Design and Application of Piezoelectric Energy Harvesting Module for Self-powered IoT Sensors in Infrastructures

Abstract

최근 4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 사물인터넷(Internet of Things) 플랫폼과 도로기반 시설에 다양한 센서가 설치되어 관련 기술이 활발히 연구되고 있다. IoT 인프라를 구축에 이용되는 센서 시스템에는 구동용 배터리 또는 전력공급 전선이 설치되게 된다. 따라서 센서 시스템의 배터리를 대체하거나 전력공급 전선의 설치가 필요 없는 자체 전원공급 시스템이 필요하다. 이러한 자체 전원공급 시스템을 구현하기 위한 기술 중에는 에너지 하베스팅 기술 연구가 주목받고 있다. 에너지 하베스팅 기술 중에서 압전 에너지 하베스팅 기술은 높은 전력 밀도와 및 다양한 적용처로 인해 주목받고 있는 기술이며 풍력, 파력, 도록의 차량, 사람의 움직임 등으로부터 미활용 에너지를 하베스팅 할 수 있는 기술이다. 본 연구의 목적은 압전 에너지 하베스팅 기술을 활용하여 자동차 도로, 보행로와 같은 인프라 시설에서 미활용 에너지를 전기에너지로 변환하여 IoT 무선 센서 시스템과 다양한 전자기기를 구동하는 자체 전원공급 시스템을 구축하는 것이다. 본 논문에서는 도로 및 보행로와 같은 기반 시설에 적용할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 설치 방안이 제안되었고, 압전 에너지 하베스팅 모듈의 설계 및 성능 검증 방법이 논의되고 최종적으로 압전 에너지 하베스팅 모듈의 인프라 시설 현장 적용을 통해 연구의 응용 가능성이 확인되었다. 첫째로, 기계적 구조 설계에서 공진형과 비공진형 모듈의 발전 메커니즘 해석에 기초하여 병렬 적층 구조와 방수 방진을 고려한 구조로 40개의 압전소자를 이용한 과속방지턱 압전 에너지 하베스팅 모듈(SBPH)과 24개의 압전소자를 이용한 보도블록 압전 에너지 하베스팅 모듈(PBPEH)이 설계되었다. 전기적 회로 설계에서 압전 에너지 하베스팅 모듈의 출력특성을 고려한 인터페이스 회로와 저장 회로가 설계되었고, 최종적으로 무선 IoT 센서 시스템을 구동할 수 있는 회로가 설계되었다. 둘째로, 설계된 SBPH 모듈과 PBPEH 모듈의 출력 성능을 실험실 규모에서 검증하는 방법이 제시되었다. 보행자의 발걸음과 차량의 속도를 모사할 수 있는 실험기기(UTM: Universal Test Machine, PTM: Pushing Test Machine)로 모듈의 성능이 검증되었으며, 모듈에서 출력된 전기에너지를 커패시터에 저장하는 실험과 105,000 회 이상의 Long-term 실험으로 모듈의 내구성이 검증되었다. 셋째로, 출력 성능과 내구성이 검증된 두 타입의 압전 에너지 하베스팅 모듈(PBPEH, SBPH)을 실제 인프라 시설에 설치하여 실제 응용 가능성을 확인하였다. PBPEH 모듈을 실제 보도블록에 설치하여 보행자의 발걸음을 이용하여 보행로 표시등이 점등되는 것을 확인하였고, 무선 IoT 센서 시스템을 작동하여 무선센서에서 휴대폰 애플리케이션(Sensortag)으로 환경정보(온도, 습도, 조도 등)를 송신하는 것이 확인되었다. 또한 SBPH 모듈을 실제 과속방지턱에 설치하여 차량 주행으로 4086.08 mWmax의 전력을 생산하여 휴대폰을 충전함으로써 설계 제작된 압전 에너지 하베스팅 모듈의 실제 응용 가능성을 확인하였다. 본 논문에서 연구된 자체 전원공급용 압전 에너지 하베스팅 시스템은 휴대폰 충전, 무선 IoT 센서 시스템 구동과 다양한 전자제품을 작동하기 위한 독립 전원 시스템 구축에 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 본 논문의 연구 결과를 활용하여 자율주행 차량에 실시간 교통 상황 및 도로 상태 정보를 제공할 수 있는 기술(V2I 통신)을 구현하는데도 적용할 수 있으므로 의미 있는 연구결과이다.|With the fourth industrial revolution, various types of sensors have been installed and studied in the Internet of Things (IoT) platforms and in road-related infrastructures. The sensor systems used for setting up IoT infrastructures require battery or powerline to be installed. Therefore, self-powered system replacing batteries inside sensors or removing the need for powerline is required. Energy harvesting research is one of the promising solutions for achieving this goal. Piezoelectric energy harvesting technology, in particular, has high power density and versatile applicability, thus receiving attention. Furthermore, it can be applied in harvesting energy from wind, wave, vehicles or human motion. The purpose of this dissertation is to design a self-powered system for IoT wireless sensors and various electronics utilizing harvested energy from roads and walkways using piezoelectric energy harvesting technology. This dissertation describes methods for design, installation and verification of piezoelectric energy harvesting systems applied to roads and walkways. Then, the applicability of the system is discussed through field applications. First, a speed bump piezoelectric energy harvesting (SBPH) module containing forty piezoelectric elements and a pavement block piezoelectric energy harvesting (PBPEH) module containing 24 piezoelectric elements were designed, using parallel multi-layered structure with a consideration for waterproof and dustproof, based on mechanism analyzation of resonance and off-resonance frequencies. For its electrical circuit design, an interface circuit and a storage circuit with a consideration to output power characteristics of the modules were performed. Second, a method for verifying performances of SBPH and PBPEH modules in lab-scale environment was shown. Experimental devices such as a universal testing machine (UTM) and a pushing test machine (PTM) for simulating steps of pedestrians and speeds of vehicles were used. Output electrical energy generated from the modules were stored in a capacitor and durability was proved with long-term test over 105,000 cycles. Third, a feasibility was shown for application of PBPEH and SBPH modules, with high performance and durability, to actual infrastructure. Lighting of walkway indicators was confirmed using PBPEH modules applied to actual walkways, as well as driving IoT sensor systems to transmit environmental conditions (temperature, humidity, brightness, etc.) through smartphone application (Sensortag) was also confirmed. SBPH module was installed in an actual speed bump and generated an electrical power of 4086.08 mWmax when driven over by a vehicle. This power was used for charging a cell phone, thus possibility of wide use of piezoelectric energy harvesting modules was shown. This dissertation describes meaningful outcomes, which includes use of piezoelectric energy harvesting system for charging cell phones, driving wireless IoT sensor systems and self-powering various electronics. It can also be applied to realizing autonomous driving vehicle supporting technology which assesses real-time information of traffic and road conditions (V2I communication).