Wind energy is a promising renewable energy source with a plentiful amount. Mechanical energy harvester can convert wind energy into electrical energy. Recently, a triboelectric nanogenerator (TENG) has been actively studied for harvesting mechanical energy. To harvest wind energy, many TENGs with the film fluttered by wind (fluttering-type wind-TENG) were proposed. The conventional fluttering-type wind-TENG has a front-fixed film, which is fluttered by turbulent flow of wind. In this work, a new structure of fluttering-type wind-TENG with a rear-fixed film (RFW-TENG) was fabricated.
In chapter 3, the proposed structure was demonstrated to be operated by wind energy with a lower velocity that the conventional structure via COMSOL simulation. The film of the RFW-TENG can be fluttered by laminar flow as well as vortex, because the front side of the film is freestanding. Therefore, the operating wind velocity of the RFW-TENG is relatively lower than that of the conventional fluttering-type wind-TENG. When the RFW-TENG was fabricated and evaluated, the problems of overlap and the film being rolled in with high wind velocity were occurred. To solve these problems, structural optimization was conducted.
In chapter 4, the output characteristics of RFW-TENG was evaluated. In addition, the optimal dimensional length was determined to obtain the maximized output at wind velocity of 4 m/s. The fabricated RFW-TENG with a 50 μm thick polyimide film can operate from a wind velocity of 3 m/s. Moreover, with the aid of the durable film and the stopper, the RFW-TENG can operate for a long duration at a high wind velocity. To indirectly prove long-term operation of RFW-TENG, an acceleration test was conducted at a high wind velocity of 30 m/s. Consequently, it was proven to have a high mechanical durability because the output was not decreased even after the durability test.
In chapter 5, methods to improve the output characteristics of RFW-TENG was proposed. Firstly, a bisected contact materials was used. If a material with (-) charge and a material with (+) charge are sequentially arranged as a counter layer of the film, the output can be improved by increasing the number of times the current moves. In second, a charge-trapping layer was used. When two specific materials are stacked, large amounts of charges can be trapped at the interface between the two materials. It can improve the output of the RFW-TENG.
In chapter 6, a converter circuit was proposed to convert an alternative current (AC) power with a high voltage into a direct current (DC) power with a low voltage. With the conventional rectifier, full-bridge rectifier, energy loss occurred due to the charging and discharging of the internal capacitor of RFW-TENG. However, with the proposed rectifier, rectifier-reusing bias-flip, LC resonance through the connection of an inductor rapidly charges and discharges the internal capacitor of the RFW-TENG. Thus, the energy loss due to charging and discharging the internal capacitor can be minimized. To lower the voltage of the rectified power, switched-capacitor converter with a variable conversion ratio was proposed. The DC power with a reduced voltage was charged in a battery. The designed circuits and control circuits were fabricated as a chip, and when connected to the RFW-TENG, it was confirmed that the circuits operate normally.
In chapter 7, verification of operation outdoors and application of RFW-TENG were proposed. For verification of outdoor operation, an LED module was constructed to check the power from the RFW-TENG by natural wind in real time. It was confirmed that when natural wind of 3.5 m/s was induced, the RFW-TENG operated and the LED was turned on. As an application of the RFW-TENG, a fine-dust sensor and an ozone sensor module were manufactured. The modules was fabricated based on Arduino and a communication device was included. The measured fine dust and ozone levels are transmitted to the mobile phone so that user can check them.
바람 에너지는 방대한 양으로 각광받는 재생에너지원이다. 바람에너지를 수확하여 전기에너지를 생산하기 위해서는 운동에너지 하베스터가 필요하다. 마찰대전 에너지 하베스터는 최근 활발하게 연구되고 있는 운동에너지 하베스터이다. 바람에너지를 수확하기 위한 필름의 펄럭임을 이용하는 마찰대전 에너지 하베스터가 많이 제안되었다. 종래의 필름 기반 마찰대전 에너지 하베스터는 필름이 바람이 불어오는 방향으로 고정되어 있어, 바람에 의한 난류로 펄럭임을 유도한다. 하지만 본 연구에서는 필름이 바람이 나가는 방향으로 고정되는 새로운 구조의 마찰대전 에너지 하베스터를 제안한다.
Chapter 3에서는 COMSOL 시뮬레이션을 통해 제안하는 구조가 더 낮은 풍속의 바람에 의해 동작할 수 있음을 입증하였다. 본 구조에서는 바람이 불어오는 방향의 필름이 자유단이기 때문에, 바람에 의한 와류뿐만 아니라 층류에 의해서도 필름이 직접적으로 바람 에너지를 받을 수 있다. 그러므로 동작 풍속이 종래의 구조보다 상대적으로 낮아지게 된다. 본 구조의 마찰대전 에너지 하베스터를 제작하여 평가했을 때, 생기는 오버랩 문제와 고풍속의 바람이 입력되면 필름이 말려들어가는 문제를 해결하기 위한 구조적 최적화를 진행하였다.
Chapter 4에서는 구조적으로 최적화된 마찰대전 에너지 하베스터의 출력 특성을 평가하였다. 또한, 4 m/s의 바람을 기준으로 출력이 최대화되는 마찰대전 에너지 하베스터의 길이 규격을 정하였다. 제작된 마찰대전 에너지 하베스터는 50 마이크로미터의 두께를 가지는 폴리이미드 필름을 사용했음에도 3 m/s의 풍속에서 동작이 가능하다. 폴리이미드는 기계적 내구성이 좋은 물질이고, 스토퍼 구조를 형성하여 본 구조의 마찰대전 에너지 하베스터는 높은 풍속에서도 오랫동안 동작할 수 있다. 장시간 동작을 간접적으로 입증하기 위해, 30 m/s의 고풍속 환경에서 가속화 테스트를 진행하였다. 그 결과, 가속화 테스트 이후에도 출력이 감소하지 않았기 때문에 높은 내구성을 가지고 있는 것으로 판단하였다.
Chapter 5에서는 마찰대전 에너지 하베스터의 출력을 향상시키기 위한 방법에 대해서 제안하였다. 첫번째는 이분화된 접촉 물질을 사용하는 방법이다. 필름과의 접촉을 통해 표면에 (-) 전하가 대전되는 물질과 (+) 전하가 대전되는 물질을 순차적으로 배열하면, 필름과의 접촉 분리를 통해 전류의 움직임이 더 많이 일어나게 되어 출력이 향상된다. 두번째는, 전하포집층을 사용하는 방법이다. 특정한 특성을 갖는 두 개의 물질을 쌓아 올리게 되면, 두 물질 사이의 계면에 전하가 포집되어 표면 전하량이 증가한다. 이를 통해 마찰대전 에너지 하베스터의 출력을 향상시킨다.
Chapter 6에서는 마찰대전 에너지 하베스터의 고전압의 교류 파워를 저전압의 직류 파워로 변환하기 위한 전력 변환 회로를 제안한다. 기존의 정류기인 풀 브리지 정류기는 마찰대전 에너지 하베스터의 내부 축전기를 충/방전하기 위해 에너지의 손실이 발생한다. 본 연구에서 제안하는 정류기-재사용 바이어스-플립 회로는 인덕터를 직렬로 연결하여 내부 축전기의 전압을 짧은 시간에 바꿔줄 수 있기 때문에 이에 의한 에너지 손실을 최소화한다. 고전압의 파워를 저전압으로 강하하기 위해 스위치드-캐패시터 컨버터를 제안하여 낮은 전압으로 강하하여 배터리에 전력을 저장한다. 설계된 회로와 제어 회로는 칩으로 제작되어 마찰대전 에너지 하베스터와의 연결 시, 회로가 정상적으로 동작하는 것을 확인하고 평가하였다.
Chapter 7에서는 실외 동작의 검증과 활용방법에 대해서 제안하였다. 실외 동작의 검증을 위해 마찰대전 에너지 하베스터가 자연 바람을 수확하여 출력하는 전력을 실시간으로 확인하기 위한 LED 모듈을 구성하였다. 3.5 m/s의 자연 바람이 입력되었을 때 마찰대전 에너지 하베스터가 동작하여 LED가 점등되는 것을 확인하였다. 제작한 마찰대전 에너지 하베스터의 활용방안으로써, 미세먼지 센서와 오존 센서 모듈을 제작하였다. 아두이노 기반의 장치를 사용하여 측정된 미세먼지와 오존 수치를 핸드폰으로 전송하여 사용자가 확인할 수 있는 시스템이다. 구현된 자가발전 센서 시스템은 활용도가 높을 것으로 기대된다.
