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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
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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.
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.
목차
초록목차제 1 장 서 론 11.1 연구의 배경 11.2 에너지 하베스팅의 연구 동향 41.3 Kelvin water dropper 141.4 연구의 동기 및 목적 151.5 논문의 구성 17제 2 장 Kelvin water dropper의 이론적 분석과 구성 192.1 Kelvin water dropper의 원리 192.2 Kelvin water dropper의 구성 24제 3 장 정전기 에너지를 저장하기위한 에너지 저장회로의 설계와 제작 303.1 Paschen곡선에 의한 공기의 절연 파괴 전압 303.1.1 Paschen의 법칙 303.1.2 수정된 Paschen의 법칙 363.2 에너지 저장회로의 설계 383.2.1 MEMS switch를 이용한 에너지 저장회로 383.2.2 불꽃 방전 간극을 이용한 에너지 저장회로 42제 4 장 시스템의 효율 향상 방법과 전원공급 회로의 제작 474.1 시스템 효율 향상 방법 474.1.1 불꽃 방전 간극 474.1.2 다중 노즐 554.2 전원공급 회로의 제작 59제 5 장 결론 63참고문헌 65Abstract 69
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