Recently low-power energy sources such as vibration, noise, thermal and solar energy become popular, replacing batteries. In the literature, piezoelectric vibration energy harvester that converts mechanical energy to electric energy has been a topic of intensive study. Their researches, however, are mostly focused on static or modal analysis using commercial FEM (Finite Element Method) software to check failure or the first natural frequency. Typically a cantilever beam is used and the current output has been calculated analytically. This can be applied only to simple geometric shapes.
In this research, a design optimization problem is formulated for the shape of a vibrating cantilever beam for maximum performance under material volume constraints. The shape is represented by either 4 or 5 parameter splines. As performance functions, the peak current over a range of exciting frequencies or the average current has been used. Mechanical and electrical behaviors of piezoelectric materials are simulated by coupled analysis using ANSYS. The analysis model and the numerical results are first validated and tuned with experiments using a rectangular shape cantilever with PVDF. For the case with a stainless steel shim, the numerical results have been very well matched with the experiments. For the case with a PET shim, there was a relatively large gap in the current output. To account for this, a matching scale factor was introduced in the design study. The analysis results are interfaced with the optimization codes in MATLAB. After optimization, the corresponding optimized devices are manufactured and their output measured to see improvements. The experiments are done using a shaker which reflects base vibration environment. The optimum shapes obtained using either 4 or 5 design variables have shown big performance increase compared to the rectangular shape or the trapezoidal shape suggested in the literature.
The best energy harvester among those obtained is adopted as the auxiliary power source for a wireless mouse. The excitation is generated from gear devices of a ball mouse. The output current of the optimal design is much larger than the initial non-optimized or the reference design. The output, however, is much less than needed to perform any wireless communications of the mouse, and further research is necessary to make it practical.
최근 진동, 소음, 열, 태양광 같은 저밀도 에너지원이 이용 가능함에 따라 배터리를 대체할 수 있게 되었다. 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전 발전기에 대해 많은 연구가 있었다. 기존 연구는 정적 해석을 통해 항복 강도를 알아내거나 모달(modal) 해석을 통해 1차 공진 주파수를 알아내는 수준에서 유한요소 해석 프로그램을 이용하였다. 출력 전력은 외팔보로 모델링 한 압전 발전기의 변형률을 수식적으로 계산하여 구하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 간단한 기하학적 모형에만 적용 가능하다는 단점이 있다.
본 논문은 동일한 양의 압전 재료를 사용하여도 높은 전력을 얻을 수 있는 새로운 형상의 압전 발전기를 형상 최적화 방법을 통해 제안하였다. 형상을 결정하는 설계 변수는 4개 또는 5개를 이용하여 스플라인 곡선으로 묘사하였다. 목적 함수는 사용 대역에서 최대 전류를 최대화하거나 평균 전류를 최대화 하였다. 압전 재료의 기계적, 전기적 거동은 ANSYS를 이용한 복합장 해석을 통해 구하였다. 해석 결과의 유용성을 확인하기 위하여 외팔보 형태의 시험편을 제작한 후 가진기를 이용하여 기반 가진 실험을 실시하였다. 스테인리스 스틸을 보강재로 사용한 경우, 실험값과 해석값은 매우 유사하였다. 그러나 PET를 보강재로 사용한 경우 실험값은 해석값의 일정 부분만큼 작게 측정되었다. 이를 설명하기 위하여 수정계수를 도입하였다. 해석값은 MATLAB의 최적 설계 코드와 연동하였다. 최적화 이후 실제 시제품을 제작하여 출력 전류량이 증가하였음을 확인하였다. 설계 변수 4개 또는 5개일 때 최적 형상은 유사하였으며, 직사각형이나 기존 논문에서 언급된 사다리꼴 형태와 비교하여 상당한 성능 향상이 있었다.
최적 설계로 얻은 설계안 중 대표적인 형상을 채택하여 무선 마우스의 보조 전원에 응용하였다. 압전 발전기를 가진 시키는 장치는 볼 마우스의 톱니 부분을 활용하였다. 초기 직사각형 형상이나 사다리꼴 형상보다 최적화된 형상에서 더 많은 전류가 나왔다. 그러나 외부 정전압 회로를 구동하기에는 출력 전류의 절대량이 부족하였다. 현실적으로 작동 가능한 압전 발전기를 위한 연구가 더 필요하다.
