In this thesis, three new energy harvesting systems are proposed to overcome the limitations of conventional energy harvesting systems such as narrow bandwidth and low output power. After several strategies for the performance enhancement of energy scavengers (i.e., multi-modal energy harvesting, self-tuning, frequency pumping, wide-bandwidth transducers, and alternative mechanical structures) have been examined, three cases (i.e., alternative mechanical structures, wide-bandwidth transducers, and the combination of them) are chosen for the proposed systems. First, the mechanical configuration of an energy harvester is modified as X-shape to distribute strain more equally. Then, wide-bandwidth transducer technology is introduced to two degree-of-freedom vibrating body. Lastly, the combination of alternative mechanical structure and wide-bandwidth transducer are employed to improve the efficiency of the typical cantilever-type energy harvester. For validation of the effectiveness of the proposed systems, a series of numerical simulations and experimental tests are performed.
에너지 수확이란 주변에서 분포해 있는 여러 형태의 에너지를 수집하여 유용한 전기 에너지로 변환시키는 과정을 말한다. 주변에서 쓰이지 않고 버려지고 있는 에너지는 열에너지, 진동에너지, 태양 에너지 등의 다양한 형태로 존재하고 있다. 본 논문에서는 진동기반 에너지획득, 그 중 압전기반 에너지획득에 초점을 맞추고 있다. 압전재료를 이용한 에너지 수확은 변형에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전효과를 이용하여 전력을 발생시킨다. 전력 공급원으로 사용하기 위하여 좁은 진동수대역, 낮은 전기에너지 획득 효율 등의 진동기반 에너지 수확의 공통적인 문제점은 반드시 해결하여야 한다.
진동기반 에너지 수확의 성능을 향상하기 위해 많은 연구가 있어왔다. 이 성능 향상 방법에는 다섯 가지가 있다. Multi-modal, Self-tuning, Frequency pumping, 고유 진동수 대역 향상, 형상변형이 에너지 수확의 성능 향상 방법이다. 이 다섯 가지 성능 향상 방법을 통해 진동기반 에너지수확 장치의 문제점을 해결하려는 연구가 지속적으로 진행되고 있지만, 아직 전력 공급원으로 사용하는데 큰 기여를 할만한 연구성과는 보이지 않는다. 따라서, 본 논문에서는 진동기반 에너지 수확 방법을 적용하여, 새로운 세 가지 성능 향상 에너지 수확 시스템을 고안하는데 목적이 있다.
우선, 형상변형 방법을 이용하여 X형 에너지 수확 장치를 개발하였다. 이는 기존의 사각형태의 에너지수확 시스템의 변형률 분포가 고르지 않은 점을 개선하여, 길이방향의 변형률을 고르게 분포하여 에너지 획득을 증가시키는 시스템이다. 고유진동수 대역 향상 방법을 이용하여 2자유도 진동기반 에너지 수확 장치를 개발, 그리고 이 두 가지 방법을 결합한Torsion을 이용한 에너지 수확 장치를 개발하였다. 개발한 새로운 세 가지 에너지 수확시스템의 성능을 수치적으로 해석하고 실험적으로 검증하였으며, 이 결과를 일반적인 에너지 하베스팅 시스템 (사각형태 에너지수확 시스템, 단자유도 에너지수확 시스템, 캔틸레버 형태 에너지수확 시스템)의 수치적 해석, 실험적 검증과 비교하였다. 제안된 에너지수확 시스템의 충전 성능을 보기 위해, 에너지수확 충전 모듈인 EH301과 EH301A를 사용하여 충전 실험을 수행하였다.
