< PreviousI. 서 론 탄소배출 저감 대책의 하나인 재생에너지로 풍력 발전기가 육상 및 해상에 활발히 건설되고 있다. 풍 력발전기의 용량도 점차 증가하여 최근에는 10 MW 급 풍력발전기도 곧 활성화 될 전망이다. 풍력발전 단지가 조성될 경우 가장 민감하게 다가오는 것은 소음이라고 할 수 있다. 풍력발전기의 소음은 기본 적으로 가청대역(20 Hz ~ 20 kHz)의 소음도 중요하지 만 최근에는 저주파 소음에 더 관심이 높다. 이것은 저주파 소음은 멀리까지 전파되는 특성과 특히 인체 에 미치는 영향 [1] 에 대해 아직까지 명확한 결론이 나 풍력발전기의 저주파 소음 전파 모델 비교 Comparison of models for sound propagation of low frequency wind turbine noise 정성수, 1† 박태호, 2 이병권, 2 김진형, 3 최태묵 3 (SungSoo Jung, 1† Taeho Park, 2 ByungKwon Lee, 2 JinHyeong Kim, 3 and TaeMuk Choi 3 ) 1 한국표준과학연구원, 2 한국환경연구원, 3 (주)크리에이텍 (Received December 11, 2023; accepted January 8, 2024) 초 록: 풍력발전기에서 방사되는 저주파 소음은 가장 관심이 높은 불만족 사항 중의 하나이다. 이에 본 연구에서는 공학적으로 유용하게 사용할 수 있는 덴마크 모델과 ISO 9613에 기초한 상용 프로그램인 SoundPLAN과 ENPro에 의한 풍력발전기 저주파 소음 예측값들과 측정값을 비교함으로써 모델들에 대한 신뢰성을 살펴보았다. 육상에서 대표 적인 3 MW급 풍력발전기를 대상으로 적용한 결과 주파수 12.5 Hz에서 80 Hz 범위에서 측정값과 예측값은 최대 5 dB 이내의 차이를 보였다. 이러한 원인으로는 대상 풍력발전기는 7년 이상 운영되었기 때문에 음향파워레벨의 변화가 생겼기 때문으로 추정할 수 있다. 하지만 저주파 대역에서 가장 정확하다고 할 수 있는 Boundary Element Method (BEM) 예측값과 다른 모델에 의한 예측값 그리고 측정값은 2.5 dB 이내로 잘 일치한 점을 고려할 때 본 연구 대상의 모델들은 3 dB 이내의 편차로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 핵심용어: 풍력발전기 소음, 저주파 소음, 배경소음, 음향파워레벨, 음압레벨 ABSTRACT: Low frequency noise emitted by wind turbines is one of the most noise complaints. In this study, the reliability of the models was examined by comparing the measured sound pressure levels with the predicted levels based on Denish model and commercial programs of the SounPLAN and the ENPro based on ISO 9613. As a result of applying it to representative 3 MW wind turbines, on lnad, the measured and the predicted values differed within a maximum of 5 dB in the frequency range of 12.5 Hz to 80 Hz. It may be due to the change in the acoustic power levels because the wind turbines have been in operation for more than 7 years. However, considering that the Boundary Element Method (BEM) predicted value, which is known to be the most accurate in the low frequency band, the predicted values are well matched within 2.5 dB, the models of this study are expected to be used as deviation within 3 dB. Keywords: Wind turbine noise, Low frequency noise, Background noise, Sound power level, Sound pressure level PACS numbers: 43.55.Mc, 43.55.Br 한국음향학회지 제43권 제2호 pp. 162～167 (2024) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) https://doi.org/10.7776/ASK.2024.43.2.162 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: SungSoo Jung (jss@kriss.re.kr) Acoustics, Ultrasound, Vibration Metrology Group, Korea Research Institute of Standards and Science, 267 Gajeong-Ro, Yuseong-Gu, Daejeon 34113, Republic of Korea (Tel: 82-42-868-5307, Fax: 82-42-868-5643) Copyrightⓒ2024 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 162풍력발전기의 저주파 소음 전파 모델 비교 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) 163 지 않았기에 관심이 높다고 판단된다. 우리나라의 경우도 환경부에서 저주파 소음에 대한 가이드 [2] 를 마련함으로써 12.5 Hz부터 80 Hz 범위에서 주파수 대 역별로 기준값을 제시한 바 있다. 이들 기준값들은 규제기준이 아니라 기준값을 초과한 경우에는 소음 으로 인한 성가심의 원인이 저주파 소음에 의한 것 일 수 있다는 것을 뜻한다. 총음압레벨의 단일값을 적용하는 환경소음과는 달리 저주파 소음은 1/3-옥타브 주파수 대역별로 적 용하는 하는 점이 다르다. 따라서 저주파 소음을 예 측하기 위해서는 소음원에 대한 1/3-옥타브 주파수 대역별 음향파워레벨값이 요구된다. 풍력단지를 조 성하기 전에 사전 환경영향평가를 하기 위해서는 이 들 음향파워레벨 값을 사용하여 전파모델 혹은 예측 프로그램으로 임의 수음지점에서의 소음레벨을 예 측해야 한다. 풍력발전기 저주파 소음 예측을 위한 전파모델이 몇 가지 사용되고 있지만 실제 측정값과 예측값을 비교한 자료는 거의 없는 실정이다. 이에 본 연구에서는 소음예측 프로그램으로 많이 사용하 고 있는 SoundPLAN과 국내에서 개발된 ENPro 그리 고 반경험식으로 사용되고 있는 덴마크 모델에 의한 예측값들과 풍력발전기 저주파 소음 측정값을 비교 하였다. II. 저주파 소음 전파 모델 2.1 이론적 모델 저주파 소음의 전파모델 중 실용적으로 사용할 수 있는 반경험적 모델은 덴마크 모델 [3] 로 Eq. (1)과 같다. log ∆ ∆ ,(1) 여기서 pA : 임의 수음지점에서의 A –가중 음압레벨, : 1/3-옥타브 대역별 A-가중 음향파워레벨, : 풍력발전기 타워와 수음점까지의 수평거리, : 풍력발전기 허브 높이, ∆ : 대기에 의한 초과감쇠, ∆ : 지표면에 의한 초과감쇠. Eq. (1)에서 알 수 있는 것처럼 임의 수음점에서의 음 압레벨을 예측하기 위해서는 음향파워레벨이 필요 하다. 덴마크 모델이 중요한 이유는 주파수 12.5 Hz 부터 1/3-옥타브 대역의 각 대역별 대기 및 지표면에 의한 초과감쇠량을 제시하고 있기 때문이다. 이들 두 초과 감쇠량은 Table 1과 같다. 육상에 설치된 풍 력발전기의 지표면에 의한 초과감쇠는 Table 1과 같 지만 해상 풍력발전기의 경우는 다른 값을 적용하게 된다. 상용프로그램으로는 외국의 SoundPLAN과 국내 에서 개발된 ENPro를 사용하였다. 이들 모델은 기본 적으로 ISO 9613(ISO 9613-1, ISO 9613-2) [4,5] 을 사용하 기 때문에 유사한 예측값이 기대된다. ISO 9613의 소 음전파 모델은 환경소음에서는 가장 잘 알려진 모델 로 이미 잘 검증된 모델이기 때문에 대부분의 상용 프로그램에서 많이 사용하고 있다. 이 모델은 63 Hz 이상의 옥타브 대역에 대해 권장되지만 SoundPLAN 과 같은 상용프로그램에서는 50 Hz 이하의 주파수 대역까지 적용하는 경우가 있기 때문에 본 연구에서 는 63 Hz 미만의 주파수까지 확장 적용함으로써 저 주파수 대역에서의 ISO 9613 전파모델의 신뢰성을 검증하였다. 2.2 모델 간 음압레벨 예측값 비교 전파 모델간의 비교를 위해 Fig. 1과 같이 대표적 인 3 MW 급 풍력발전기를 가정하여 수음점까지 200 Table 1. Excess attenuation for the air and the ground. 1/3-octave band center frequency ∆ (dB/km) ∆ (dB) 12.50.006.0 16 0.005.8 200.005.6 250.025.4 31.50.035.2 400.055.0 500.07 4.7 63 0.11 4.3 800.173.7정성수, 박태호, 이병권, 김진형, 최태묵 한국음향학회지 제 43 권 제 2 호 (2024) 164 m부터 1 km까지 100 m 씩 거리를 변화시키면서 음압 레벨 예측값을 비교하였다. 이때 지표면은 풍력단지 주변지역을 대표할 수 있도록 음향학적으로 중간 정 도의 음향임피던스를 가지는 지표면(흙, 작은 자갈, 초지로 혼합된 경우)으로 가정하였다. 지표면에서 풍력발전기 허브까지의 높이는 80 m 그리고 수음점 의 높이는 1.5 m로 설정하였다. 일반적으로 풍력발 전기의 높이는 수음점 높이에 비해 상당히 높기 때 문에 Eq. (1)의 2가지 초과감쇠량만 고려하여도 무방 하다. Fig. 2에 각 모델에 의한 음압레벨 예측값들을 비 교하였다. 모델간의 비교가 목적이기 때문에 모든 주파수 대역에서 음향파워레벨은 100 dB로 같게 설 정하였다. Fig. 2의 결과를 보면 ISO 9613에 기반한 SoundPLAN 혹은 ENPro에 의한 예측값은 유사하며 저주파 대역 으로 갈수록 덴마크 모델보다 다소 낮게 예측되었 다. 이러한 이유는 ISO 9613의 경우는 63 Hz 이하에 서도 같은 초과감쇠량을 적용했기 때문이다. 이격 거리가 증가함에 따라 덴마크 모델과의 음압레벨 예 측값은 감소함을 볼 수 있는데 이러한 결과를 볼 때 ISO 9613모델의 경우도 63 Hz 미만의 주파수에대한 연구결과들이 향후 반영된다면 덴마크모델과 유사 한 값을 보일 것으로 기대된다. 지금은 두 모델간은 최대 3.5 dB 정도의 차이를 발생하고 있지만 ISO 9613 모델의 경우 불확도가 3 dB 정도인 점을 고려할 때 덴마크 모델과 SoundPLAN 혹은 ENPro 모두 실용적 으로 사용하기에 적합하다고 할 수 있다. III. 풍력발전기 저주파 소음 측정 3.1 측정방법 국내 육상에 설치된 풍력발전기의 대표적인 모델 인 3 MW 급을 대상으로 음압레벨을 측정하고 예측 값과 비교하였다. 풍력발전기 소음은 풍력발전기 후 방으로부터 일정한 거리에서 높이 1.5 m에 마이크로 폰을 설치하여 측정하였다. 풍력발전기는 지향성을 갖고 있으며 그동안의 연구 결과를 볼 때 후방과 전 방에서의 음압레벨은 1 dB 이내로 유사하지만 측면 은 10 dB 이상 낮다. 여기서는 IEC 61400-11에 기초하 여 풍력발전기 후방에서 측정하였는데 Fig. 3은 제주 도에 설치된 A사의 풍력발전기의 소음을 측정하는 모습이다. 한편, 풍력단지에는 대부분 다수의 발전 기가 이미 설치되어 운영되기 때문에 배경소음을 최 Fig. 1. (Color available online) Geometric distance for wind turbine noise prediction. Fig. 2. (Color available online) Noise levels with several prediction models by varing the receiving distance. Fig. 3. (Color available online) Wind turbine noise mesurement photograph.풍력발전기의 저주파 소음 전파 모델 비교 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) 165 소화하기 위해 가장 외곽에 설치된 풍력발전기를 대 상으로 하였다. 풍속측정은 가장 중요한 요소로서 IEC 61400-11 [6] 에서 제시하고 있는 풍속계 설치 가능 영역에서 높 이 10 m의 이동형 풍속계를 설치하여 1 s 단위로 풍속 을 측정하였다. 지표면 거칠기 길이는 대상 풍력단 지의 지표면을 고려하여 설정하게 되는데 여기서는 약간의 경작물과 초지가 있기 때문에 IEC 61400-11 에서 제안하고 있는 0.05 m로 하였다. 이 경우 높이 10 m에서 측정된 풍속으로부터 허브 높이에서의 풍 속값은 Eq. (2)로부터 산출할 수 있다. ln ln ,(2) 여기서 : 허브 높이에서의 풍속( m/s), : 높이 10 m에서 측정한 풍속(m/s), : 지표면 거칠기 길이(0.05 m). 3.2 측정값과 예측값 비교 임의 수음지점에서의 음압레벨 예측값을 산출하 기 위해서는 풍속에 따른 음향파워레벨 측정값이 필 요하다. 하지만 이미 풍력단지가 조성된 경우에는 음향파워레벨을 측정하기 어렵기 때문에 제조사에 서 제공하는 값을 사용하였다. 풍속은 시험 여건상 단시간에 걸쳐 측정하였기 때문에 풍속 변화가 제한 적이었으며 A 사의 경우는 7.5 m/s에서 8.5 m/s 그리 고 B 사의 경우는 4.5 m/s에서 5.5 m/s 범위에서 유효 한 데이터를 얻을 수 있었다. 따라서 허브높이에서 의 평균풍속(v H )은 8 m/s와 5 m/s로 하였으며 이때 풍 력발전기가 정지한 상태에서의 배경소음레벨은 Table 2와 같다. 각각의 풍속에 대해 A사와 B사에서 제공하는 음 향파워레벨은 Table 3에 정리하였는데 제조사마다 음향파워레벨과 측정 주파수 대역이 다르다는 것을 알 수 있다. 이것은 풍력발전기의 형식승인에서 소 음은 선택사항이기 때문으로 만약 제조사가 음향파 워레벨을 제시하지 않으면 직접 측정을 하거나 이론 적 해석 [7] 을 통해 산출해야만 한다. A사 3 MW 풍력발전기로부터 186 m 이격된 거리 에서의 음압레벨 측정값과 ENPro 및 덴마크 모델에 의한 예측값 그리고 Boundary Element Method(BEM) 에 의한 예측값을 Fig. 4에 함께 비교하였다. BEM을 사용한 이유는 SoundPLAN 혹은 ENPro의 경우는 소 음 전파 시 음의 직진성만 고려하기때문에 한계성이 있지만 BEM은 특히 저주파 음의 특성인 회절과 간 섭을 모두 고려하기 때문에 가장 정확한 예측값이 기대되기 때문이다. 결과에서 보듯이 BEM 예측값 과 다른 예측모델에 의한 예측값 그리고 측정값과 2.5 dB 이내로 잘 일치하고 있지만 다른 예측값과 측 정값의 차이는 5 dB 정도이다. B사 3 MW 풍력발전기로부터 313 m 이격된 거리 에서 측정한 음압레벨값과 예측값들은 Fig. 5에 비교 Table 2. Background noise levels (dB). Frequency (Hz) A company (v H = 8 m/s) B company (v H = 5 m/s) 12.542 1642 203740 254143 31.54144 403838 503837 633636 803229 Table 3. Sound power levels (dB). Frequency (Hz) A company (v H = 8 m/s) B company (v H = 5 m/s) 12.5106 16106 20105110 25104110 31.5103108 40102109 50101109 63105109 80104106정성수, 박태호, 이병권, 김진형, 최태묵 한국음향학회지 제 43 권 제 2 호 (2024) 166 하였다. 결과를 보면 BEM에 의한 예측값과 다른 모 델에 의한 예측값 그리고 측정값들이 잘 일치하고 있지만 최대 3.5 dB 정도의 차이를 보이고 있다. A사와 B사 모두 측정값과 예측값이 차이가 나는 것은 대상 풍력발전기들은 설치되어 운영된지 7년 이상 경과되었기 때문에 음향파워레벨값의 변화가 생겼기 때문으로 사료된다. 하지만 각 주파수 대역 별 음향파워레벨의 변화는 같은 기종의 풍력발전기 일지라도 개별적으로 다르기 때문에 일반화하기는 불가능하다. 하지만 현재 상태에서 음향파워레벨 측 정값을 적용할 수 있다면 측정값과 예측값들의 차이 는 더 감소할 것으로 기대된다. 한편, Fig. 4에서 40 Hz 대역에서의 음압레벨 측정값의 증가는 Table 3의 음 향파워레벨과 Table 2의 배경소음이 다른 주파수 대 역과 비교할 때 큰 변화가 없는 점을 고려할 때 그동 안 운행에 따른 음향파워레벨의 변화보다는 진폭변 조(amplitude modulation) [8] 효과로 추정된다. 또한 63 Hz와 80 Hz 대역에서 BEM과 덴마크모델에 의한 예 측값들 사이에 차이가 다른 주파수 대역에 비해 증 가하고 있는데 Fig. 5의 경우를 고려할 때 음원과 수 음점 사이의 거리 차와 지표면의 임피던스 효과가 복합적으로 영향을 미치는 것으로 사료된다. IV. 결 론 본 연구에서는 풍력발전기 방사소음 중 특히 12.5 Hz부터 80 Hz까지의 저주파 소음 주파수 대역에 대 해 반경험식에 기초한 덴마크모델을 비롯하여 상용 프로그램인 SoundPLAN과 ENPro에 의한 음압레벨 예측값들과 측정값을 비교 검증하였다. 3 MW급 풍 력발전기를 대상으로 한 결과 단시간의 측정에 따른 제한된 풍속이지만 예측값들과 측정값이 5.0 dB 이 내로 일치하였으며 특히 저주파 소음예측에 가장 정 확하다고 할 수 있는 BEM에 의한 결과와는 2.5 dB 이 내로 잘 일치하였다. 예측값과 측정값의 차이가 나 는 원인으로는 풍력발전기가 운영된지 7년 정도 경 과됨으로써 음향파워레벨 역시 변화하였기 때문으 로 판단된다. 일반적으로 가장 잘 알려지고 검증된 ISO 9613 모 델은 63 Hz 이상의 주파수에서 적용하지만 12.5 Hz까 지 확장할 경우 편차가 증가할 수 있다. 하지만 ISO 9613 모델 자체에 3 dB 정도의 편차가 있음을 고려할 때 63 Hz 미만의 주파수 대역에서의 연구결과들이 보완될때까지는 적절하게 사용할 수 있는 모델이라 고 판단된다. 덴마크모델의 경우 반경험식이지만 본 연구에서와 같이 펑탄하고 지표면이 음향학적으로 중간 정도의 음향임피던스 갖는 경우는 비교적 신뢰 성있게 실용적으로 활용할 수 있는 모델임을 확인할 수 있었다. 하지만 복잡한 지형이나 지표면의 음향 학적 변화가 있는 경우에 대해서는 추가적인 연구를 통해 평가할 필요가 있다. 향후 장시간에 걸쳐 다양 한 종류의 풍력발전기를 대상으로 광대역 풍속범위 에서 측정값과 예측값을 비교함으로써 예측 모델들 에 대한 신뢰성을 검증할 예정이다. Fig. 4. (Color available online) Comparison of the predicted sound pressure levels by several models with the measured levels (A company). Fig. 5. (Color available online) Comparison of the predicted sound pressure levels by several models with the measured levels (B company).풍력발전기의 저주파 소음 전파 모델 비교 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) 167 감사의 글 본 논문은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술 원의 ICT기반 환경영향평가 의사결정 지원 기술개 발사업(2021003360003)의 지원을 받아 작성되었습 니다. References 1.S.-C, Kim and M. J. Choi, “Harmfulness of infrasound and wind turbine noise managements” (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 40, 73-83 (2021). 2.Ministry of Environment, “Low frequency noise ma- nagement guideline” (in Korean), 2018. 3.The Danish Ministry of the Environment, “Statutory order on noise from wind turbines,” Translation of Statutory Order no. 1284, 2011. 4.ISO 9613-1, “Acoustics-attenuation of sound during propagation outdoors – Part 1: Calculation of the absorption of sound by the atmosphere,” 1993. 5.ISO 9613-2, “Acoustics-attenuation of sound during propagation outdoors – Part 2: General method of calculation,” 1996. 6.IEC 61400-11, “Wind turbines – Part 11: Acoustic noise measurement techniques,” 2012. 7.G.-S. Lee, C. Cheong, H.-T. Kim, and W.-H. Joo, “Time domain prediction and analysis of low frequency noise from wind turbine using hybrid computational aeroacoustics (CAA) method” (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 32, 369-376 (2013). 8.E. Blumendeller, L. Gaßner, F. J. Y. Müller, J. Pohl, G. Hübner, J. Ritter, and P. W. Cheng, “Quantification of amplitude modulation of wind turbine emissions from acoustical and ground motion recordings,” Acta. Acust. 7, 1-19 (2023). 저자 약력 ▸정 성 수 (SungSoo Jung) 1985년 2월 : 한국외국어대학교 물리학과 학사 1987년 2월 : 한국외국어대학교 물리학과 석사 1995년 02월 : 한국외국어대학교 물리학 과 박사 1996년 10월 ~ 현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원 ▸박 태 호 (Taeho Park) 2008년 8월 : 서울시립대학교 환경공학 학사 2011년 2월 : 서울시립대학교 에너지환경 시스템공학 석사 2019년 2월 : 서울시립대학교 환경공학 박사 2019년 3월 : 서울시립대학교 연구교수 2021년 12월 ~ 현재 : 한국환경연구원 부연구위원 ▸이 병 권 (ByungKwon Lee) 2001년 2월 : 한양대학교 건축공학과 학사 2003년 2월 : 한양대학교 건축공학과 석사 2003년 3월 : 대림산업 기술개발원 2016년 2월 : 한양대학교 건축공학과 박사 2017년 3월 ~ 현재 : 한국환경연구원 연구 위원 ▸김 진 형 (JinHyeong Kim) 1998년 2월 : 부산대학교 조선해양공학과 학사 2000년 2월 : 부산대학교 조선해양공학과 석사 2000년 4월 ~ 현재 : ㈜크리에이텍 연구소장 ▸최 태 묵 (TaeMuk Choi) 1999년 2월 : 한국항공대학교 항공기계공 학과 학사 2001년 2월 : 부산대학교 조선해양공학과 석사 2005년 2월 : 부산대학교 조선해양공학과 박사 2000년 4월 ~ 현재 : ㈜크리에이텍 대표I. 서 론 수중에서 전기 에너지 수확에 사용되는 진동 에너 지 하베스터(Underwater Vibration Energy Harvester, UWVEH)는 와류유기진동(Vortex Induced Vibration, VIV)의 발생으로 생긴 기계적 진동과 응력, 변형률 곡면을 가진 외팔보형 PVDF 에너지 하베스터의 와류유기진동으로 인한 에너지 수확 특성 Energy harvesting characteristics on curvature based PVDF cantilever energy harvester due to vortex induced vibration 송우진, 1 이종길 2† (Woo-Jin Song 1 and Jongkil Lee 2† ) 1 현대자동차(주) 글로벌 러닝센터, 2 국립안동대학교 사범대학 기계교육과 (Received December 20, 2023; accepted February 1, 2024) 초 록: 수중 압전 에너지 하베스터(Piezoelectric Energy Harvester, PEH) 설계시 곡률변화를 통해 외팔보형 전체의 와류유기진동(Vortex Induced Vibration, VIV)을 생성시키고, VIV의 생성으로 곡면형 외팔보 PEH에 진동 변위가 증가한다는 것은 실제 전력을 증대 시키는 데 중요한 요소이다. 해석 모델인 곡면형 PEH의 재질은 Polyvinyline Di-Floride(PVDF) 압전 필름으로서 곡률이 다양한 50 mm, 130 mm, 210 mm 모델에 유속은 0.1 m/s ~ 0.50 m/s로 정하여 VIV에 의한 PEH의 스트레인 에너지 변화를 관찰하였다. 곡률 반경이 작을수록 큰 폭의 VIV가 나타났고, 유속 이 증가할수록 VIV가 많이 나타났다. 작은 곡률로 인한 급격한 형상변환이 VIV의 생성에 효과적이었고 스트레인 에 너지, 정규화 발생 전압, 평균 전력 등은 곡률이 증가할수록 감소하였다. PEH 자체의 전력량을 증대시키기 위해 급한 경사의 곡률 개선뿐만 아니라 곡률형 PEH의 개수가 늘어남에 따라 평균 전력도 상승할 것으로 사료된다. 핵심용어: 수중 에너지 하베스터, 에너지 하베스팅 측정, 곡면 외팔보, 와류유기진동, Polyvinyline Di-Floride (PVDF) ABSTRACT: When designing an underwater Piezoelectric Energy Harvester (PEH), Vortex Induced Vibration (VIV) is generated throughout the cantilever through a change in curvature, and the generation of VIV increases the vibration displacement of the curved cantilever PEH, which is an important factor in increasing actual power. The material of the curved PEH selected a Polyvinyline Di-Floride (PVDF) piezoelectric film, and the flow velocity is set at 0.1 m/s to 0.50 m/s for 50 mm, 130 mm, and 210 mm with various curvatures. The strain energy change of PEH by VIV was observed. The smaller the radius of curvature, the larger the VIV, and as the flow rate increased, more VIV appeared. Rapid shape transformation due to the small curvature was effective in generating VIV, and strain energy, normalized voltage, average power, etc. To increase the amount of power of the PEH, it is considered that the average power will increase as the number of curved PEHs increases as well as the steep curvature is improved. Keywords: Underwater energy harvester, Energy harvesting measurement, Curvature based cantilever, Vortex induced vibration (VIV), Polyvinyline Di-Floride (PVDF) PACS numbers: 43.58Gn, 43.58Ta 한국음향학회지 제43권 제2호 pp. 168～177 (2024) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) https://doi.org/10.7776/ASK.2024.43.2.168 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Jongkil Lee (jlee@anu.ac.kr) Mechanical Engineering Education, Andong National University, 1375, Gyeongdong-ro, Andong, Gyeongsangbuk-do, 36729, Republic of Korea (Tel: 82-54-820-5487, Fax: 82-54-820-7655) Copyrightⓒ2024 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 168곡면을 가진 외팔보형 PVDF 에너지 하베스터의 와류유기진동으로 인한 에너지 수확 특성 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) 169 등을 이용한 미소 에너지 하베스팅 기술로서 수확된 에너지는 대략 수 mW 혹은 수 μW 정도이다. UWVEH 의 성능 지표는 주로 출력(mW, μW) 혹은 출력 밀도 mW/cm 3 , W/m 3 ) 등으로 나타내고 있으나 아직 이에 대 한 표준화된 단위는 알려져 있지 않다. 다만, 출력 밀 도는 UWVEH의 크기나 주파수의 변화에 따른 성능 변화는 덜 민감하나 출력은 크기가 커지짐에 따라 증 가하고 주파수가 고주파로 갈수록 출력은 감소하는 경향이 있다. [1-3] UWVEH의 핵심인 압전 에너지 하베 스팅(Piezoelectric Energy Harvester, PEH)에 사용되는 석영, BTO, PZT, PMN-PT 등의 압전 재료는 기계적 진 동을 전기 에너지로 비교적 간단한 구조를 이용하여 변환할 수 있기 때문에 무선센서 네트워크의 외부 전 원 공급 없이 자체 전력원으로 사용하기 위해 이러한 UWVEH 기술이 많이 활용되고 있다. [1-3] Fig. 1에서와 같이 압전 세라믹을 이용한 UWVEH 의 종류는 외팔보 형태를 이용한 것, 심벌 형태를 이 용한 것, 박막형태를 이용한 것 등이 연구 [1-3] 되었다. Lee et al. [4] 은 PolyVinyliDene Fluoride(PVDF)를 이 용한 퍼넬형 에너지 하베스터(Funnel Type Energy Harvester, FTEH)를 고안하고 유속에 따른 FTEH의 에 너지 수확량을 실험으로 검증 하였다. Lee et al. [4] 이 고안한 FTEH는 유체 유입 입구측의 단면적이 출구 측의 단면적보다 넓은 형태로 제작되어 출구측에서 의 유속을 빠르게 하는 효과를 가지고 있다. 쉘(shell) 구조가 평판 구조보다 큰 변형률을 발생 시키므로 압전 에너지 하베스팅의 효율을 개선할 수 있다. Yoon et al. [5] 은 휘어진 PZT-5A 피에조 세라믹 을 이용하여 기계적 변형율로 인한 충전량을 증가시 키는 연구를 하였다. 그러나 PZT 재질은 곡면 형상 의 구조물에 사용하는 것은 제한되는 단점이 있다. 깃발 형태의 에너지 하베스터에 대한 연구는 Techet et al., [6] Allen과 Smits, [7] Giacomello와 Porfiri [8] 등의 연구에서 찾아볼 수 있다. Techet et al. [6] 과 Allen과 Smits [7] 은 유속이 1.0 m/s일 때 사각형 돌출체 뒤에 설치된 장어 형태의 유연한 압전 박막의 와류 유동에 의한 에너지 수확을 연구하였다. 장어형 압전 박막 의 간격은 7.6 cm이고 총 6개를 사용하였다. 이 때 사 용한 압전 박막의 재료는 PolyEthylene Terephthalate Glycol(PETG)과 Polyvinyline Di-Floride(PVDF)이며 폭 이 15.25 cm, 길이가 1.2 m였다. PVDF의 탄성계수 는 2.24 × 10 6 kPa이며 비중은 1.77이다. 무차원의 길이에 따른 스트레인 에너지를 계산하였는데 압전 박막의 길이가 길수록 높은 스트레인 에너지가 저장 됨을 보였다. Giacomello와 Porfiri [8] 은 IOonic Polymer Metal Composite(IPMC)를 호스트 깃발에 부착하고 이 를 수중에 잠궜을 때 발생되는 에너지 수확량을 실험 으로 관찰하였다. 유체 가시화 장치를 이용하여 깃 발의 진동 형상을 보았고 유체 평균 속도가 0.6 m/s ~ 1.1 m/s일 때 최적 저항을 달았을 경우 전력은 10 -4 μW 로 측정되었다. 심벌 트랜스듀서(cymbal transducer)는 상하부의 금 속 캡 속에 압전 디스크가 조립되어 있는 구조로서 상하부 캡의 변형에 의하여 압전체가 진동을 함으로 서 전기를 발생시키는 원리이다. 심벌 트랜스듀서는 주로 수중에서의 음향 신호 송수신 센서로 이용되나 에너지 하베스터로서의 응용도 연구 [9-11] 되고 있다. Ren et al. [9] 은 사각형 심벌 트랜스듀서의 에너지 하 베스팅에 대하여 8.5 g의 질량을 가했을 때 57 kΩ의 저항값으로 2.0 mW의 전력이 생산된다고 하였고, Kim et al. [10] 은 여러 환경에서의 심벌 트랜스듀서를 활 용한 에너지 수확을 연구하였다. Bezanson과 Thornton [11] 은 Supply Utilizing Vortex Induced Vibration Energy (SURVIVE)라는 에너지 하베스터 연구에서 가는 막 대 봉 형태의 외팔보가 심벌 트랜스듀서 위에 설치 되어 있고 와류유기진동이 외팔보에 가해지면 심벌 이 진동하여 에너지를 수확하는 원리를 이용한 것 으로 0.25 m/s의 유속에서 최소 6 mW의 전력이 생성 됨을 보였다. 외팔보 형태의 UWVEH는 References [11] ~ [17]에 보인 것과 같이 비교적 활발히 연구되고 있으며, 대 부분의 연구는 원통과 외팔보가 결합된 형태의 에너 Fig. 1. Types of UWVEH with materials.송우진, 이종길 한국음향학회지 제 43 권 제 2 호 (2024) 170 지 하베스터로서 Fig. 2와 같이 원통 주위를 지난 와 류가 외팔보를 진동시키는 원리를 이용한 것으로 원 통의 부착 위치에 따라 약간의 차이가 있을 뿐이다. References [14] ~ [16]은 원통형 물체의 주위를 흐 르는 유체의 와류 진동에 의한 에너지 수확을 제안 하였고 압전 재료를 공통으로 이용하였다. 그러나 Erturk와 Delporte [12] 과 Shan et al. [13] 은 기존의 압전 재료 를 사용하는 대신 Macro Fiber Composite(MFC)를 이용 한 에너지 수확장치를 제안하였다. Erturk와 Delporte [12] 은 수중 지느러미 형태의 얇은 MFC 외팔보 꼬리에 서 6 Hz, 19 mN의 평균 추력을 발생시키기 위한 평균 요구 가진력은 120 mW 정도로 측정하였다. Shan et al. [13] 은 MFC를 이용하여 Fig. 2(b)의 형상과 같이 제 작하고 실린더의 지름(30 mm, 40 mm, 50 mm)과 유속 (0.05 m/s ~ 0.5 m/s)을 변화시켰을 때 발생되는 전력 을 이론과 실험으로 수행하였는데 실린더 지름 30 mm, 유속 0.5 m/s에서 최대 전력은 1.32 μW, 전력 밀 도는 1.1 mW/m 2 을 수확함을 보였다. Song et al. [14] 은 Shan et al. [13] 과 유사한 모델을 사용하였는데 이론과 실험을 통하여 유속 0.35 m/s에서 최대 출력 84.49 μ W, 에너지 밀도 60.35 mW/m 2 으로 압전형 외팔보의 와류 진동에 의한 에너지를 수확함을 보였다. Dai et al. [15] 은 Fig. 2(b)에 van der Pol 진동자를 양력으로 하 는 외팔보형 압전 진동 하베스터의 에너지 수확을 해석하였다. Mehmood et al. [16] 은 압전 트랜스듀서가 원형 실린 더에 부착되고 이것에 수직하여 흐르는 유체에서 생 기는 와류 유동을 이용하여 압전체에 발생하는 에너 지를 레이놀즈 수(Re, 96 Re 118)에 따라 전력량 을 계산하였다. 이 때 사용한 부하 저항 R은 500 Ω R 5 MΩ이 적용되었고 연구 결과 부하 저항값이 500 kΩ일 때 최대 전력이 수확되며 부하 저항의 변화 에 따라 전력이 변화함을 확인함으로서 최적 부하 저항값을 찾는 것이 전력을 최대화하는데 유용하다 고 보고하였다. Singh et al. [17] 은 곡률 형상의 길고 유연한 원통에 축방향의 유체가 유입될 때 발생되는 플러터(flutter) 의 불안정에 의한 에너지 하베스터의 변화를 이론해 석 하였다. Singh et al. [17] 은 곡률 변화에 따라 댐핑도 변화하는 Eqs. (1)과 (2)를 이용하여 곡면 좌표 s에서 = 0, = 2일 때 무차원 전력은 최대치로 됨을 확 인하였다. .(1) , ≤ ≤ .(2) 이 밖에 Grouthier et al. [18] 은 장력이 있는 긴 케이블 에서 와류유기진동으로 인한 에너지 수확의 가능성 에 대하여 연구하였다. UWVEH는 다르게 공기중에 서 PVDF형 에너지 하베스터의 응답 특성을 수치해 석한 결과도 Dung과 Sasaki [19] 에 의해 보고되었다. UWVEH의 장점에도 불구하고 향후의 기술 개발은 주로 출력 밀도를 높이는 연구, 최적화 설계 연구, 공진 에 의존하지 않는 광대역화 기술 연구, 효율적인 에너 지 저장장치회로 [20-22] 의 연구 에 집중되어야 할 것으로 사료된다. 특히 곡률이 변화하는 형태의 외팔보에서 PVDF를 이용한 에너지 하베스터에 대한 연구 결과는 아직 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 PEH에 곡률 형태의 외팔보형 PVDF를 설계하고 이를 수중에 적용하였을 때 와류 유동에 의한 스트레인 에너지를 계산하고 발생 전력량의 변화 추이를 관찰함으로서 보다 효율적인 UWEH 설계에 도움을 주고자 하였다. II. 곡면을 가진 외팔보형 PEH 모델 곡면을 가진 외팔보형 Piezoelectric Energy Harvester (PEH)에 외부 응력을 가하는 방법은 주로 압전 재료 piezoelectric material cylinder flow Case (a) cylinder flow piezoelectric material Case (b) Fig. 2. Cantilever type of the UWVEH.곡면을 가진 외팔보형 PVDF 에너지 하베스터의 와류유기진동으로 인한 에너지 수확 특성 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.43, No.2 (2024) 171 를 박막의 외팔보로 제작한 다음 끝단에 질량을 달 아 VIV를 발생하도록 한다. 곡률형 외팔보의 변위를 y(x)라고 할 때 보 내부에 발생하는 스트레인 에너지, U는 다음과 같이 표현된다. [6] ,(3) 여기서 E는 탄성계수, I는 단면2차모멘트, L은 PVDF 외팔보의 길이이다. Eq. (3)에서 스트레인 에너지는 외팔보 곡률의 제곱에 비례하고 강성계수 EI에 비례 한다. 굽힘 변형률 는 [19] (4) 으로 표현되며 여기서 는 중립축에서부터 PVDF 의 중심까지의 거리이다. 여기서 y(x,t)는 외팔보의 횡방향 변위를 나타내는데 다음과 같이 수렴급수로 표현된다. [4,19] ∞ .(5) Eq. (5)에서 는 질량-정규화 고유함수, 는 r 번째 진동 모드의 외팔보 모달(modal) 좌표이다. Eqs. (4)와 (5)를 이용하여 굽힘 변형율을 구할 수 있다. 또 한, PVDF에 외부 유동에 의한 가진력이 가해질 때 발 생하는 진동 변위와 발생 전압의 관계식은 다음과 같다. [4,16] (6) (7) Eqs. (6)과 (7)에서 는 MFC의 진동 변위, 는 유기되 는 전압을 나타내며, 와 는 주파수와 속도에 따라 정해지는 변수이다. Fig. 3에는 Eqs. (6) 과 (7)에서 초기조건이 모두 0일 때 발생되는 PVDF 의 무차원 전압의 절대값(a)과 그것의 주파수 스펙 트럼(b)을 보였다. Fig. 3(b)에서와 같이 무차원 전압 의 변화 추이는 0.2 Hz, 0.8 Hz의 진동수를 가짐을 알 수 있다. Fig. 4에는 곡면을 가진 외팔보형 PVDF 에너지 하 05101520253035404550 Time (s) 0 0.05 0.1 0.15 (a) Nondimensional voltage response 00.511.522.533.54 Frequency (Hz) -50 0 50 100 Magnitude (dB) FFT (b) Frequency spectrum of the voltage response Fig. 3. (Color available online) Nondimensional voltage response (absolute value) of the PVDF with respect to time and its frequency spectrum.Next >