R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201515CTAP-C078948-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도/차량 및 도로/교량 잉여에너지를 이용한 50mW/cm2 급 역 전기습윤 발전 모듈 개발 원천기술 연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2014-08-14 ~ 2016-08-13 | |||||
| 연구책임자 | 김영범 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한양대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | . | |||||
| ISBN | . | |||||
| 주요 내용 |
* 전력 수급에 대한 위기의식과 대체에너지 부족으로 말미암아 이를 극복하기 위한 신재생 에너지의 연구 및 개발은 큰 관심을 불러일으키고 있음. * 그러나 현재 기술 수준으로는 신재생 에너지의 기술적 한계로 인해 실효성 있는 발전 용량과 효율을 높이기 위한 끊임없는 연구가 진행 되고 있음. * 국가의 여타 기간산업 중에서도 도로 교통 관련 분야는 도로, 철도, 교량 등 그 규모가 매우 크고 전력 수급에 대한 신재생 에너지 적용 연구가 진행 되어 왔으나 여전히 실효를 거두고 있지 못한 실정임. * 최근 신재생 에너지와 더불어 회생 에너지에 대한 개념이 크게 대두되기 시작하면서, 기존에는 이용하지 못하고 버려지던 잉여 에너지로부터 전력을 생산할 수 있는 발전 방식에 도로 교통 기술에 대한 연구 또한 크게 관심이 쏠리고 있음. * 특히 도로 교통 기술에 적용 되어 왔던 신재생 에너지 기술로 대변 되는 풍력, 지열, 압전 발전 중 각광을 받았던 압전 소자를 이용한 발전 분야는 발전 용량과 효율이 작아 다양한 연구 노력에도 불구하고 아직 그 실효성을 인정받고 있지 못하고 있음. * 따라서 기존 압전 발전을 넘어선 신개념 발전 방식에 대한 필요성이 대두 되어왔으며, 본 연구 과제에서는 전기 습윤법(electrowetting)을 역으로 이용하여 보다 높은 발전 효율과 발전 용량을 자랑하는 역 전기 습윤법(reversed electrowetting on dielectric, REWOD)을 이용한 새로운 회생 에너지 기반 발전 방식을 제안하고자 함. * 본 연구는 기존 압전 소자를 이용한 발전 방식과는 달리 기계적인 압력을 통한 소자의 변형을 직접 이용하지 않고 도로 교통 전 분야의 진동 및 회전 현상으로 야기되는 잉여 에너지를 이용하여 유전막 사이에 규칙적으로 배열된 전도성 유체의 접촉 면적에 변화를 가하게 되어 커패시턴스의 변화로 야기되는 전하의 흐름을 직접 전력 생산에 이용하는 방법으로 전기를 생산함. * 따라서 그 발전 용량을 전도성 유체의 배열과 접촉 면적을 달리함에 따라 규모별 발전 용량을 유연하게 선택할 수 있고, 기존 압전 소자의 물질 특성으로 좌우되는 발전 효율 보다 많은 전하를 동시에 전류 흐름으로 생성 할 수 있으므로 발전 효율이 매우 높음. * 본 연구 과제를 통한 회생 에너지 기반 REWOD 발전 방법에 대한 연구는 그 연구가 아직 이론 검증의 기초적인 수준에 머물고 있어 개발이 시급하며 국가 차원의 원천 기술 확보 및 경제적 부가가치, 신시장 개척이라는 큰 잠재력을 가지고 있는 기술이라고 판단되고 있어 연구가 절실히 요구 됨. [최종목표] * 도로, 교량, 철도, 열차 등 교통 기술 기반 시설의 잉여 에너지 발생 환경에서 버려지던 에너지를 회생하여 REWOD 발전 모듈의 적용 범위를 선정하고 해당 적용 환경에서 최대 발전 전력 밀도 50 mW/cm2 의 신개념 신재생 에너지 REWOD 발전 모듈 개발을 목표로 함. * 또한 도로 교통 기반 시설의 잉여 에너지 측정 및 조사를 바탕으로 발전 가능 전력량을 예측하고 송전 없이 직접 도로 교통 기반시설에서 필요 전력 요구량에 맞게 직접 생산과 소비를 동시에 할 수 있는 규모 유연형 REWOD 발전 모듈 개발을 연구함. * 진동의 형태 또한 병진 진동에 국한되지 않고 회전형 기기 및 진동 형태에 적용될 수 있는 광범위·다각도 응용이 가능한 환경 유연형 (회전형/진동형) REWOD 발전 모듈 개발을 목표로 하며 병진 진동과 회전 운동이 공존하는 환경에 대비하여 회전 운동을 병진 운동으로, 또는 그 역과정을 변환하여 줄 수 있는 기구를 포함한 REWOD 발전 모듈을 개발하고자 함. [연구내용 및 범위] 회생에너지 기반 신개념 신재생 에너지인 REWOD 기술 연구를 위해, 기존 연구실 규모의 성과를 넘어선 연구를 진행하고자 함. 우선적으로 이론 검증을 위한 REWOD 수학적 모델의 수립 및 시뮬레이션을 수행하고 다양한 가진 형태에 적합한 발전 시스템 모델링을 통해 그 실효성을 검증함. 또한 실제 발전 모듈의 적용이 가능할 것으로 생각되는 다양한 교통 기반 시설 및 환경에 대한 진동 자료 수집과 조사를 진행함. 다음으로 10mW/cm2급 성능을 목표로 한 unit cell을 제작하여 앞선 시뮬레이션 결과와의 상호 비교를 통해 성능 개선을 위한 실험 변수를 파악함. 위 연구를 통해 도출한 REWOD의 주요 실험 인자인 커패시턴스의 최적화 연구를 거쳐 연구실 규모를 넘어선 50mW/cm2 급 발전 용량의 모듈을 연구 개발하고 다양한 가진 환경에 적용하여 실증함. REWOD 기술을 이용한 발전 시스템 모델을 수립하고 실제 제작 모듈과의 비교를 통해 검증을 시도한다. 우선 unit 모델을 바탕으로 전체 시스템 모듈 시뮬레이션을 진행하고, 진동형 및 회전형의 실제 모듈 제작물과 비교를 통해 모델을 검증한다. 그리고 진동환경에서의 실제 모듈의 성능 열화 방지를 위한 분리막 등을 설계하고 더불어 과대 진폭으로 인한 파괴를 방지하기 위한 탄성 완충기를 설계한다. 진동형 REWOD cell 성능 개선 연구를 위해 고 유전상수를 가진 유전체를 선택하여 연구하고, 이를 통해 REWOD 커패시터 기판의 커패시턴스 극대화 및 커패시턴스 증가로 인한 절연 파괴 문제점을 해결하도록 한다. 또한 나노 구조체를 이용한 초발수체 제작을 통해 기존 소수성 박막의 대체제로 이용함으로써 특성을 극대화 시킨다. 커패시턴스 효과를 저해하는 surface charge trapping 효과 mechanism 분석을 통해 성능을 개선하고, 최종적으로 50 mW/cm2 급의 진동혀 REWOD 발전 모듈을 제작한다. 마찬가지로 회전형 REWOD cell의 경우에도 성능향상 연구를 진행ㅎ나다. 단방향 및 왕복 회전 운동에 대한 효율 분석을 통해 최적화를 진행하고, 나노 패터닝 기술을 이용한 미세 가지형 전극 구조 개발을 통해 반응 면적 극대화를 이루어 낸다. 최종적으로 20 mW/cm2 급 회전형 REWOD cell을 개발한다. 연구된 REWOD cell을 바탕으로 발전 모듈 개발 및 시스템 연구를 진행한다. 액적 움직임 억제를 위해 나노 리소그래피 기술을 이용하여 표면 홀 구조를 형성하는 등의 연구를 진행한다. |
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| 색인어 | 한글 | 역전기습윤 | 회생에너지 | 신재생에너지 | 철도/차량 | 도로/교통 |
| 영문 | Reverse electrowetting | Regenerative energy | Renewable energy | Railroad/train | Road traffic | |
| 최종보고서 | 최종보고서_국토교통기술촉진연구사업_한양대학교 김영범.pdf | |||||