Segmented Piezoelectric Skin Energy Harvesters

Abstract

본 논문에서는 각종 구동 주파수의 진동을 기반으로 효과적으로 작동이 가능한 스킨형 압전 에너지 수확장치를 제안한다. 스킨형 압전 에너지 수확장치의 설계에 해석적 모델을 활용했던 기존의 연구들과 달리, 본 논문에서는 대상 기계 시스템의 운전 중 변형 형상을 이용한 실험적 설계 기법을 제안한다. 이 설계 기법은 대상 기계 시스템의 실제 진동 특성을 스킨형 압전 에너지 수확장치의 설계에 효과적으로 반영할 수 있는 매우 실용적인 방법이다. 대상 기계 시스템의 실제 변형 형상을 설계에 반영하기 위해서, 면내 수직 변형률 값들을 대상 기계 시스템에서 이산 측정한 면외 방향 변형 정보로부터 보간을 통해 구하게 된다. 그 다음 변형률 기반의 변곡선을 구하기 위한 정보를 추출하여, 전압 상쇄를 방지할 수 있도록 하나 이상의 변형률 변곡선을 갖는 스킨형 압전 에너지 수확장치를 설계 하였다. 이러한 설계 기법을 검증하기 위해 실제 에어컨 실외기를 대상으로 네 개의 조각으로 구성된 스킨형 압전 에너지 수확장치를 제작하였으며, 무선 센서 네트워크를 성공적으로 구동할 수 있는 충분한 전력을 생산할 수 있음을 실험적으로 입증 하였다. 또한 스킨형 압전 에너지 수확장치의 분할 여부에 따른 검증 실험들을 통해 압전 소자의 적절한 분할이 더 큰 출력에 기여함을 확인할 수 있었다. 더불어 이러한 설계 기법의 확장으로써, 곡면의 형태이거나 면내 변형률이 작은 값을 갖는 등 까다로운 환경에 대해 적용이 가능한 추가식 스킨형 압전 에너지 수확장치를 제안한다. 추가식 스킨형 압전 에너지 수확장치의 경우, 대상 기계 시스템의 운전 중 변형 형상을 고려하되 유한 요소 해석을 이용해 변형률 변곡선의 위치를 결정하게 된다. 직접식 스킨형 압전 에너지 수확장치의 경우와 달리 구조가 간단해서 유한 요소 해석을 이용한 설계가 손쉬우면서도 정확하기 때문이다. 또한, 에너지 수확장치가 최대 출력 전력을 가질 수 있도록 압전 분절의 크기를 해석을 통해 결정 하였다. 이렇게 설계한 추가식 스킨형 압전 에너지 수확장치의 성능은 실험을 통해 검증 하였으며, 특히 출력을 정류 할 경우에 더 효과적임을 알 수 있었다.

This work proposes segmented piezoelectric skin energy harvesters that work effectively at any operating vibration frequencies. Unlike earlier studies to make use of an analytical model for piezoelectric energy harvesting (PEH) skin design, this work proposes an experiment-based method to design a skin-based PEHs in which operating deflection shapes (ODSs) of a target mechanical system are utilized for the design. This method is practically useful because actual vibrations of a target mechanical system are fully considered in designing skin-type PEHs. In order to consider actual defection shapes of a target system, in-plane normal strain values are interpolated from discretely-measured out-of-plane deformations of a target mechanical system. Then, information on possibly-multiple strain inflection lines is extracted and segmented PEH skins are determined accordingly. This procedure is devised to avoid any adverse voltage cancellation which may take place if a skin is not segmented but used as a whole. For a test system considered in this study, which is an outdoor condensing unit of an air conditioner, the direct-type PEH skin is preferred to be segmented into four pieces. The harvested energy is used to power a wireless sensor network. The experiments with and without the segmentation confirmed that the proposed segmentation scheme produces much larger electric output than a single-piece scheme. As an extension of this approach, possibly useful in some hostile environments such as a target system having a curved surface or an available region of small in-plane strain, a modified method using add-on type PEH skins is also suggested. In this case, the ODS of a target mechanical system is considered to locate strain inflection lines by using finite element simulation. Unlike the direct-type PEH skin cases, finite element analysis can be effectively used for the add-on type PEH skin because the finite element modeling is rather simple and accurate. Also, the optimal sizes of PEH skin segments are determined to maximize the total power output. The method of using the proposed three add-on type PEH skin segments is experimentally validated. It is shown that this approach is effective especially when the output is rectified.