압전형 에너지 수확장치의 전력량 예측을 위한 수학모델

Abstract

본 연구는 압전소자와 전기회로가 포함된 외팔보 에너지 수확장치의 새로운 수학적 모델을 제안한다. 제안한 모델은 등가회로 모델을 이용한 전력 예측식을 기반으로 간단한 실험을 통해 구할 수 있는 물성치를 이용하여 출력전력을 예측하는 방식으로써, 다양한 형상의 외팔보 에너지 수확장치에 적용가능하며 기존의 전력 예측 식보다 실용적이고 정확하다. 또한 본 연구에서는 제안한 수학모델의 타당성과 실효성을 검증하기 위해 기저 가진이 가능한 외팔보 형태의 진동 에너지 수확장치를 제작하고, 제안한 수학모델을 이용해 구한 예측 전력을 실험을 통해 얻은 출력 전력량 및 ANSYS를 이용한 해석 값과 비교하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 수학모델이 높은 정확도와 실용성을 가짐을 증명하였다.

In this research, we proposed a new mathematical model for a cantilever type vibration energy harvester, which consists of a piezoelectric material and an electric circuit. The proposed model estimates output power based on an equivalent circuit model and uses properties that can be estimated with simple experiments. The proposed model is more practical and accurate than existing models and it can be also applied to cantilever-type energy harvesters of various shapes. To validate the effectiveness of the proposed model, finite element simulations were carried out. In addition, a piezo-electric cantilevered harvester was fabricated and experimentally tested for a given base excitation. The theoretically estimated power output by the proposed mathematical model differs only by 3.8 % compared with the finite element simulation and by 7.8 % compared with the experimental result.