전자 제품에서 에너지 하베스팅의 효율 극대화 방법
에너지 하베스팅은 엔지니어링의 기본 개념입니다. 과도하게 낭비되는 에너지나 활용 가용한 에너지를 회수하여 이를 유용한 작업에 사용하는 것은 합리적인 발상일 뿐 아니라 전원의 수명도 연장합니다. 운송과 같은 대형 애플리케이션의 경우, 폐열을 회수하기 위한 전용 하드웨어를 추가하면 최대 10% 미만의 전체 시스템 효율을 높일 수 있습니다. 이로 인한 이익을 비즈니스적인 관점에서 살핀다면, 먼저 차량의 수에 따라 이익의 규모는 달라질 것이고, 열을 대기로 방출하지 않고 작업에 활용할 수 있는 에너지로 전환함으로써 얻을 수 있는 환경적인 순이익도 포함될 것입니다.
-전자 제품의 경우, 에너지 변환 효율이 10% 이하로 낮다면 에너지 하베스터의 적용 범위는 저전력 활용 사례들로 제한됩니다. 예컨대 초저전력 MCU의 전력 기여 수준은 에너지 하베스팅이 대체할 수 있는 배터리의 크기를 1 ~ 1,000μW/cm2 정도로 제한합니다. 그러나 전자 에너지 하베스팅의 에너지 변환 효율 개선과 관련한 기술적 과제는 디바이스의 성능을 향상시키고, 상당한 효율 개선을 통해 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.
-여기서 최대 전력과 최대 효율을 구별할 필요가 있습니다. 변환 효율을 높이면 동일한 입력 에너지에 대한 전력이 증가하지만, 이 조건이 반드시 최대 전력과 일치하는 것은 아닙니다. 이제, 최대 효율을 달성하기 위해 일반적인 초저전력 MCU 에너지 하베스터를 최적화하는 몇 가지 방법에 대해 알아보겠습니다.
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전자 제품에서 에너지 하베스팅의 효율 극대화 방법
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-태양열 효율
전자 재생가능 에너지 하베스팅에 적합한 애플리케이션에는 웨어러블 기술과 오프 그리드 무선 센서 네트워크가 포함됩니다. 이러한 활용 사례의 에너지 하베스팅 효율은 그리 높지 않지만, 중요한 측정 기준은 해당 기술의 전력 기여도를 배터리의 비용 대비 기여도와 비교하는 것입니다. 자가 전력 공급 장치를 예로 들었을 때, 세 가지 태양 에너지 하베스팅 영역은 셀, 차지 공간, 모듈의 효율입니다.
셀 효율은 특정 태양 전지 셀에서 최대 와트 값을 생성하는데 예상되는 태양 부하에 따라 설계된 단일 셀을 의미합니다. 엔지니어는 단위 면적에 대한 출력 비율을 최적화하여 효율을 높입니다. 세 번째 영역은 모듈 효율로서, 효율 계산은 전체 시스템을 고려해야 합니다. 태양 에너지 하베스팅 효율을 향상하는 가장 효과적인 방법은 셀 수준을 목표로 하는 것입니다. 첨단 태양광 재료를 사용하면 셀 효율을 극대화할 수 있습니다. 시스템 효율을 향상하는 것은 때로는 주어진 예산 범위와 상충할 수도 있지만, 엔지니어는 보다 높은 전력 특성을 달성하고 주어진 전력 조건에서 최적의 효율을 실현하기 위해 보다 효율적인 셀 재료를 지향할 수도 있습니다.
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모션 효율
압전 재료의 극한 강도는 그것이 처리할 수 있는 가속도를 제한합니다. 이 수준이 재료의 전력 밀도를 정의하고, 전력 출력의 상한을 결정합니다. 최대 출력은 재료의 공진 주파수에서 발생합니다.
다음으로, 에너지 하베스팅 효율을 최적화하려면 효율과 전력 출력 모두 주파수와 밀접한 관련이 있다는 점에 유의해야 합니다. 재료에 의해 결정되는 출력 전력 레벨과 함께, 기본 주파수는 압전 소자의 설계를 좌우합니다. 압전 에너지 하베스팅 솔루션을 그것의 공진 주파수로 조정하면 에너지 회수에 사용할 수 있는 에너지의 파괴파 간섭을 최소화하고, 효율과 전력 출력을 극대화합니다.
-열효율
열을 전기 에너지로 직접 변환하는 ‘제베크 효과(Seebeck effect)’는 열전 에너지 하베스팅의 기본 원리입니다. 열역학 원리상, 열전 에너지 하베스팅은 온도 차이가 큰 환경 조건에서 효율이 가장 높습니다. 이 기울기가 에너지 전달의 원동력이며, 높은 전력 밀도의 솔루션을 가능하게 합니다. 그러나 특히 사람이 접촉하는 에너지 하베스터에서 상당한 온도 차이(ΔT)를 실현하는 것은 실용적이지 않습니다.
만약 ΔT가 고효율 에너지 하베스팅을 제공할 수 없는 경우, 전력 변환 및 열전도율은 효율을 높일 수 있는 다른 수단입니다. 보다 두꺼운 재료는 더 많은 에너지(전도)를 전달하는 반면, 보다 적은 손실로 에너지를 변환하는 것은 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환할 때 일반적으로 발생하는 비효율을 줄입니다.
에너지 하베스팅은 저전력 애플리케이션에서 배터리를 제거하기 위한 중요한 단계입니다. 상업적으로 유효하려면 하베스팅 처리 효율을 극대화하여 소스 에너지로부터 가능한 많은 작업들을 추출해야 합니다.
오늘날의 초저전력(ULP) MCU 에너지 하베스팅 솔루션은 약 10%의 효율을 나타냅니다. 이러한 비효율적인 에너지 변환으로 인해 ULP 활용 사례에서 평방 센티미터당 수십 마이크로와트 정도의 에너지 회수가 가능합니다. 에너지 하베스팅 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 이는 궁극적으로 전자 애플리케이션의 배터리를 없애는 데 기여할 것입니다.