 한다.
도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명은 신재생에너지(태양광 및 풍력) 발전의 시간적·공간적·민원발생 등의 제약을 극복하는 항만톨게이트용 스마트 매크로 압전에너지 하베스팅 시스템이다. 본 발명은 압력과 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전에너지 하베스팅 모듈, 발생된 전기를 변환시키는 전력변환장치모듈, 외부의 시스템을 보호하는 안전장치, 시스템의 상태를 모니터링하는 IoT모듈, 인공지능(AI) 및 빅데이터을 적용하여 시스템의 고장을 분석 예측하는 모듈로 구성된다.
본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전소자(100)의 압전현상에 대해 상세히 설명하도록 한다. 압전소재란 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전(piezoelectric) 직접효과와 그 반대의 압전 역효과를 갖는 기능성 세라믹스를 말한다. 압전 직접효과는 압전 소자에 외부응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상이며 도 3과 같다.
도 4은 본 발명에 따른 압전에너지하베스팅 기술의 개념도이며, 구성요소는 모듈의 구조물에 대한 모델링 기술, 기계 및 전기적 변환기술 및 전기회로매칭기술로 구성된다.
Macro(매크로) 압전발전은 자동차의 진동처럼 큰 압력이나 진동으로 에너지를 발전하고 대용량 발전에 적용하며, Micro압전발전은 MEMS공정으로 제작하여 소형 기기나 보조전원으로 사용하게 된다.
다음은 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 압전소자의 모델에 대해 상세히 설명하도록 한다.
VS는 전원전압(source voltage), RL과 RS는 각각 압전체의 내부저항과 외부저항, CS는 커패시턴스를 의미한다. 압전소자(100)의 출력전압 VC 및 출력전력 P는 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
<수학식 1. 압전소자의 출력전압 및 출력전력>
상기의 수학식 1과 같이 압전 모듈의 에너지 출력 성능은 운전 주파수(ω), 부하(R), 변위(u) 및 기계적부분과 전기적부분의 결합정도(Θ)에 따라 출력전력이 결정되고 또한 외부의 힘과 부하특성에 영향을 받으므로 최대전력변환회로의 설계가 필요하다.
다음은 도 7 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템의 압전소자 출력파형 및 특성을 확인해보도록 한다.
도 7은 압전소자(37[mm], X 73[mm], X 0.2[mm]유니몰프형) 및 출력파형이며, 정격 전압:60[V]∼90[V], 정격전류 약 21[mA]이다. 도 8은 도로용 압전에너지 하베스터를 설계 후 트럭이 밟았을 경우 약 236.65[Wh]/year의 발전량 출력파형의 출력특성 그래프이다.
종래의 국내외 압전기술의 용도, 적용 방식은 일반 도로와 압전에 불과하였지만, 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템은 항만 톨게이트에 적용가능하며, 적용 방식 또한 압력 및 진동에까지 적용 가능하다. 그리고 IoT, AI, 빅데이터 기술이 적용되며, 안전장치 기능을 더 갖는다.
본 발명의 안전장치회로 설계 및 제작기술은 기존의 국내외 연구에서 적용하지 않은 압전하베스팅 모듈의 사고발생시 및 외부장치와 부하변동에 의한 사고발생시 전체시스템의 안전을 위한 장치로서 AI에 의한 고장예측알고리즘을 개발하고 이를 적용한 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템은 IoT센서모듈에 의해 수집된 압전모듈내부의 상태 및 시스템 구성요소의 상태를 실시간으로 데이터를 수집한 빅데이터를 바탕으로 AI기술의 적용을 통해서 향후 전체시스템의 고장예측을 함으로서 시스템의 안전성을 보장하고 유지보수의 편의성을 갖는다.
압전소자(100)에 의한 전력의 발생이 적으므로 발생전력의 손실을 최소화하고, 발생전력을 효율적으로 저장할 수 있는 승압 컨버팅기술이 중요하다. 발생하는 전력을 최대화하고, 발생된 전력의 변환손실을 최소화하는 전력변환기술의 개발과 이를 효율적으로 저장 및 부하에 사용하는 전력제어가 필요하다. 이를 위해 본 발명은 전력변환장치모듈(200)을 가지며, 도 9 또는 도 10과 같이 최대 전력으로 변환하는 회로를 갖는다.
도 9와 같이 2개의 서로 다른 입력전원(압전소자 하베스팅 모듈, 태양광)으로부터 배터리가 연계하여 구성할 수 있다.
부스터형 DC-DC 컨버터 회로는 낮은 직류 입력단 전력원으로부터 태양광 인버터의 출력을 감안한 높은 직류 링크단 전압을 구현하기 위한 일반적인 전력 변환 회로로 적용 될 수 있다.
하나의 컨버터와 별도의 충전회로를 가지고, 충전회로에서 배터리를 담당하기 때문에 컨버터는 입력 전압에 대해서 DC-AC 컨버터가 요구하는 전압을 만족하도록 출력 전압 및 전력을 제어하는 동작만을 수행하게 된다.
도 10은 압전 하베스팅 모듈 및 태양광을 적용한 배터리 제어 장치의 제어 방식을 나타내고 있다.
압전 하베스팅 모듈과 태양광 입력에 각 개별로 구성된 buck-boost 컨버터의 구조를 나타내고 있으며, 출력은 병렬로 배터리에 연결하여 발전된 에너지를 충전하여 사용할 수 있다.
압전 하베스팅 모듈 및 태양광을 적용한 배터리 제어 장치의 제어 방식을 나타내고 있다. 입력 전압이 높은 경우에는 buck 모드로 입력 전압이 낮은 경우에는 boost 모드로 동작하게 되며, 배터리가 방전 상태에서는 각 입력 전력의 최대 점을 제어하는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어가 수행되고, 배터리가 충전 상태에서는 배터리의 전압 상태에서 따라서 정전류 제어모드와 정전압 제어모드가 적용된다.전력원의 입력 상태와 배터리의 상태 및 부하 전류의 상태에 따라서 제어 모드를 상시적으로 변동하면서 제어하게 된다.
다음은 도 11을 참조하여 실시 예를 통해 본 발명에 따른 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템에 적용하는 과전압 보호 회로도에 대해 상세히 설명하도록 한다.
설명의 편의를 위해 도 11의 회로의 출력 전압은 24V를 기준으로 설명하도록 한다. 도면의 좌측에 입력이 되어 우측으로 출력이 된다. 만약 출력 전압이 28V 이상이 되면 Fuse를 끊으면서 과전압에 의한 고장을 예방할 수 있다.
과전압에 의한 차단 흐름은 다음과 같다. 28V 이상의 전압이 입력되어 Zener Diode에 걸리게 되면, Zener Diode에서 흐른 전류가 Thyristor(사이리스터)의 Gate에 입력된다. 이후 Thyristor의 Gate는 미소전류(Trigger Current = 200uA)가 공급되게 되어, Vin에서 공급되는 전압이 Vout으로 흐르지 않고, Thyristor의 Cahode에서 Anode로 도통되게 된다. 그러면 부하가 없는 Short상태 이기 때문에 전류가 증가하게되며, Fuse의 전류용량이 500mA이기 때문에 그 이상이 되어 끊어지게 된다. (이때, Thyristor의 허용전류는 Fuse의 허용전류보다 높아야 된다.) Fuse가 끊어지게 되면, Vout으로 출력이 나오지 않게 되므로 과전압에 의한 고장을 차단할 수 있는 것이다.
1 : 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템
100 : 압전소자
200 : 전력변환장치모듈
300 : 인버터
400 : 부하제어모듈
500 : IoT모니터링모듈
600 : 안전장치

Claims (10)

  1. 신재생에너지로 발전을 하기 위해 압전소자로 압전에너지 발전을 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템(1)에 있어서,
    압력이나 진동을 통해 에너지를 발전하는 하나 이상의 압전소자(100);
    상기 압전소자(100)가 발전한 에너지를 사용가능한 전력으로 변환하는 전력변환장치모듈(200);
    상기 전력변환장치모듈(200)과 연결되어 DC전압을 AC전압으로 변환하는 인버터(300);
    상기 인버터(300)에 연결되어 연결되는 부하를 제어하는 부하제어모듈(400);
    상기 압전소자(100), 상기 전력변환장치모듈(200), 상기 인버터(300) 및 상기 부하제어모듈(400)과 연결되어 동작상태를 모니터링하는 IoT모니터링모듈(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자(100)는 오일러-베르누이 압전소자 모델인 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터(300)는 상기 전력변환장치모듈(200)로부터 받은 전력을 AC전압으로 변환할 시 AC전압의 주파수, 크기, 방향을 사용자가 원하는 값으로 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치모듈과 상기 인버터 사이에 접속되어 안전장치(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치모듈(200)은,
    상기 하베스팅 시스템(1)이 태양광발전 패널과 연동하여 태양광 발전을 통해서도 추가 전력을 공급 받을 수 있도록, 태양광발전 연동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력변환장치모듈(200)은,
    상기 압전소자(100)로부터 발생한 전력의 변환손실을 최소화 하기위한 최대 전력 변환 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 최대 전력 변환 회로는
    상기 압전소자(100)뿐만 아니라 다른 상용전원과 연계하여 구성되어 전력 변환 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 최대 전력 변환 회로는,
    부스터형 DC-DC 컨버터 회로로 낮은 직류 입력단 전력원으로부터 태양광 인버터의 출력을 감안한 높은 직류 링크단 전압을 구현하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전에너지 하베스팅 시스템(1)은,
    태양광 발전과 연동하여 상기 태양광 발전을 통해 생성되는 태양광 전력과 상기 압전소자(100)로부터 생성되는 전력을 각 개별로 구성된 buck-boost 컨버터의 구조로 상기 전력변환장치모듈(200)에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 각 개별로 구성된 buck-boost 컨버터의 구조로 상기 전력변환장치모듈(200)에 에너지를 공급할 때, 출력은 병렬로 배터리에 연결하여 발전된 에너지를 충전하여 공급가능한 것을 특징으로 하는 스마트 압전에너지 하베스팅 시스템.
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