Stability Analysis of Piezoelectric Module and Determine of Optimal Burying Location

압전발전 모듈의 안정성 해석 및 최적 매립위치 결정

Abstract

In this study, an analysis was conducted to analyze the structural stability of the piezoelectric power generation module and to determine the optimal burying hole interval for concrete, the installation site of the power generation module. A piezoelectric element refers to a functional ceramic having a piezoelectric direct effect that converts mechanical energy into electrical energy and a piezoelectric reverse effect. In the analysis of the piezoelectric power generation module, the load condition was applied with about 16 tons and a total of 10 wheels in consideration of the container trailer. The purpose was to evaluate the stability of major components of the piezoelectric power generation module through finite element analysis. In order to determine the optimal burying location of the concrete ground for burying the piezoelectric power generation module, the stability of the ground structure according to the distance of the holes was determined. As a result of the analysis, the maximum stress of the piezoelectric power generation module was generated in the support spring, showing a stress of about 276.7 MPa. It was found that the spacing of holes for embedding the piezoelectric power generation module should be set to a minimum of 100 mm or more.

1. 서 론

압전소자란 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전(piezoelectric) 직접효과와 그 반 대의 압전 역효과를 갖는 기능성 세라믹스를 말한 다. 압전 직접효과는 압전소자에 외부응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하 는 현상이다. 이 연구는 신재생에너지(태양광 및 풍력) 발전이 가지는 시간적, 공간적 민원발생 등 의 제약을 극복하는 제 3의 미래 그린에너지인 압전에너지 하베스팅 기술을 항만 게이트 진출입 도로에 적용하여 전기를 생산하는 항만 게이트용 스마트 압전발전시스템(PG-SPEGS : Port Gate - Smart Piezo Energy Electric Power Generation System)을 개발하기 위한 기초연구이다.

항만 게이트용 스마트 압전발전 시스템은 압전 에너지 하베스팅 모듈, 안전장치, 전력변환 회로, 에너지 저장 모듈, 그리고 IoT서버＆모니터링 모 듈로 구성되어 있다. 항만에서 에너지 사용에 의 한 이산화탄소 저감, 탄소중립, 4차 산업혁명 기 술(인공지능, 빅데이터, 사물인터넷 등)을 통해 친 환경 스마트 녹색항만의 구축과 운영을 위해 압전 발전 시스템의 개발 적용이 필요하다.

Fig. 1은 일반도로에 압전모듈을 매립하기 위한 시공형상을 보여주고 있으며, 항만 게이트에 진출 입하는 차량에 의하여 전기를 생산하기 위하여 압 전발전 시스템을 적용하고자 한다. 압전에너지 하 베스팅 기술은 국내외에서 일반도로에 압전발전모듈을 매설하여 전기를 생산하는 기술개발 및 실 증 연구 사례는 있으나, 특히 1년 365일 24시간 항만 게이트를 진출입하는 컨테이너 트레일러(차 량 바퀴가 앞/뒤로 5-6열)의 고하중/고진동 환경 에서 압전에너지 하베스팅 기술을 적용한 연구개 발 및 실증 사례는 발표된 바가 없다.

Fig. 1 Burying hole for piezoelectric module

따라서 이 연구에서는 항만 게이트에 매설하는 압전발전 모듈의 구조적 안정성 및 매립 콘트리트 에 대한 최적 설치 간격에 대한 연구를 수행하고 자 한다.

2. 압전발전 모듈에 대한 구조해석

이 연구에서는 압전발전 모듈의 구조적 안정성 해석과 발전 모듈의 설치장소인 콘크리트에 대한 최적 설치간격 검토를 위한 해석을 수행한다. 압 전발전 모듈의 해석에 있어 하중조건은 컨테이너 트레일러를 고려하여 약 16ton 적용 및 바퀴 수 총 10개로 적용하였으며, 유한요소해석(구조해석) 을 통하여 압전발전 모듈의 주요 부품 안정성 평 가 목적으로 한다.

Fig. 2는 압전발전 모듈의 3D 모델링을 도시한 것으로, 하우징 덮개(housing top)에 트레일러의 하중이 가해지면 하우징 베이스에 부착된 스프링에 의하여 진동이 발생하여 발전하는 구조이다.

Fig. 2 Modeling of piezoelectric module

Table 1. Material property of piezoelectric module

Table 1은 압전모듈의 주요부품에 대한 재질 및 안정성 판단을 위한 허용강도를 나타내고 있다.

2.1 주요부품의 구조해석

Fig. 3은 압전모듈의 구조해석을 위한 하중조건 을 도시한 것으로 트레일러 하중을 수직으로 바로 받는 경우(vertical load)와 바퀴가 진입하는 각도 를 적용한 경사하중(subtangential load)으로 구분 하여 해석을 수행하였다.

Fig. 4는 경사하중을 받는 경우 압전발전 모듈 주요부품에 대한 구조해석 결과를 도시한 것이다. 최대 응력은 하우징 덮개에서 약 170 MPa을 보이 며, 이는 재질의 허용강도인 280MPa과 비교하여 안전율이 약 1.6정도로 구조적으로 안정하다고 판 단할 수 있다.

Table 2~Table 4는 압전모듈의 주요부품에 대 한 최적 두께를 결정하기 위하여 수직 및 경사하 중을 적용하는 경우 서로 다른 두께에 대한 구조 해석 결과를 도시한 것이다. 해석결과를 바탕으로 최종 치수를 결정하였다.

2.2 최종 설계 모듈에 대한 안정성 판단

앞 절에서 주요부품에 대한 안정성 해석을 수 행하여 최종 설계치수를 결정한 후 Fig. 5와 같이 최종 모델에 대한 모델링을 완성하였다. 이 절에서는 하중조건을 변위하중을 부여하여 해석을 수 행하고자 한다. 변위하중이란, 트레이너 바퀴의 크 기와 매립 홀의 너비를 계산하여 최대 변위를 구 하여 Fig. 5(b)와 같이 압전모듈에 적용하였다. 구 속조건은 하우징 베이스가 콘크리트에 삽입되고 외부에 탄성조건을 부여하지 않고 보수적 결과 도 출을 위하여 하단부위를 완전 고정(최대한 움직임 을 많이 가질 수 있도록 구속조건 설정)하여 해석 을 수행하였다.

Fig. 3 Boundary conditions

Fig. 4 Stress distribution of main parts of piezoelectric module for subtangential load

Table 2. Max. stress of housing top

Table 3. Max. stress of housing GEN

Table 4. Max. stress of housing base

Fig. 6과 Table 5는 최종 설계한 압전모듈에 대한 구조해석 결과를 도시한 것이다. 최대 응력은 하단부 스프링에서 발생하며 약 276.7 MPa을 나타내며, 다른 주요부품의 최대응력은 허용강도와 비교하여 매우 안정적이다는 것을 알 수 있다.

Fig. 5 FE modeling and boundary conditions

Fig. 6 Stress distribution of piezoelectric module

Table 5. Analysis result of piezoelectric module

3. 압전모듈 bar의 모달해석

이 장에서는 모달해석을 통하여 압전모듈의 압 전 막대(bar)에 대한 고유진동수를 구하였다. 압전 막대의 고유진동수는 공진을 통하여 압전발전을 위하여 매우 중요한 요소이며, Fig. 7에서와 같이 무게 추(weight tip)와 막대의 두께에 따라 고유 진동수 변화를 구하고자 한다. 즉, 압전발전을 위하여 압전 막대의 진동에 의하여 발전성능이 결정 되어 지며, 향후 공진을 위하여 필요한 고유진동 수를 무게 추와 두께를 이용하여 자유로이 결정할 수 있는 데이터를 확보하기 위한 것이다.

Fig. 7 Piezoelectric bar

Table 6. Variation of natural frequency of piezoelectric bar

Table 6은 압전 막대의 두께 및 무게 추에 따 른 고유진동수 변화를 나타낸 것이다. 두께가 일 정한 경우 무게 추의 크기와 고유진동수는 서로 반비례한 경향을 나타내며, 두께가 두께울수록 고 유진동수는 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 결 과는 질량의 증가에 따라 당연한 결과이지만 경향 성이 아니라 고유진동수 변화량을 파악하는 것에 의미가 있다고 할 수 있다.

Fig. 8은 case II의 경우 압전 막대의 최저차 6 개의 고유진동수를 나타낸 것이다. Fig. 9와 같이 진동모드 형상을 이용하여 1, 2차 모드는 굽힘진 동, 그리고 3차 모드는 비틀림 진동이 발생한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 Natural frequencies of piezoelectric bar

Fig. 9 Mode shape of piezoelectric bar(case II)

4. 매립최적 위치 결정

Fig. 10은 항만 게이트의 전체적인 치수를 나타내고 있으며, 압전발전 모듈의 매립을 위한 콘크 리트 지반의 최적 위치 결정을 위한 구조해석을 수행하고자 한다.

Fig. 10 Dimension of concrete road

Fig. 11 Modeling and boundary conditions of concrete burying hole

Fig. 11은 콘크리트 지반 및 발전모듈의 매립홀 에 대한 모델링과 해석을 위한 경계조건을 도시한 것이다. Fig. 11과 같이 한 방향으로 8개씩의 매 립 홀(총 16개) 수를 고정하고 각 홀사이의 간격 (D)을 50, 100, 200, 그리고 300mm로 하여 콘 크리트의 강도 해석을 수행하였다.

Fig. 12 Stress distribution of concrete with burying hole

Table 7. Analysis result of concrete with burying hole

하중조건은 수직 및 경사방향으로 16ton의 하 중을 적용하였으며, 콘크리트 횡방향 면에 토압(최 대 압력으로 계산) 2kN을 적용하여 해석을 수행 하였다. 콘크리트의 안정성 판단의 기준은 해석 프로그램 데이터 북의 허용강도인 5 MPa을 적용 하였다.

Fig. 12와 Table 7은 매립 홀의 간격에 따른 응력해석 결과를 도시한 것이다. 매립 홀의 간격 이 넓어질수록 응력이 감소하는 경향을 보였으며, 홀의 간격이 50mm인 경우 경사하중에 대하여 불 안정함을 알 수 있다.

하지만, 홀의 간격이 100mm이상인 경우 모든 하중에 대하여 콘크리트 구조물은 안정하다는 것 을 알 수 있다.

5. 결 론

이 연구에서는 항만게이트의 진출입 트레일러의 하중을 이용하여 압전발전 시스템을 개발하기 위 한 기초연구로, 압전발전 모듈의 구조적 안정성을 검토하였다. 해석에 있어 적용하중은 트레일러의 진입영향을 고려하여 수직 및 경사하중에 대하여 결과를 고찰하였으며, 특히 압전발전 모듈을 매립 하는 콘크리트 지반의 최적 설치 위치를 결정하기 위하여 홀의 간격에 따른 지반 구조물의 안정성을 판단하였다. 해석결과 압전발전 모듈의 최대 응력 은 지지 스프링에서 발생하며, 약 276.7MPa의 응 력을 보였다. 압전발전 모듈의 매립을 위한 홀의 간격은 최소 100mm 이상으로 설정하여야 하며, 최대 간격은 트레일러 바퀴의 배열에 따라 결정되 어야 함을 알 수 있었다.

감사의 글

이 연구는 중소벤처기업부가 지원하는 2022년 구매조건부신제품개발사업(S3199688)의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.