Kelvin Water Dropper를 이용한 에너지 하베스팅에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 소량의 물로도 고전압의 정전기를 발생시키는 Kelvin water dropper를 에너지 하베스팅에 이용하기 위하여 고전압 저 전하의 정전기 에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 회로를 제안하고 Kelvin water dropper를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 효율을 증대시키기 위한 두 가지 방법을 제시하였다. 또한 이러한 시스템이 가변적인 환경에서도 특정 응용에 맞는 일정한 출력 전압을 낼 수 있도록 전원공급 회로를 도입하였다. Kelvin water dropper가 안정적이고 효율적으로 동작하도록 Kelvin water dropper를 수학적으로 모델링하여 적합한 배치에 대한 시뮬레이션 및 실험을 진행하여 금속 용기와 금속 링 사이의 거리 h 를 3 cm 로 정하였다. 다음으로 Kelvin water dropper에서 발생되는 정전기 에너지를 저장하기 위해 MEMS 스위치를 이용한 에너지 저장회로를 제작 및 시험하였으나 적합성의 문제와 효율성의 문제로 불꽃 방전 간극을 이용한 에너지 저장 회로를 새로이 설계 및 시험하였다. 제작된 에너지 저장 회로를 이용하여 Kelvin water dropper에서 하베스팅을 진행하였을 경우 리터당 32.56 μJ 의 에너지를 수확할 수 있었다. 더 나아가 시스템의 효율 향상을 위해 Paschen의 법칙에 근거한 불꽃 방전 간극을 증가시킴으로써 에너지 저장 효율을 증가시킬 수 있었는데 방전간극이 3 mm 이하일 때에는 에너지 저장 효율이 증가하는 경향을 실험을 통해 확인할 수 있었으나 3 mm 를 초과한 시점에서는 물방울 사이의 반발로 인한 물의 손실로 효율이 감소함을 확인하였다. 또한 Kelvin water dropper의 전압 상승식에서 초당 떨어지는 물방울의 수를 증가시키기 위해 다중 노즐을 도입하였고 그 결과 노즐의 개수만큼의 에너지 충전시간이 감소하였다. 이러한 모든 결과들을 종합하여 3 V 의 출력 전압을 낼 수 있는 전원 공급 회로를 추가하였고, 총 5.84 L 의 물을 사용하여 3 V 의 출력 전압이 1 MΩ 의 부하를 통해 1 s 동안 유지하는 결과를 얻음으로써 시스템의 유효성을 확인하였다. 제안된 Kelvin water dropper를 이용한 에너지 하베스팅 시스템은 적은 양의 물로도 발전이 가능한 친환경 에너지원으로 다양한 환경에서의 에너지 수확에 그 분야를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.