This dissertation presents a developed low-frequency vibration energy harvesting (VEH) system, which consists of a vibration energy harvester and energy harvesting circuits, and is then integrated in a structural monitoring wireless sensor. The uniqueness in the dissertation lies in (1) development of high performance VEH system for low-frequency (below 10 Hz) bridge vibration, (2) realization of an entire processes of VEH for bridge applications, and (3) numerical and experimental validations of the developed VEH system. Specifically, an electromagnetic-based vibration energy harvester is developed with two degrees-of-freedom (DOFs) and frequency tunable designs. By virtue of the designs, the developed vibration energy harvester shows better performance than other conventional vibration energy harvesters. An active diode-based AC-DC converter and a boost-up converter with varying clock frequency constitute the two-stage energy harvesting circuits. A field test conducted in Yeondae Bridge shows that a peak power of 43.09 mW and an average power of 4.09 mW were produced by the developed vibration energy harvester. The developed energy harvesting circuits exhibited up to 50 % conversion efficiency at an input voltage of 200 mV or above. In addition, the developed vibration energy harvester and energy harvesting circuits are integrated along with a battery in a wireless sensor for fatigue crack detection and failure warning installed in Yeongjong Grand Bridge. It is estimated that the developed VEH system can harness 128.04 J for 3 weeks. Finally, the self-sufficient operation of the wireless sensor would be possible when the duty cycle is prolonged to 24 weeks.
본 연구는 하베스터 및 에너지 하베스팅 회로로 구성된 전자기 기반 저주파수 교량 진동에너지 하베스팅 시스템을 개발하고, 피로균열 모니터링 무선 센서에 적용하는 것을 목표로 한다. 본 연구의 독창성으로는 (1) 고성능 저주파수 교량 진동에너지 하베스팅 시스템의 개발, (2) 진동에너지 하베스팅의 전 과정을 실제 교량에서 구현, (3) 수치 시뮬레이션 및 실험실/현장 규모 실험으로 개발 시스템의 성능 검증을 수행했다는 점이다. 개발된 전자기 기반 진동에너지 하베스터는 2자유도 및 공진주파수 조정이 가능한 구조를 통해 기존에 개발된 진동에너지 하베스터보다 더 높은 성능을 보여주고, 능동 다이오드 기반 AC-DC 컨버터와 가변 클록 주파수 승압 컨버터는 2단계 에너지 하베스팅 회로를 구성한다. 하베스터의 경우 연대교 실험 결과 최대 43.09 mW 및 평균 4.09 mW의 전력을 생산하는 것을 확인했고, 에너지 하베스팅 회로는 200 mV 이상 입력에서 50 % 이상의 변환 효율을 보였다. 또한 영종대교에서 하베스터 및 에너지 하베스팅 회로를 피로균열 감지 및 파괴 경고 무선 센서의 배터리에 통합하는 실험을 수행하였다. 그 결과 3주간 128.04 J의 에너지를 배터리에 충전하고, 무선 센서의 작동 주기가 24주로 늘어날 경우 필요 에너지를 모두 공급 가능한 것으로 추정할 수 있었다.
