할바흐 자석 배열을 적용한 에너지 수확 외팔보의 진동 특성 향상에 관한 연구

Abstract

에너지 하베스팅 (Energy harvesting)은 일상과 산업에서 버려지는 다양한 에너지를 수확하는 기술이다. 본 연구에서는 다양한 에너지 중 진동 에너지에 한정하여 효과적으로 에너지를 수확할 수 있는 방안에 대해 연구하고 검증한다. 진동 에너지 수확 방식은 크게 전자기 방식, 정전기 방식 그리고 압전 방식으로 분류할 수 있는데 본 연구에서는 높은 에너지 밀도를 가지며 소형화가 용이한 압전 방식을 사용한다. 기존의 압전 방식을 사용한 에너지 수확 시스템은 외팔보가 진동을 하면 외팔보에 부착된 압전 소자로부터 전기 에너지가 나오는 방식이다. 이때 에너지 수확량을 증가시키기 위해 외팔보의 공진 주파수 (Resonance frequency)와 동일한 주파수로 가진 (Excitation)하여 공진을 발생시킨다. 하지만 외팔보의 공진 주파수는 일정한 값의 상수이며 이 값을 조금이라도 벗어나면 에너지 수확량이 급격히 감소한다는 문제가 있었다. 이러한 좁은 주파수 대역폭으로 인해 다양한 주파수의 진동이 발생하는 일상과 산업에 적용되기에는 한계가 있었다. 본 연구에서는 주파수 대역폭을 확장시키기 위해 높은 비선형성을 야기하는 할바흐 자석 배열을 에너지 수확 시스템에 적용하였다. 외팔보 끝단에 자석을 부착하고 그 외부에 할바흐 자석 배열을 위치시킴으로써 외팔보에 자기력이 가해지는데 이로 인해 외팔보의 강성이 비선형적으로 변한다. 기존의 상수 값을 가졌던 외팔보 강성이 비선형적인 변수가 되면 강성에 영향을 받는 공진 주파수 역시도 다양한 값을 가지게 된다. 결국, 다양한 주파수의 진동에서 공진을 발생시킬 수 있어 기존 시스템에 비해 에너지 수확이 가능한 주파수의 범위가 넓어지며 일상과 산업에서 버려지는 에너지를 효과적으로 수확할 수 있을 것이라 기대한다. 본 논문에서는 기존 시스템과 할바흐 자석 배열이 적용된 시스템에 대해 3D 모델링 및 이론 모델링을 진행한 후, 유한 요소 해석 프로그램과 수치 해석 프로그램을 이용하여 비교, 분석한다. 먼저 기존 시스템에 대하여 구조 해석을 진행하고 그 결과로 주파수 응답 함수를 구한다. 다음으로, 할바흐 자석 배열이 적용된 시스템에 대해 구조 해석, 자기장 해석, 수치 해석 프로그램을 통한 시스템의 운동 방정식을 순차적으로 풀이함으로써 주파수 응답 함수를 구한다. 주파수 응답 함수를 비교한 결과, 기존 시스템은 0.13 Hz의 주파수 대역폭을, 할바흐 자석 배열이 적용된 시스템은 4.17 Hz의 주파수 대역폭을 가짐을 확인하였다. 할바흐 자석 배열을 적용한 것이 유효함을 확인한 후, 같은 부피 대비 최대의 에너지를 수확할 수 있는 시스템에 대한 최적 설계를 진행한다. 최적 설계의 목적 함수는 부피 대비 주파수 대역폭의 값을 증가시키는 것이다. 설계 변수는 자석 크기, 외팔보 크기, 자석 간격에 대하여 총 7가지 변수를 설정하였다. 최적 설계에는 모든 경우의 수에 대하여 몇 가지 해석만을 진행하여 결과 도출이 가능한 다구찌 기법 (Taguchi method)을 활용하였다. 최적 설계 결과 최적 설계된 시스템의 주파수 대역폭은 4.16 Hz로 최적 설계 전의 값과 큰 차이를 보이지는 않지만 부피 대비 주파수 대역폭은 235% 증가하였다. 향후 연구로는 최적 설계 값을 바탕으로 실제 모델을 구현하여 이를 토대로 에너지 수확 실험을 진행한다. 그 동안의 해석 데이터들을 실험적으로 검증하여 각 산업 분야에서 실제 적용될 수 있는 어플리케이션 (Application)에 대한 연구가 진행되어야 한다.