[논문 리뷰] Limits to inertial vibration power harvesting: power-spectral-density approach and its applications

Akshay Ananthakrishnan, Inna Kozinsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 17.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 랜덤 진동원에서 공진하는 관성 진동 에너지 수확 장치의 이론적 최대 출력을 결정하기 위해 전력스펙트럼밀도(PSD) 접근법을 제안한다. 진동 가속도의 PSD를 분석함으로써 크기에 따라 달라지는 출력 한계를 설정하고, 선형 수확 장치가 회전 수확 장치보다 우수함을 보여주며, 실제 적용 시 전력공구에서는 약 300 mW/g, 보행 시 약 1 mW/g, 자동차 차체에서는 약 0.1 mW/g의 실용적 출력 한계를 제시한다.

ABSTRACT

Maximum output powers of vibration-driven inertial power harvesters reported in literature exhibit sizable variations, even when normalized by the device weight or their maximum linear size. To help establish a common benchmark, we present a power-spectral-density based approach for estimating the maximum power that can be obtained using a resonant inertial power harvester from a random (aperiodic) vibration source with a given power spectral density. In the simplest case of unlimited harvester size, the maximum obtainable power is simply proportional to the maximum value of the power spectral density of vibration acceleration. We describe in detail the underlying theory and the practical method for evaluating these limits. We also present a simple analytical formula to estimate the minimum harvester size required for obtaining the maximum possible power. Specific power limits are derived as function of harvester size for three practical examples of vibration sources: (a) pneumatic power tool, (b) the body of an idling Mazda RX7 sports car, and (c) human walking motion. Characteristic power spectra and optimum design parameters (quality factor and resonant frequency) are presented for both translational and rotational harvesters. Translational harvesters generally outperform rotational ones for realistic harvester sizes, with the power tool vibrations yielding a practical power limit of ~300 mW per gram of inertial mass, followed by walking at ~1mW/g, while the vibrations of a car body yield ~0.1 mW/g or less.

연구 동기 및 목표

• 다양한 진동원에 대해 관성 진동 에너지 수확 장치를 비교할 수 있는 표준화된 기준을 설정하기 위해.
• 보고된 출력 값의 큰 변동성을 해소하기 위해 장치 크기와 진동원 특성에 기반한 성능 정규화를 수행하기 위해.
• 전력스펙트럼밀도(PSD) 분석을 통해 랜덤 진동원에서 확보 가능한 최대 출력에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.
• 주어진 진동 스펙트럼에 대해 최대 이론적 출력을 달성하기 위한 최소 수확 장치 크기를 결정하기 위해.
• 실제 크기 제약 조건 하에서 선형 및 회전 수확 장치 구성 간 성능를 비교하기 위해.

제안 방법

• 수확 장치의 최대 수확 가능한 전력을 추정하기 위해 진동 가속도의 전력스펙트럼밀도(PSD) 기반 이론적 프레임워크를 수립한다.
• 수확 장치 크기가 제한되지 않은 경우 최대 전력이 가속도의 PSD 최대값에 비례함을 유도한다.
• 수확 장치의 역학을 공진하는 질량-스프링-다이어프터 모델로 표현하며, 품질 요소와 공진 주파수를 설계 매개변수로 사용한다.
• 주어진 PSD 스펙트럼에서 최대 전력 추출을 위한 최적의 품질 요소와 공진 주파수를 분석 최적화를 통해 도출한다.
• 주어진 진동원에 대해 근사 최대 전력에 도달하기 위한 최소 수확 장치 크기를 추정하는 닫힌 형태의 수식을 제안한다.
• 측정된 PSD 데이터를 사용하여 세 가지 실제 진동원( pneumatically powered tools, 정지 중인 자동차 차체, 인간 보행)에 모델을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진하는 관성 수확 장치를 사용하여 랜덤 진동원에서 확보할 수 있는 이론적 최대 전력은 얼마인가요?
• RQ2 최대 수확 가능한 전력은 수확 장치 크기와 어떻게 비례하며, 근사 최대 성능를 달성하기 위한 최소 크기는 얼마인가요?
• RQ3 동일한 진동원과 크기에서 선형 및 회전 수확 장치 구성 간 전력 출력은 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ4 전력공구, 자동차 엔진, 인간 운동과 같은 일반적인 진동원에 대한 실용적 전력 한계는 무엇인가요?
• RQ5 다양한 진동 스펙트럼과 수확 장치 유형에 따라 최적의 설계 매개변수(공진 주파수 및 품질 요소)는 어떻게 변화합니까?

주요 결과

• 제한 없는 수확 장치 크기 조건에서 최대 확보 가능한 전력은 진동 가속도의 전력스펙트럼밀도(PSD) 최대값에 직접 비례한다.
• 실제 장치 크기 조건에서 선형 수확 장치가 더 높은 효과적 질량 활용도와 낮은 기계적 손실로 인해 회전 수확 장치보다 성능이 뛰어나다.
• pneumatically powered tool 에서의 진동에 대해 약 300 mW/g 의 실용적 전력 한계가 존재한다.
• 보행 운동에 대해 이론적 전력 한계는 약 1 mW/g 의 관성 질량당이다.
• 정지 중인 마즈다 RX7 차체의 진동에 대해 최대 전력은 주파수 성분에 따라 0.1 mW/g 이하로 추정된다.
• 최대 전력에 도달하기 위한 최소 수확 장치 크기를 추정할 수 있는 단순한 해석적 공식을 제공하여 효율적인 설계 트레이드오프를 가능하게 한다.