Optimization of Piezoelectric Energy Harvesting Systems with Quantifiable Measurement Method

Abstract

본 논문에서는 압전하베스팅 시스템에 입력되는 에너지원을 정량적으로 측정가능한 에너지원으로 구성하는 디자인을 제안하였으며 재료, 기계, 전기적인 시스템에서 전기변수를 기준으로 시스템 최적화를 진행하였다. 압전소자를 이용한 에너지 수확장치에서 최대 출력 파워를 얻기 위해서는 입력된 기계적인 에너지를 손실을 줄여 압전소자에 전달하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 기계적인 시스템의 에너지 전달효율을 증가시켜야 한다. 본 논문에서 제안한 시스템을 압전에너지 하베스팅 연구에 응용하면 시스템내부의 부분별 에너지 손실과 수확량을 직관적으로 고찰 함으로서 압전에너지 하베스팅의 효율성과 응용 가능성을 높이는 연구를 진행할 수 있게 된다. 본 논문에서 제안된 시스템은 압전에너지 하베스팅 시스템의 기계적인 부분과 전기적인 부분, 에너지 저장장치와 소비부분에서도 응용하여 에너지 전달효율을 측정하는데 활용될 수 있다. 따라서 시스템 전체의 에너지 분포를 고찰하면서 가장 최적화된 압전에너지 하베스팅 시스템을 설계할 수 있도록 한다. 압전 에너지 하베스팅 시스템을 재료공정, 기계적 시스템, 전기적 시스템에서 최적화 하여 시스템 전체의 최적화 설계를 하였다. 재료 시스템에서 전기적인 변수(분극 전압)를 최적화하여 최적의 분극 조건을 찾았다. 분극 공정 최적화 실험에 의해 나온 최적의 분극 전압은 3 kV/mm 이며, 분극공정의 실리콘 오일 온도는 120 ℃이다. 또한 분극 시간은 60분으로 최적화 되었다. 기계적 시스템 최적화 연구를 통해 압전 하베스터의 최적 두께와 최적 사이즈를 찾았다. 기계적 시스템 최적화 실험을 통해 얻어진 압전하베스터의 최적 두께는 0.3 mm 이며 사이즈는 40x80 mm 이다. 전기적 시스템 최적화 연구를 통해 기계적인 시스템에서 출력된 전기에너지를 부하에 최대로 전달하는 전기시스템을 구성하였다. 전기적인 시스템 최적화에서 얻어진 최적의 매칭 저항 값은 40 키로옴이며, 이때 전달되는 최대 전력은 1.43 mW 이다. 압전에너지 하베스팅 시스템 최적화를 통하여 전체 시스템의 에너지 변환 효율 36.5 %를 얻었다. 본 논문에 이용된 압전에너지 하베스팅 시스템에 2 g의 스틸볼을 자유낙하 시켜 스틸볼이 가지고 있는 운동에너지를 입력에너지로 이용하였다. 따라서 에너지 효율 36.5 % 는 입력된 스틸볼의 에너지가 압전에너지 하베스팅 시스템에 의해 전기에너지로 변환된 효율이다. 이 효율 값은 기존의 연구결과에서 밝혀진 26.1 %의 에너지 변환 효율에 비해 현저히 높은 값임을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 최적화된 압전에너지 하베스팅 시스템은 신재생에너지를 이용하는 산업과, 연구에서 응용 할 수 있으며, 압전하베스팅 시스템에서 출력된 전기에너지를 변환하여 모바일 디바이스나, 웨어러블 디바이스의 전원으로 응용하는 연구에 이용 될 수 있는 가치 있는 연구 이다.|A piezoelectric energy harvesting system has attracted attention as a type of green energy renewable resource. An important issue of such a system is a quantitative evaluation for measurement and characterization. A quantitative study of a piezoelectric energy harvesting system would enable the measurement and characterization for industrial application. Thus, a quantitative measurement method was developed for the mechanical energy input into the system and electric energy output generated from the system. The presented method measures the conversion of the mechanical energy into the electrical energy. The steady-state energy transfer process can be measured very accurately to facilitate the quantitative analysis, research, and industrial application of the piezoelectric energy harvesting system. This thesis quantitatively analyzed the piezoelectric energy harvesting system in terms of the efficiency and accuracy of the mechanical energy transfer system. The energy transfer process of the system was increased on the basis of a fundamental mathematical analysis of the cantilever structure. The results yielded a step-by-step energy transfer function of the system to increase the specificity of the prediction. In this thesis, optimization of the piezoelectric energy harvesting systems was performed step-by-step. First the polarization conditions of the material were optimized in the manufacturing process and the thickness and size of substrate was optimized in the mechanical system. In the electrical system, maximum power transfer condition was performed by the resistive load impedance matching. Using the presented techniques, the piezoelectric energy harvesting systems was found to be 36.5 % efficient. This efficiency value is better than efficiency of 26.1 % on the other piezoelectric energy harvesting systems reported in the literature.; A piezoelectric energy harvesting system has attracted attention as a type of green energy renewable resource. An important issue of such a system is a quantitative evaluation for measurement and characterization. A quantitative study of a piezoelectric energy harvesting system would enable the measurement and characterization for industrial application. Thus, a quantitative measurement method was developed for the mechanical energy input into the system and electric energy output generated from the system. The presented method measures the conversion of the mechanical energy into the electrical energy. The steady-state energy transfer process can be measured very accurately to facilitate the quantitative analysis, research, and industrial application of the piezoelectric energy harvesting system. This thesis quantitatively analyzed the piezoelectric energy harvesting system in terms of the efficiency and accuracy of the mechanical energy transfer system. The energy transfer process of the system was increased on the basis of a fundamental mathematical analysis of the cantilever structure. The results yielded a step-by-step energy transfer function of the system to increase the specificity of the prediction. In this thesis, optimization of the piezoelectric energy harvesting systems was performed step-by-step. First the polarization conditions of the material were optimized in the manufacturing process and the thickness and size of substrate was optimized in the mechanical system. In the electrical system, maximum power transfer condition was performed by the resistive load impedance matching. Using the presented techniques, the piezoelectric energy harvesting systems was found to be 36.5 % efficient. This efficiency value is better than efficiency of 26.1 % on the other piezoelectric energy harvesting systems reported in the literature.