Powering a wireless sensor node installed on a stay cable is an important issue for monitoring the in-tegrity of a cable-stayed bridge. In this thesis, an electromagnetic energy harvesting system using the wind-induced vibration of a stay cable is proposed. To this end, the measured ambient acceleration responses of a stay cable in an in-serviced bridge are investigated, and the proposed system is properly designed to operate under inclined installation and be tuned on low frequency of targeted cable. To evaluate the performance of the proposed energy harvesting system, the prototype is set on a shaking table and an in-service cable-stayed bridge, and then the experimental tests are performed. Lastly, improving methods to overcome the low pro-duced voltage are discussed, and the expected results from the modified system show the feasibility of the proposed energy harvesting device.
무선센서 노드를 이용하여 사장교를 비롯한 대형 토목구조물의 안전성을 진단하는 연구가 활발히 진행됨에 따라 배터리를 대신할 수 있는 에너지 수확 시스템에 관한 연구가 주목을 받게 되었다. 현재 토목 구조물에 적용되도록 연구되고 있는 에너지 수확 장치는 크게 태양광, 풍력 그리고 진동을 이용한 방식으로 나뉠 수 있는데, 그 중 진동은 장소나 시간에 크게 영향을 받지 않기 때문에 최근에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 사장케이블에 설치된 무선센서 노드에 전력을 공급하기 위한 케이블 진동 기반의 에너지 수확 시스템을 제안한다.
전자기유도 방식은 진동을 기반으로 에너지 수확 기법 중 하나로서 그 효율이 높고 형태가 간단하여 많은 분야에서 적용되어 왔다. 하지만 대부분의 연구 사례가 기계의 진동과 같은 고주파를 이용하도록 초점이 맞추어져 있어서 건설 분야에는 적합하지 않으며, 건설 분야에서 적용된 연구들 또한 시스템이 평평한 곳에 설치되도록 설계하였기 때문에 이를 사장케이블과 같이 기울어진 곳에 적용하는 데에는 무리가 따른다.
본 연구에서는 사장케이블에 설치할 수 있는 에너지 수확 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 전자기유도를 이용하여 케이블의 진동을 전기 에너지로 변환하며, 태엽스프링을 이용하여 저주파에 튜닝이 가능하고 기울기에 영향을 받지 않도록 설계되었다. 제2진도대교의 HC13케이블의 진동 특성을 분석하여 목표 튜닝 주파수를 지정하였고, 제안된 시스템의 운동방정식을 바탕으로 적절한 제원을 결정하여 이를 바탕으로 제안된 시스템의 프로토타입을 제작하였다.
제작된 프로토타입을 바탕으로 성능 평가 실험이 수행되었다. 진동대를 이용한 실험 결과, 실제 사장케이블에서 계측된RMS평균 9.97 mg의 가속도에서 RMS평균 0.147 V의 전압이 출력되었다. 실제 현장의 HC13 케이블에 설치되어 성능 실험이 진행되었고, 그 결과 가속도가 25.1 mg인 진동이 발생하였을 때, 평균 0.0942 V의 전압이 출력되었다.
현장에서 계측된 전압을 바탕으로Maximum power transfer theory를 이용하여 0.0883 mW의 예상전력을 계산하였다. 이는 무선센서 노드가 하루 2회 계측에 필요로 하는 전력량 41.48mWh에 크게 미치지 못하는 값이다. 이를 개선하기 위해 자기 차폐, 자석 재배치 등을 통한 전자기유도 시스템의 개선 방안이 검토되었다. 또한 케이블의 지배적인 진동수대역을 정확히 분석하여 튜닝 효율을 높이면 생산 전력을 크게 증가시킬 수 있음을 수치적인 접근을 통해 확인하였다. 논의된 개선 방법을 시스템에 적용하였을 때, 무선센서 노드에 필요한 전력을 공급할 수 있는43.5 mWh의 출력전압이 예상되었다. 이를 통해 제안된 케이블 진동 기반 에너지 수확 시스템의 타당성을 확인하였다.
