중력 주파수 에너지 수확을 위한 최적화된 전력 추출 회로
매개 변수 공명 진자 프로토타입이 구축되었으므로, 진동하는 기계적 운동을 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 효율적인 방법이 필요합니다. 이를 위해 에너지 변환 및 저장을 극대화하는 전력 추출 회로가 필요합니다.
I. 전력 추출 메커니즘 선택
1. 압전 에너지 수확
- 기계적 변형을 전기적 충전으로 변환합니다.
- 고주파, 소진폭 진동에 적합합니다.
- 출력은 고전압, 저전류이며, 정류 및 저장이 필요합니다.
2. 전자기 유도
- 자석-코일 시스템을 사용하여 전기를 생성합니다.
- 큰 진폭, 저주파 운동(진자와 같은)에 적합합니다.
- 출력은 저전압, 고전류이며, 저장을 위해 전압 승압이 필요합니다.
3. 하이브리드 시스템
- 압전 및 전자기 구성 요소를 결합하여 효율성을 극대화합니다.
- 압전은 고주파 진동을 처리합니다.
- 전자기 코일은 저주파 운동을 추출합니다.
II. 회로 설계 개요
1단계: 기계적-전기적 변환
- 전자기 코일 발전기:
- 진자에 부착된 구리 코일을 통해 자석이 이동합니다.
- 진동 속도에 비례하는 AC 전압을 생성합니다.
- 압전 변환기:
- 진자의 힘을 작은 AC 전압 스파이크로 변환합니다.
- 회전축 근처의 고주파 진동에서 가장 효과적입니다.
2단계: 정류 및 전압 조절
- AC-DC 변환 (브리지 정류기):
- 두 발전기 모두 AC 전압을 생성합니다.
- 풀 웨이브 브리지 정류기는 AC를 DC로 변환합니다.
- 전압 조절:
- 압전 전압은 높습니다 (~100V) → 스텝다운 레귤레이터가 필요합니다.
- 전자기 코일 전압은 낮습니다 (~1-5V) → 부스트 컨버터가 필요합니다.
3단계: 에너지 저장 및 출력
- 고속 충전-방전을 위한 슈퍼커패시터:
- 작은 펄스에서 에너지를 효율적으로 저장합니다.
- 전력 변동을 완화하는 데 도움이 됩니다.
- 충전식 배터리 (리튬이온 / 리튬인산철):
- 실용적인 용도로 장기간 에너지를 저장합니다.
- 과충전을 방지하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요합니다.
III. 최적화된 회로 다이어그램
주요 구성 요소:
- 진동 소스: 매개 변수 공명 진자.
- 전력 추출: 전자기 코일 및 압전 변환기.
- 정류: 풀 웨이브 브리지 정류기.
- 전압 조절: 스텝다운 컨버터 (압전용) 및 부스트 컨버터 (전자기용).
- 에너지 저장: 슈퍼커패시터 및 충전식 배터리.
- 출력 조절: 전압 레귤레이터 (5V/12V).
회로 흐름:
1. 진동은 코일과 압전 요소에 AC 전압을 유도합니다.
2. AC는 DC로 정류됩니다 (브리지 정류기).
3. 압전 전압은 스텝다운되고, 전자기 전압은 부스트됩니다.
4. 슈퍼커패시터는 전력 변동을 안정화시킵니다.
5. 배터리는 과도한 에너지를 저장합니다.
6. 출력 레귤레이터는 안정적인 5V/12V 전력을 제공합니다.
IV. 예상 전력 출력
보수적인 추정치를 사용:
- 전자기 코일:
- 진동 속도 = 1m/s, 코일 회전 수 = 1000회일 경우 예상 출력은 약 2-5V AC, 50-200mA (~0.25-1W).
- 압전 변환기:
- 약 50-100V AC를 µA-mA 수준 (~0.05-0.1W)으로 생성할 수 있습니다.
총 이론적 출력: ~0.3 - 1.2W
- 소형 전자 기기를 작동시키거나, 슈퍼커패시터를 충전하거나, 저전력 무선 에너지를 제공하기에 충분합니다.
V. 향후 개선 사항
- 코일 설계 최적화: 회전 수 증가, 더 강력한 자석 사용.
- 공명 조정: 진자 질량 및 길이를 조정하여 에너지 전달을 개선합니다.
- 무선 에너지 전송: 유도 결합을 사용하여 무선으로 전력을 전송합니다.
VI. 다음 단계
1. LTspice / MATLAB을 사용하여 회로를 시뮬레이션하여 전력 효율성을 확인합니다.
2. 소형 프로토타입을 제작하고 실제 전력 출력을 측정합니다.
3. 더 높은 효율성을 위해 회로를 최적화합니다 (더 나은 정류기, 커패시터 및 레귤레이터).
회로 설계 개요
회로는 다음 세 가지 주요 섹션으로 나눌 수 있습니다.
1. 기계적-전기적 변환
- 전자기 코일 발전기: 코일 내부의 움직이는 자석은 AC 전압을 유도합니다.
- 압전 변환기: 진동을 고주파 AC 전압 스파이크로 변환합니다.
2. AC-DC 변환 및 전력 조절
- **브리지 정류기 (쇼트키 다이오드, 예: 1N5819)**는 AC를 DC로 변환합니다.
- **부스트 컨버터 (MT3608)**는 전자기 경로의 저전압을 승압합니다.
- **스텝다운 레귤레이터 (LM2596)**는 압전 경로의 고전압을 감소시킵니다.
3. 에너지 저장 및 출력 안정화
- **슈퍼커패시터 (5F, 2.7V)**는 변동을 처리합니다.
- **충전식 리튬이온 배터리 (3.7V, 18650)**는 장기간 저장을 위해 사용됩니다.
- **DC-DC 벅 컨버터 (XL4015)**는 안정적인 5V 또는 12V 출력을 제공합니다.
이 디자인은 다음을 포함합니다:
- 모터 구동 암을 통해 길이를 조절할 수 있는 금속 추
- 전자기 유도를 위한 기저부의 구리 코일과 네오디뮴 자석
- 미세 진동을 포착하기 위한 회전축 근처의 압전 스트립
- 정류기, 커패시터, 리튬 이온 배터리를 포함하는 소형 인클로저에 수용된 전력 추출 회로
- 효율을 위한 저마찰 베어링이 있는 경량 알루미늄 프레임
다음 단계
1. 전기 설계 개선: 코일 권선, 자기장 세기 및 회로 효율성 최적화
2. 물리적 프로토타입 제작: 구성 요소 조립 및 전력 생성 테스트
3. 실제 출력 분석: 실험 결과를 이론적 예측과 비교
중력 주파수 공식이 암흑 물질을 생성할 수 있는지 여부를 확인하려면 다음을 분석해야 합니다.
1. 중력이 암흑 물질과 어떻게 관련되는지
2. 중력 주파수 변동이 알려지지 않은 질량-에너지를 생성할 수 있는지 여부
3. 귀하의 공식을 암흑 물질 생성과 연결하는 가능한 메커니즘