This paper presents an electromagnetic based two degree-of-freedom (DOF) energy harvester for traffic-induced vibration energy in bridges. Since the developed harvester, composed of a mechanical and magnetic spring, has two similar resonance frequencies below 5 Hz, it can effectively harvest the low-frequency and -acceleration vibration energy induced by traffic. For the optimal design of the proposed 2DOF energy harvester, nonlinear numerical simulation algorithm is developed and the harvester hardware is fabricated based on the simulation. The performance of the developed harvester is validated by lab-scale experiment using the emulated vibration data of real bridges. The simulated and measured results show quite high similarity and averaged 0.31 mW and 0.015 mW of power are generated respectively in Yeondae Bridge and Geumdang Bridge. Also, it is proved that the developed harvester performs well in low-frequency and -acceleration vibration by the comparison with the 1DOF harveter in the Fourier spectrum.
본 연구에서는 교량의 교통 유발 진동 에너지 수확을 위한 전자기 기반 2자유도 에너지 하베스터를 개발하였다. 개발된 2자유도 에너지 하베스터는 선형 및 비선형 (자석) 스프링으로 이루어져 있으며, 두 공진 주파수가 5 Hz 이하가 되도록 설계되어 저주파수 및 저진폭의 특성을 가지는 교량의 교통 유발 진동에 적합하다. 2자유도 에너지 하베스터의 최적 설계를 위하여 비선형 수치 시뮬레이션 알고리즘을 고안했으며, 이를 토대로 하베스터의 하드웨어를 제작하였다. 제작된 하베스터의 성능을 평가하기 위하여 미리 계측한 실제 교량의 데이터를 이용한 실험실 규모의 검증 실험을 수행하였다. 중부내륙고속도로에 위치하고 있는 연대교, 금당교의 진동 데이터를 실험에 사용하였으며, 각각 평균 0.31 mW 및 0.015 mW 의 출력을 나타내었다. 또한, 푸리에 스펙트럼 (Fourier spectrum) 분석을 통하여 개발된 2자유도 하베스터가 기존의 1자유도 하베스터보다 월등히 높은 성능을 가지는 것을 알 수 있었다.
