서지유발 동기화 스위칭 기법에 기반한 우주용 냉각기 미소진동 에너지 수확용 피에조 시스템에 관한 연구

Abstract

임무장비의 극저온 유지를 위한 냉각기, 위성의 자세제어용 액츄에이터인 플라이 휠, 자세정보 제공을 위한 기계식 자이로, 안테나의 기계적 구동이 가능한 김벌식 안테나, 태양전지판의 태양추적 구동기 등과 같이 기계적 회전 또는 병진 구동부를 갖는 탑재장비는 목적하는 기능을 구현함과 동시에 미소진동을 수반한다. 이러한 진동발생원으로부터의 진동외란은 그 크기가 극히 미소함에도 불구하고 정밀 지향성능이 요구되는 고해상도 관측위성의 영상품질을 저하시키는 주요 원인으로 작용하며, 관측위성의 고해상도 임무요구조건 충족을 위해서는 상술한 진동발생원으로부터의 미소진동은 항상 차폐의 대상으로만 존재하였다. 본 연구에서는 상술한 미소진동을 회수하여 전기에너지로 재생하는 에너지 하베스팅 기술의 적용 가능성에 주목하였으며, 에너지 하베스팅 기술의 우주적용을 목적으로 맥동형 우주용 냉각기를(Pulse Tube-Type Spaceborne Cooler) 에너지 재생원으로 선정하였다. 맥동형 냉각기는 일반적으로 신뢰도 만족을 위하여 비상모드를 제외하고는 상시 운용되어 지속적인 에너지 재생 및 활용에 있어 유리하고, 단일 특정 주파수로 냉각기가 구동되는 관계로 동특성 파악이 용이하여 에너지 하베스터 설계 관점에서 유리한 장점을 갖는다. 본 연구에서는 우주용 냉각기로부터 발생하는 미소진동을 전기에너지로 재생하기 위하여 진동·압력·충격 형태의 기계 에너지를 활용하는 피에조 기반의 에너지 수확장치를 고안하였다. 피에조 기반의 에너지 수확장치는 다른 발전방법에 비해 에너지 밀집도가 높고, 설계가 용이하여 많은 진동원으로부터의 적용가능성 검토가 이루어졌고, 에너지 재생 효율을 높이기 위해 종래까지 많은 연구 및 기술 개발이 이루어 졌다. 이러한 효율증대를 위한 기술 개발에는 크게 하베스터의 구조적 설계를 최적화 하는 기계적 접근법과 전기 회로의 제어를 통한 전기적 접근법으로 구분된다. 기계적 최적화 설계는 외부 진동 주파수와 수확장치의 고유 진동수를 일치시켜 주 가진주파수 대역에서 최대의 기계-전기 에너지 변환이 가능한 반면, 수확된 전기 에너지의 충전 및 활용을 위한 적절한 전기회로의 설계 없이는 에너지 재생성능에 기술적 한계가 존재한다. 전술한 기계적 접근의 한계를 극복하고 더욱 향상된 에너지 재생성능 보장을 위해, 전기·전자 회로에 기초한 다양한 기법들이 연구 되었으며; Guyomar et. al. [1] 은 피에조 하베스터에서 발생한 전압신호 절대값의 최대치에 동기화 스위칭을 실시하여 인덕터의 역기전력 현상에 기인한 큰 전기 진동을 유발하였으며, 에너지 재생분야에 있어 비약적인 발전을 이루었다. 상기의 스위칭 기법은 SSHI(Synchronized Switching Harvesting on Inductor)로 지칭되며, 간단한 회로 구성만으로도 기능구현이 용이하여 다양한 관점에서의 연구가 수행되었고; 이를 기반으로 응용된 형태의 다양한 기법들이 보고되었다. 하지만, 전술한 SSHI기법을 적용하더라도 에너지 재생의 대상이 되는 외부진동원의 크기가 극히 미소할 경우 에너지 수확이 불가능한 기술적 제약이 존재하였다. 상기의 기술적 한계를 극복하기 위하여, 본 연구에서는 인덕터의 물리적 관성효과를 이용한 서지유발 동기화 스위칭 기법을(Surge-inducing Synchronous Switching Harvesting on Inductor) 제안하였으며, 스위칭 직후 발생하는 서지 전압은 정류회로 및 베터리에 기 충전된 전압량에 의해 존재하는 문턱전압을 상회하는 크기로 증폭되어, 기존 스위칭 기법 적용 시 에너지 재생이 불가능한 수준의 미소진동에서도 유효한 수준의 에너지 재생이 가능하다. 본 연구에서 적용한 서지유발 동기화 스위칭 기법은 스위칭 시간 및 형태(예, 고주파)를 적절히 조절함으로써 최적의 성능보장이 가능하다. 본 연구에서 제안한 스위칭 기법의 유효성 검증을 목적으로, 켄틸레버 형태의 피에조 단독 수준에서 기본특성 시험 및 이로부터 도출된 특성치를 토대로 수치해석을 실시하였으며, 실제 개발된 스위칭 회로와의 조합으로 성능시험을 실시하여 설계의 유효성을 입증하였다. 아울러, 우주용 냉각기와 피에조 하베스터, 스위칭 회로의 결합으로 구성된 복합시스템 수준에서 기능 및 성능시험을 실시하여 본 연구에서 제안한 서지유발 동기화 스위칭 기법은 우주용 냉각기로부터 발생하는 미소진동 에너지의 수확이 가능함을 입증하였다.|The spaceborne cryocooler is widely used to cool the focal plane of an infrared imaging sensor. However, such a spaceborne cooler produces undesirable micro-vibration during its on-orbit operations. Even if its amplitudes are regarded as micro-scale, the cooler-induced vibration disturbances significantly affect the image quality of the high-resolution observation satellite. To manage the micro-vibration induced by the cooler, passive-type isolators are generally employed in space program owing to their simplicity and reliability. However, efforts to positively utilize the micro-vibration energy as a renewable energy source have not been made in space applications but only forwarded to reducing the micro-vibration to obtain high-quality images from the observation satellite. At this point, we focus on the feasibility of positively utilizing the micro-vibration as a renewable power source by employing energy harvesting technology. The energy harvesting technology has recently received remarkable attention. Hence, a great deal of research has been directed toward developing energy-harvesting systems over the past decade. However, the efforts to facilitate their application into space were scarce. Because the low vibration amplitudes, regarded as micro-scale, has so far acted as an entry barrier for the harvesting technology. In terms of energy harvesting methods, piezoelectric elements, in particular, have received considerable attention because of their high-power density and promising integration potential, as well as widely available vibratory energy sources in various fields, to the extent that several researchers have dealt with the piezoelectric element as promising potential energy harvesting applications. In line with the increased attention on piezoelectric elements, various technical efforts to enhance their energy harvesting capability have been made as well. For example, Guyomar et al. [1] proposed a non-linear harvesting technique, called synchronized switch harvesting on inductor (SSHI). The proposed SSHI technique has garnered considerable attention on account of its practical applicability and superiority in harvesting performance. However, such a technique could only bring their advantages, provided that the amplitude of vibratory source is large enough to generate a piezo-induced voltage in which its level can overcome the threshold voltage. Hence, the micro-scale vibration acts as an entry barrier for such harvesting techniques. To overcome above mentioned drawbacks of the conventional SSHI, a novel switching strategy that exploits the full potential of the surging phenomenon has been proposed. This switching strategy locates the synchronous switch on a different position compared with the conventional SSHI, such that the inductor employed in the proposed strategy acts as a charge-pump unlike its role in the conventional SSHI. In the proposed switching scheme, the switching duration is intentionally shortened compared with the optimal switching duration of the conventional SSHI in order to induce sudden current transits in the inductor. Thereby, the piezoelectric voltage can be substantially boosted over the threshold voltage, even if the vibration amplitudes are regarded as micro-scale. On the other hand, above mentioned S3HI strategy inevitably suffers from a series of energy losses in the inductor at every instance of switching, due to its relatively shorter switching duration compared with the conventional SSHI strategy. To overcome such a drawback of the S3HI strategy, while still striving to induce surge phenomena to exploit their full potential from the point of view of energy harvesting capability, an advanced strategy that combines high-frequency switching with the S3HI strategy is proposed as well. The basic concept of the proposed strategy is to make the switching duration relatively longer than the S3HI strategy, while finely splitting it up to realize the high-frequency switching. Thereby, both the demands of maximizing the incoming energy in the inductor and maintaining the surge-inducing mechanism can be satisfied by the proposed strategy, which we called the high-frequency-included surge-inducing synchronized-switch harvesting (H-S3HI) strategy. Based on above mentioned strategies, i.e. S3HI and H-S3HI, the feasibility of harvesting the cooler-induced miro-vibration energy has been evaluated under the cooler assembly level which comprises the cooler, the passive vibration isolator, the piezoelectric harvesters, and the switching circuit.