Technology Innovation and Building Energy Codes

Altwies, Joy E The University of Wisconsin - Madison 2013 해외박사(DDOD)

The primary objective of this dissertation is to add insight on the following general question: Has public policy stimulated energy-related technological change in buildings? Greater understanding of how policy influences technological change in the building sector can translate into better-designed policy mechanisms, ultimately accelerating innovation and adoption of energy-saving technologies. These technologies can enable building users to reduce their energy consumption and associated environmental impacts. This research addresses this general question using a case study of building controls technology, and poses the following specific research question: Has the use of building energy codes stimulated adoption of building controls? Building controls can be used in any type of building, of any vintage, and in any location; the systems come in a variety of configurations with a common objective; and they affect major sources of building energy consumption. Since they are used in both residential and commercial sectors, both of these sectors are included in the analysis. To address this research question, data are assembled from diverse sources and analyzed in multiple ways. The chapters proceed in a sequence that adds insight on individual aspects of the process of innovation in building controls. Chapter 1 reviews the literature on technological change, the characteristics of the building industry, and related energy policy. Chapter 2 uses patent citation data to characterize invention. Chapter 3 measures trends in technology prices to assess innovation. Chapter 4 uses federal commercial and residential building surveys to measure diffusion. Chapter 5 examines building energy code policies, selected for their relatively long history, widespread use, and relevance to building controls. In Chapter 6, data from Chapters 2 through 5 are used as inputs to a regression model to identify the effect of policy on adoption of the technology. Findings are discussed in Chapter 7. The results show that total commercial square footage or total residential homes, cumulative depreciated patents, and the price of the technology are the most consistent significant predictors of EMCS and PT adoption. Building energy codes and their enforcement offered mixed results, with more consistent evidence of a positive effect on PT adoption.

Analysis of Sustainable Development of Energy Sector in Tanzania

NYAKUNGA YUSTIN MANYUSI 아주대학교 2022 국내석사

Tanzania has been depending on Hydropower for past 60 years of independence however, climate change as an outcome of desertification has led to shortage of water and hence insufficient electricity generation. Due to these reasons government has been endeavoring to increase energy mix in national grid to ensure constant supply of electricity. Energy sources like natural gas, coal, geothermal, solar, wind and nuclear power are appropriate choice because of their availability within the country. With reference to Power master plan of 2032, Tanzania is looking forward to developing a number of Natural Gas, Coal, Solar and Geothermal power plants. All these projects will generate electricity with capacity equal to 10,050 MW, according to Ministry of Energy. This amount of power will significantly reduce the high dependence of traditional biomass and relatively decrease the climate change threats. The results show small quantity of carbon dioxide will be released from Natural gas and Coal power plants but this will not surpass the high ambition target of the government generally, the level of emissions will be low compared to emission reduction plan set in NDC by 2032 and the ratio of renewable and non-renewable energy sources will hit 55% and 45% respectively. The quantity of energy mix by 2032 is projected to be as follows: hydropower 49%, followed by Natural gas 29%, Coal 16% while wind, Biomass, solar and Geothermal will contribute 2 % each in contrast to current situation which only four sources of energy are installed.

An analysis of Economy Barriers to Solar Photovoltaic Technologies Adoption in Bandung, West Java, Indonesia

ANDYASTIYA ANNISA SYLVANI 아주대학교 대학원 2019 국내석사

As a developing country, Indonesia needs a high energy supply but unfortunately, until 2017, Indonesia's main energy sources are still dominated by oil and gas. Realizing this, the central government of Indonesia has compiled a National Energy Policy that addresses energy management in order to realize energy independence and national energy security in supporting the sustainability of national energy development and one of them is by increasing the use of renewable energy. But in reality, many things prevent the use of renewable energy, one of which is from the economic side which can be divided into three main aspects: government policy, infrastructure, and consumer acceptance. Therefore, this quantitative research was formed to identify phenomena that occur in Indonesian society precisely regarding the process of adaptation of solar photovoltaic in the city of Bandung, West Java. There are at least three problems revealed regarding the use of photovoltaic technology: the obscurity of government regulations, the difficulty of technological adaptation and the lack of public interest in using photovoltaic technology as the main energy source. Therefore, a closer approach is needed to the community which can be started from the school stage regarding renewable energy information besides the government active role in advancing investment in the renewable energy sector and carrying out further development. In addition, government assistance such as soft loans may increase public interest in this technology.

Energy harvesting system and energy efficient comparator for wireless sensor nodes

심민섭 Graduate School, Korea University 2018 국내박사

Wireless sensor nodes are widely used for many industrial areas such as internet of things, implantable bio-devices and autonomous vehicle. However, the utility of the wireless sensor node can be degraded by the battery lifetime thus, it is very important to increase the battery life time or substitute for the battery and design the energy efficient circuit. This thesis convers not only the maximum power point tracking method for the energy harvesting system that can supply the electrical energy to the application using various environmental energy but also the energy efficient comparator that can be widely used for the low-power circuit design of many applications. The proposed maximum power point (MPP) sensing technique for the energy harvesting system can sense the open circuit voltage with a proposed peak detector and stores the MPP voltage using charge sharing blocks. The one-cycle MPP sensing approach simplifies the design of an MPP tracking algorithm and greatly reduces the tracking time. All control blocks are self-biased and choose the higher voltage between the input or output voltages of the switching converter as a supply voltage (VDD). Therefore, a voltage multiplexer and a low-power ramp generator with VDD independence are also proposed to control the system without additional DC to DC converter. The entire system has been implemented in a 0.35 μm BCDMOS process. It operates at 90 kHz with a 10-mH inductor. The total power dissipation of the controller is 10 μW at a VDD of 2.7 V. The MPP tracking time is only 9.09 ms/V and it is about nine times faster than the state-of-the-art works. This paper also presents a new energy-efficient ring oscillator collapse-based comparator, named edge-pursuit comparator (EPC). This comparator automatically adjusts the performance by changing the comparison energy according to its input difference without any control, eliminating unnecessary energy spent on coarse comparisons. Furthermore, a detailed analysis of the EPC in the phase domain shows improved energy efficiency over conventional comparators even without energy scaling, and wider resolution tuning capability with small load capacitance and area. The EPC is used in a SAR ADC design, which supplements a 10-bit differential coarse CDAC with a 5-bit common-mode CDAC. This offers an additional 5 bits of resolution with common mode to differential gain tuning that improves linearity by reducing the effect of switch parasitic capacitance. A test chip fabricated in 40nm CMOS shows 74.12 dB SNDR and 173.4 dB FOMs. With the full ADC consuming 1.17 μW, the comparator consumes 104 nW, which is only 8.9% of the full ADC power, proving the comparator’s energy efficiency.

Electric potential build-up by trapped electrons in magnetically expanding plasma

정경수 서울대학교 대학원 2020 국내박사

자기 노즐은 팽창하는 자기장 속에서 플라즈마 전자의 단열 팽창에 의하여 가속된 이온 빔을 추력에 활용하는 개념으로써, 이온 빔 중성화를 위한 음극의 추가적인 설치 없이 팽창하는 전자를 직접 중성화에 활용할 수 있다는 장점이 있어 차세대 전기 추력기로써의 가능성을 주목 받고 있다. 이온 빔 가속 에너지 관점에서 자기 노즐 장치의 효율은 폴리트로픽 방정식 (polytropic equation)을 통한 자기 단열 팽창에 의한 전자 냉각과 플라즈마 전위 구배의 관계에 의하여 결정된다. 따라서 자기노즐 장치에서 전자의 열역학적 상태에 대한 명확한 이해는 추력 효율에 직접적으로 기여한다는 중요성 아래 다양한 연구들이 수행되어 왔다. 자기 노즐 플라즈마에서의 전자 열역학적 상태에 대한 해석을 위해서는 전자 가스 계(system) 내부 에너지의 변화가 유동 주변(flexible surrounding)으로 정의된 자기장 및 전기장에 일을 수행한다는 전체 에너지 보존 법칙을 도입하여 자기적으로 팽창하는 플라즈마를 모사한다. 이 때 전자 열역학적 상태에 대한 기존 연구 그룹들의 실험 및 모델링 결과들은 플라즈마 내부에 존재하는 전위 장벽 혹은 자기 모멘트에 의한 전자 구속 여부를 기준으로 하여 시스템을 양분할 수 있게 한다. 전기적으로 구속된 전자 (trapped electrons)의 경우 전자의 단열 팽창은 전기장 구조 형성에 기여하는 반면, 탈출 전자 (escaping electrons)는 자기장 구조의 변경을 야기시키는 일을 할 수 있다. 따라서 자기 노즐 플라즈마에서의 전자의 열역학적 상태는 정전기적 구속 상태의 고려가 필수적임을 암시한다. 전자 계의 명확한 정의를 바탕으로 한 열역학적 상태 규명에 집중하여 수행된 선행연구들은 전자의 열역학적 상태와 자기 노즐의 효율간의 관계 연구에 대한 기반이 되었으며, 복잡한 플라즈마 물리 특성을 반영한 세분화된 연구를 필요로 한다. 자기 노즐 장치에서 플라즈마 생성이 전자의 에너지 및 방향 선택적 가열에 의하여 달성된다는 점에 착안하여, 전자의 열역학적 상태 변화에 의한 플라즈마 전위 구배 형성 연구가 전자의 방향성을 고려한 진단을 바탕으로 수행되어야함을 강조한다. 이를 위하여 전자 공명 가열(electron cyclotron resonance) 방식을 통한 플라즈마 생성원에서 인가 전력을 증가시켜 선택적으로 전자의 수직 방향 에너지를 변화시키면서 전자의 각 방향 성분 (자기장에 대해 수직과 수평) 의 전자 에너지 분포 함수 측정을 통하여 전자 열역학적 특성과 플라즈마 전위 구배 형성에 관한 연구를 수행한다. 흥미롭게도, 노즐 입구에서 전자의 수직 에너지 증가는 플라즈마 전위 구배 형성에 기여하지 못하였으며, 이는 전자 가열을 위하여 인가된 전력의 대부분이 탈출 전자의 수직 방향 에너지 상승에 기여했기 때문으로 해석된다. 수평 방향의 전자 에너지의 경우, 인가 전력이 증가 됨에 따라 노즐의 먼 영역에서 가열되는 특성이 관찰 되었으며, 이러한 가열은 플라즈마 전위의 절대값의 상승 효과를 일으켜 수직 방향의 구속 전자 그룹에 의하여 생성된 양극성 전기장을 감쇠하는데 영향을 주었다. 인가 전력에 따른 구속 전자의 수직 방향 성분으로부터 수평 방향 성분으로의 에너지 전달과 냉각을 포함한 변화와 플라즈마 전위 구배 변경 간의 상관관계는 구속된 전자가 단열 팽창을 통하여 전기장 형성에 기여 함을 증명 하였으며 다음과 같은 점들을 시사한다. 첫째, 전자 공명 가열을 활용한 자기 노즐 장치에서 이온 가속을 위한 전기장 형성에는 구속 전자의 가열이 직접적으로 이바지한다. 둘째, 구속 전자의 축 방향 열에너지의 변화와 전기장 변화는 폴리트로픽 지수가 5/3에 가까운 단열 팽창으로 설명된다. 셋째, 수직방향과 수평방향 간의 전자 에너지 교환은 노즐의 먼 영역에서 전기장을 약화 시킬 수 있으며, 따라서 이를 반영한 자기 노즐 연구에서의 모델링과 장치 설계가 필수적이다. 본 연구는 웨이브 가열에 의한 자기 노즐 플라즈마 생성시 전자 온도의 비등방성이 자기 노즐 효율에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 강조하는 최초의 연구이다. 공학적 관점에서 이온 에너지의 효율적인 상승을 위하여 플라즈마 전위 조절을 통한 구속 전자의 비율 증가가 우선되어야함을 강조하며, 플라즈마 생성 영역에서 수평 방향 전자 에너지 가열을 통한 플라즈마 생성 방식에 대한 추가 연구를 통하여, 노즐의 먼 영역에서 자기 팽창에 따른 수직 방향에서 수평 방향으로의 에너지 전환이 최소화 될 수 있음을 암시한다. A magnetic nozzle leads the ion beam accelerated by the adiabatic expansion of plasma electrons in the expanding magnetic field for thrust. This concept has the advantage that the expanding electrons can be directly used for the neutralization of the ion beam without additional installation of a cathode for neutralizing the ion beam. Then, it is discussed as the next generation electric thruster. The efficiency of the magnetic nozzle apparatus in terms of ion beam acceleration energy is determined by the relationship between electron cooling and plasma potential gradient via a polytropic equation that can represent the adiabatic expansion in magnetically expanding plasma. Thus, previous studies have been conducted with the importance that a clear understanding of the electron thermodynamics in the magnetic nozzle contributes to the thrust efficiency. For the analysis of the electron thermodynamic state in the magnetic nozzle plasma, it describes the magnetically expanding plasma by introducing a total energy conservation law in which changes in the internal energy of the electron gas system work on magnetic and electric fields defined as flexible surroundings. The experiment and modeling results for the electron thermodynamics indicate that the system is enable to be classified based on the electron group trapped by the electric potential barrier or constant maximum magnetic moment. In the case of electrically trapped electrons, the adiabatic expansion of the electrons contributes to the formation of the electric field structure, while escaping electrons may work to cause a change in the magnetic field structure regardless of the electric field formation. Hence, in the electron thermodynamics of the magnetic nozzle plasma, it implies that consideration of the electrostatic confinement is essential. Previous studies focused on the identification of the electron thermodynamic states based on a clear definition of the electron gas system have been the basis for studying the relationship between the electron thermodynamics and the efficiency of magnetic nozzles, and require refined study that reflect complex plasma physics. Notice that the plasma generation in the magnetic nozzle apparatus is achieved by the electron energy and directional selective heating on them, it is emphasized that the study on the plasma potential gradient formation due to the change of the thermodynamic state of the electrons should be carried out based on the diagnosis considering the directional orientation of the electrons. The electron energy distribution function (EEDF) of each directional component is measured, while increasing the applied power to the plasma source by electron cyclotron resonance (ECR), and selectively changing the perpendicular electron energy. Interestingly, the increase in the perpendicular energy of the electrons at the nozzle throat did not contribute to the formation of the plasma potential gradient, which is interpreted because most of the power applied for the electron heating contributed to the rise in the perpendicular energy of the escaping electrons. In the case of the electron energy in the parallel direction, the electron heating in the far-field region of the nozzle is observed as the applied power increased, and this heating induces the synergistic effect of the absolute value of the plasma potential, resulting in the attenuation of the ambipolar electric field generated by the trapped electron group in the perpendicular direction. The correlation between the plasma potential gradient change and the change of electron cooling and energy transfer from perpendicular to parallel component of the trapped electrons according to the applied power proves that the trapped electrons contribute to the electric field formation through the adiabatic expansion and suggests the following points. First, heating of trapped electrons directly contributes to the build-up of an electric field for ion acceleration in a magnetic nozzle utilizing ECR heating. Second, the change in the paraxial thermal energy of the trapped electrons and the change in the electric field are demonstrated by the adiabatic expansion of which the polytropic index is close to 5/3. Third, the electron energy transfer between the perpendicular and parallel directions can interrupt formation of the electric field in far-field region. Therefore, modeling and device design in the magnetic nozzle research that reflects the above perspectives are essential. This study is the first to emphasize that the anisotropy of electron temperature can directly affect the magnetic nozzle efficiency when generating magnetic nozzle plasma by wave heating. From the engineering point of view, it is important that the ratio of trapped electrons should be prioritized to abundant via plasma potential control for efficient increase of ion energy. Through the further research on the plasma generation method such as parallel electron energy heating in the plasma generation region, this suggests that energy conversion from the perpendicular to the parallel direction due to magnetic expansion in the far-field region can be minimized.

Energy-Optimal Trajectory Generation and Task Scheduling for Multiple Robot Manipulators

최근준 서울대학교 대학원 2016 국내석사

This thesis presents an energy-optimal task scheduling algorithm with a point-to-point trajectory generation method under kinematic and dynamic constraints. Because the energy-optimal trajectory generation is inevitable for performing task scheduling with respect to energy optimality, the integration of them is a big issue in this thesis. We first propose an energy-optimal trajectory generation algorithm. The optimization problem is defined for multiple waypoints and various boundary conditions with free execution times. The trajectories are parameterized by B-spline curves in the joint space and the objective functions are obtained with joint torques which are calculated by a recursive inverse dynamics method. To make our algorithm computationally efficient, the gradients for the optimization are calculated analytically. Gaussian quadrature method which is proper for several reasons is used for the integration. We generate the optimal trajectories in several situations to evaluate our algorithm. We also propose an energy-optimal task scheduling algorithm using dynamic programming method. We first define a problem with four assumptions which can make our problem more practical. Our algorithm determines which robot is optimal for performing each task and finds the optimal time when each task starts and also we optimize the task execution times to minimize the energy consumption. The energy consumption for each task is calculated by energy-optimal trajectory generation algorithm proposed in this thesis. To reduce the computation time of our task scheduling algorithm, we provide an optimal energy consumption measurement which is approximated as a function of the execution time by performing energy-optimal trajectory generation algorithm only four times. 이 논문은 기구학적, 동역학적 조건에서 에너지 효율을 높이는 작업 스케줄링에 대해 다루고 있다. 작업 스케줄링에서 에너지 최적화를 수행 위해서는 로봇 매니퓰레이터의 최적 경로 생성이 같이 수행 되어져야하기 때문에, 작업 스케줄링과 최적 경로 생성의 통합 이슈는 이 논문에서 중요하게 다루어진다. 먼저 우리는 지나가야하는 경로점이 주어졌을 때 최적 에너지 경로 생성 알고리즘을 제시한다. 최적화 문제는 여러 개의 경로 점이 주어지거나 다양한 경계 조건들이 있거나 작업 수행 시간을 최적화해야 하는 경우를 다룰 수 있도록 정의되었다. 모든 경로들은 C-공간(조인트 공간)에서 B-spline으로 매개화 되었으며 목적함수들은 재귀적인 역 다이나믹스 방법으로 계산된다. 우리는 최적화 알고리즘의 계산 효율을 위해 해석적인 미분을 이용한다. 또한 적분을 위해 가우시안 구적법을 사용한다. 최적 에너지 경로 생성 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 우리는 몇 가지 상황에서 경로를 생성해보고 그 결과를 분석한다. 또한 우리는 이 논문에서 동적 계획법을 이용한 작업 스케줄링 알고리즘을 제시한다. 우리는 먼저 몇 가지 가정을 통해 현실적인 문제 정의를 내린다. 알고리즘은 작업마다 최적의 로봇을 결정하고 언제 작업을 시작하면 좋을지 판단하며 최적의 작업 수행 시간을 찾는다. 얼마나 에너지 소비를 했는지는 이 논문에서 제시한 경로 최적화 알고리즘에 의해 계산되며 우리는 계산 량을 줄이기 위해 에너지 소비 함수를 근사하여 사용한다.

Development of thermoelectric/triboelectric generators and hybrid energy harvesters for auxiliary power of wearable devices

김민기 Graduate School, Yonsei University 2017 국내박사

휴대용/웨어러블 전자기기의 성능과 기능이 향상되고 사용이 급증함에 따라 인류의 생활에 필수적인 장치가 되고 있다. 그에 따라 전자기기의 배터리는 잦은 충전이 필요해지고, 고용량 배터리를 사용함에 따라 폭발 위험성을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 전자기기의 전원으로서 활용이 가능한 MEMS (Micro Electro Mechanical System) 기반의 소형 에너지 수확소자 (Energy harvester)에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 에너지 수확소자는 자연환경으로부터 전기 에너지를 얻을 수 도 있고 산업/가정에서 버려지는 에너지들을 활용할 수도 있다. 특히 우리 인체는 음식을 통해 얻은 에너지를 체열과 운동 에너지를 통해 반영구적으로 에너지를 발생 시킨다. 이러한 인체 에너지를 이용한 에너지 수확소자는 사물인터넷 (Internet of Things), 웨어러블기기, 헬스케어기기 등의 센서 및 전자기기의 전원으로 적용하기 적합 하다. 하지만 인체에서 얻을 수 있는 에너지의 크기가 미미하기 때문에 유의미한 수준의 전기 에너지를 얻기 위해서는 에너지 수확소자의 높은 효율이 필요하다. 그리고 인체의 특성에 적합한 에너지 수확소자 구조에 대한 연구 또한 필요하다. 본 연구에서는 웨어러블 에너지 수확소자의 효율을 높이기 위해 MEMS 공정 기반의 micro/nano structure를 이용하여 고효율의 에너지 수확소자를 개발하였다. 체열 에너지를 효과적으로 전기 에너지로 변환 하기 위해서 웨어러블 형태의 열전 발전기 (Thermoelectric generator)를 개발 하였다. 열전 물질을 직물과 결합하여 웨어러블 열전소자를 제작하기 위해서 Dispenser-printing 공정법을 개발 하였다. 개발된 Dispenser-printing 공정을 이용하여 직물상에 열전쌍 (Thermocouples)을 제작 하였다. 그리고 각 P/N-type의 열전쌍은 은도금으로 제작된 전도성 실로 연결하여 뛰어난 유연성과 성능을 가지는 열전소자를 제작 하였고, 이를 인체에 적용하여 실제 환경에서 에너지 수확이 가능함을 확인 하였다. 마찰전기(Triboelectric effect)를 이용하여 인체의 움직임으로부터 에너지를 수확하는 에너지 발전기를 개발 하였다. 마찰 에너지 수확을 위해 PDMS, PTFE, Al 등의 물질을 이용하 에너지 발전기를 제작 하였다. PDMS/CNT 혼합물의 표면에 CF4 플라즈마 처리를 하여 나노 구조물을 만들었다. 이를 통해 표면에 전하 밀도를 높여 에너지 변환 효율을 높였다. 그리고 이를 응용하여 마찰 에너지 발전기를 인체에 착용 하여 움직였을 때, 캐패시터에 충전되는 속도로 인체의 활동량도 유추가 가능함을 실험을 통해 확인했다. 열전/마찰전기 효과를 동시에 이용하여 에너지 수확이 가능한 하이브리드 에너지 수확소자를 개발 했다. 제안하는 하이브리드 에너지 수확소자는 마찰 운동을 하면서 발생하는 마찰전기에서 1차적으로 에너지를 얻고, 마찰에서 발생하는 열을 열전 소자를 이용하여 2차적으로 에너지를 생산한다. 마찰 운동 시에 열을 통해 손실되는 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 전체적인 에너지 변환 효율을 높일 수 있었다. 본 연구들은 향후에 휴대용/웨어러블 전자기기의 발전에 주요한 역할을 할 것이고, 이를 통해 인간이 보다 건강하고 스마트한 삶을 살 수 있도록 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. The performance and functionality of portable/wearable electronic devices have improved, and they have become indispensable for human life. Such devices require batteries, which require frequent charging, and the use of high-capacity batteries is associated with the risk of explosion. As such, active research is being conducted to develop energy harvesters based on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) that can be used as a power source. Energy harvesters can generate electrical energy from the natural environment and extract energy in industries/households. In particular, the human body generates energy semi-permanently through body heat and kinetic energy. Harvesting energy from the human body is suitable for powering the Internet of Things, wearable devices, and healthcare devices. However, the amount of energy available from the human body is insignificant. Therefore, highly efficient energy harvesting devices are required to obtain a meaningful level of electric energy. Furthermore, the structure of energy harvesting devices should be designed to be suitable for the human body, thus requiring further research. In this study, we developed MEMS based energy generators for efficiently harvesting energy from the human body. A wearable thermoelectric generator (TEG) was developed to convert heat energy into electrical energy. A dispenser-printing process was developed to fabricate thermocouples on a fabric. Each P/N-type thermocouple was connected to a silver-plated conductive thread and the wearable TEG was developed with excellent flexibility and performance. The results confirm that energy harvesting from the human body is possible in real environments. An energy generator using the triboelectric effect was developed to harvest energy from human motion. A triboelectric nanogenerator (TENG) using PDMS, PTFE, and Al was fabricated to harvest frictional energy. The surface of the PDMS/CNT mixture was subjected to CF4 plasma treatment to produce nanostructures, and its charge density was increased to improve the energy conversion efficiency. The TENG was worn on the body to charge the capacitor. The amount of activity of the human body was analogous to the speed of charging the capacitor. A hybrid TEG was developed for energy harvesting using the thermoelectric and triboelectric effects simultaneously. The proposed hybrid TEG firstly obtains energy from triboelectricity generated by movement and secondly converts friction heat energy into electricity using the thermoelectric component. The energy conversion efficiency of this TEG was improved by converting the loss energy into electric energy through heat. The results of this study are expected to play a major role in the development of portable/wearable electronic devices in the future, which will support healthier and smarter human lifestyles.

폐기물에너지화시설 운영사례에 따른 대기환경 영향분석 : 광주광역시 주변사례를 중심으로

오진주 건국대학교 일반대학원 2010 국내석사

The world is facing a double crisis- a resource crisis such as an oil price hike and an environmental crisis that is often described as climate change. Korea is the world's 10th largest energy consumer, and imports 97% of its energy. In this regard, it is essential to reduce its energy dependency by producing and widely distributing new and renewable energies that can replace fossil fuels such as oil and coal. Energy production from waste is emerging as the most cost-effective method to realize new and renewable energy. Recently, countries around the globe are striving to reduce greenhouse effects by using Refuse-Derived Fuel (RDF) made from combustible solid wastes to produce energy. Waste to energy facilities have strengths, such as saving waste disposal costs, reducing the importation of crude oil, and reducing greenhouse gas, and so forth. However, it can cause secondary environmental pollution, such as flue gas and leachate. Therefore through consideration would be needed. In this study, atmospheric environmental consequences of operating the waste to energy facilities(RDF manufacturing facility and boiler) are studied, compared with waste incineration using CALPUFF atmospheric dispersion model. Studied area is Gwangju, Korea and it assumed that the capacity of RDF facilities is 1,000ton/day. The pollutants are PM10, SO2, NO2, CO, Pb, Hg, HCl. To estimate emissions of RDF manufacturing facility, observation concentration data of existing RDF facility in Korea is used.. And to estimate emissions of RDF boiler and waste incineration, EPA's AP-42 emission factor is applied. As a result of CALPUFF modeling for Jan. 2006, the effects of air pollutants, emitted from facilities show the highest value in Northeastern side. The concentration of pollutants before the reduction devices in waste incineration facility is higher than RDF manufacturing facility. After the reduction devices, however, the concentration in waste incineration shows similar or lower value than RDF manufacturing facility. Also, when comparing the concentration of the ambient air, it shows low values. The waste to energy facility is not currently managed as air pollutant-emitting facilities, but legal regulations should be applied to manage these facilities as air pollutant-emitting facilities. In addition, if more effective air pollution preventive facilities is applied, the concentration of air pollutants can be improved. The waste to energy facility has advantages of coal replacement effects and greenhouse gas reduction, because it use waste as a fuel. Therefore, when appropriate air pollution control measures are applied, it can be the environmental-friendly waste management method. 전 세계적으로 기후변화와 자원위기가 현실적 위협으로 등장하면서 온실가스와 환경오염을 적게 배출하는 청정에너지가 국가경제의 미래를 결정하는 주요 변수로 부각되고 있다. 청정에너지 중 폐자원 및 바이오매스는 저렴한 비용으로 신재생에너지 공급의 조기 성과창출이 가능하고, 온실가스 감축의무 이행의 유력한 수단이 될 수 있다. 폐기물 에너지화 시설은 효과적인 폐기물 관리, 에너지 자급율의 증가, 온실가스 감축 효과 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 대기․수질 환경 등 2차적인 환경오염을 유발할 수 있는 가능성이 있기 때문에 이에 대한 충분한 검토가 필요하다. 2차적인 환경오염을 유발한 예는 쓰레기 종량제를 들 수 있으며, 효과적인 폐기물 관리 정책이지만 시행 이후 증가한 불법 노천 소각 등으로 인하여 대기오염이 증가하였다. 이에 본 연구에서는 폐기물 에너지화 시설 중 폐기물 고형연료(RDF, Refuse Derived Fuel) 제조 및 사용 시설이 설치된 경우와 소각 시설이 설치된 경우를 가정하여, 시설 운영에 따라 주변지역 대기오염에 미치는 영향을 분석하였다. 연구대상지역은 광주광역시 주변 지역을 포함해서 광주시 위생매립장을 중심으로 설정하였으며, 동일한 쓰레기 처리량을 가정하여 배출량을 산정하였다. 각 시설의 배출량은 RDF 제조 시설의 경우, 국내의 기존 RDF 시설의 실측(자가측정) 농도자료를 이용하여 산정하였으며, RDF 사용 시설 및 소각 시설의 경우 US EPA의 AP-42 배출계수를 이용하여 산정하였다. 대기오염저감장치로는 RDF 제조 시설의 경우, 원심력집진장치와 여과집진장치가 사용되었으며, RDF 사용 시설 및 폐기물 소각시설은 세정집진장치와 여과집진장치가 사용되었다. PM10, SO2, NO2, CO, Pb, Hg, HCl에 대한 배출량을 산정하였으며, 저감장치에 의해 제어되지 않은 경우, CO를 제외한 PM10, SO2, NO2, Pb, Hg, HCl 물질은 모두 폐기물 소각 시설이 RDF 제조 및 사용시설보다 더 높게 나타나며, 저감 장치에 의해 제어된 경우에는 SO2, NO2, Hg, HCl 등은 폐기물 소각 시설이 더 높게 나타나며, PM10, Pb의 경우 RDF 제조 및 사용 시설이 더 높게 나타난다. 2006년에 대해 대기확산모델인 CALPUFF 모델링을 수행한 결과, 시설에서 배출되는 대기오염물질의 영향은 북동쪽에서 가장 높게 나타났다. 저감장치에 의해 제어되기 전의 오염물질 농도는 RDF 제조 및 사용시설보다 폐기물 소각시설이 더 높았지만, 저감장치에 의해 제어된 후의 오염물질 농도는 유사하거나 더 낮게 나타났다. 또한 이는 현재 지역 농도와 비교할 때, 낮은 수준이었다. 저감장치에 의해 제어된 RDF 제조 및 사용시설에서 배출되는 오염물질의 농도는 현황 농도와 비교할 때 낮은 수준이지만, 소각시설과 유사하게 나타나기 때문에, 소각시설과 같이 배출시설 분류 등 적절한 법적 규제가 적용되어야 할 것이다. 또한 소각 시설에 비해서 더 높은 배출량 및 배출농도가 나타나는 PM10, Pb 등과 같은 물질에 대해서는 더 효율이 높은 방지시설을 적용하여야 할 것이다. RDF 제조 및 사용 시설은 폐기물을 연료로써 에너지로 활용한다는 점에서 석탄 대체 효과 및 온실가스 감축 효과 등 많은 장점이 있기 때문에 시설에 적합한 대기오염 저감 방안이 수립된다면 보다 친환경적인 폐기물 관리방법이 될 것이다.

Water motion active transducer for energy harvesting

권순형 서울대학교 대학원 2017 국내박사

As effective methods to convert mechanical motion to electrical power, various transducers, such as electromagnetic inductive transducers, piezoelectric transducers, and variable capacitive transducers have been developed. The electromagnetic inductive transducers defined by Faraday’s law are predominantly used for electric energy harvesting from mechanical motion. Furthermore, the piezoelectric transducers are becoming an emerging technology for self-powered portable devices. Otherwise, in spite of the potential for energy transducing by variable capacitance, it remains in an infant state for energy harvesting, because it needs additional external bias-voltage sources for the accumulation of charge at the electrodes, which requires a passive transducer, or toxic liquid metals for effective induction. Also, their sources for energy harvesting are restricted only to artificial intermittent stimulation, like pushing or vibration. To overcome the limitations, I propose a water active capacitive transducer (WMAT) as an energy harvester to effectively generate electric power from the natural motion of water without any external bias voltage sources. One of the most significant limitations in applying capacitive transducers as energy harvesters is that they need an external bias-voltage source to accumulate charge at the electrodes. In my research, two types of WMAT devices are proposed according to various applications. First, I designed the WMAT with a simple structure consisting of PVP dielectric layer, hydrophobic layer on the rigid substrate. This simple structure has considerable advantages for the process and manufacturing cost. All fabrication processes for the WMAT were solely conducted by solution processes without any vacuum or high-cost processes. Second, I introduced a fabric-based WMAT using fabric materials with flexible and stretchable for wearable electronics. In this experiment, core materials for electrification and EDL to generate the electricity are PVP and PMMA energy conversion layers. I studied an effective fabrication method using newly adopted fabric-based materials and polymer materials to find easy and simple method differ from the conventional complex process. Furthermore, I carried out spray coating and transfer process with fabric material to overcome the limitation of spin coating and lithography process of high temperature and chemical treatment. The simple and low-cost process is the most attractive of all of the advantages of the WMAT in comparison to other energy harvesters with complex structures and cumbersome processes. With variation of the overlapping areas between the water and electrodes, this energy transducer could sufficiently convert the energy from the water's mechanical motion to electric energy. From a simple structure, we successfully generated electricity enough to turn on an LED using various kinds of natural water motion. The WMAT, which has wide applicability, has good potential to be a candidate for generating sustainable electric energy.

Development and applications of Versatile Energy Loss Conversion (VELC) through liquid-based energy transfer medium

용형석 중앙대학교 대학원 2022 국내박사

에너지 수확은 주변에서 버려지는 에너지 손실을 사용 가능한 전기 에너지로 변환할 수 있는 방법이다. 최근 다양한 기초 연구를 통해 근본적인 메커니즘이 확인되고 있으며, 재료/구조/하이브리드 연구를 통해 보편성이 확보되고 있다. 그러나 에너지 손실의 발생, 전달 및 소멸에 대한 이해는 여전히 부족하다. 이는 입력원의 추가적인 전력 소비 증가와 같은 에너지 수확의 근본적인 오류를 야기하거나, 응용 분야를 제한한다. 따라서 먼저 에너지 손실에 대한 근본적인 이해가 필요하다. 전체적인 에너지 손실 과정을 제시하고 구분함으로써 복잡한 기계적/전기적 메커니즘의 상호 관계가 파악되어야 하고, 이를 통해 실생활에서 사용될 수 있는 에너지 수확의 응용이 개발되어야 한다. 본 연구에서는 에너지 전달 매개체를 활용한 다용도 에너지 손실 변환 메커니즘을 개발했다. 에너지의 발생, 전달 및 환원 과정을 구체화하였으며, 이를 통해 다양한 종류의 에너지 수확 응용을 보였다. 특히 전자기기의 소비전력 증가 없이 에너지 손실을 수확하여 에너지 수확의 실용성을 입증하였다. 또한 액체 유전체를 포함한 다양한 에너지 전달 매개체가 조사되었으며, 이를 활용한 응용분야들이 제시되었다. 그중 물을 활용한 에너지 손실 변환은 에너지 수확과 동시에 열교환기로 활용될 수 있다. 이를 통해 추가적인 에너지 수확을 하면서 전자기기의 소비전력을 감소시킬 수 있다. 또한 실제 산업 환경에서 사용되는 열교환기를 고려하여, 응축 및 비등 현상을 기반한 에너지 발전기가 개발되었다. 복잡한 유동 및 에너지 생산 원리를 제시하고 열유속과 에너지 생산량 사이의 상관관계가 파악되었다. 또한 인체를 활용하여 시변 전기장 에너지를 수확할 수 있음을 보였다. 심지어 인체 매개 에너지 손실 변환은 에너지를 수확함과 동시에 인체 내부에 국부적으로 전기장을 증폭할 수 있다. 생체외, 세포, 동물 실험 및 임상을 통해 상처 치유 및 근피로 저감 효과가 확인되었고, 실용적인 의류 타입의 전기장 증폭기가 개발되었다. 본 연구에서 개발된 다용도 에너지 손실 변환 메커니즘은 에너지 수확의 응용 분야를 확대하고 실용화를 통해 에너지 및 셀프케어 이슈에 대한 해결책을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. Energy harvesting is promising solution that can convert energy loss wasted around it into available electric energy. Recently, fundamental mechanisms have been identified through various basic research, and universality is secured through material/structure/hybrid studies. However, there is still a lack of understanding of generation, transfer and dissipation of energy loss. This causes fundamental errors in energy harvesting, such as an additional increase in power consumption of an input source, and limits the application of energy harvesting. Therefore, a fundamental understanding of energy loss is needed first. By presenting and distinguishing the overall energy loss process, a correlation of complex mechanical/electrical mechanisms should be understood, and through this, the application of energy harvest that can be used in real life should be developed. In this study, a versatile energy loss conversion (VELC) mechanism using an energy transfer medium was developed. The energy generation, transfer, and recovery processes were specified, and various types of energy harvesting applications were shown through this. In particular, energy loss was harvested without increasing power consumption of electronic devices, proving the practicality of energy harvest. In addition, various energy transfer medium including liquid dielectrics were investigated, and applications using them were presented. Among them, energy loss conversion using water can be used as a heat exchanger during recovering energy loss. Through this, it is possible to reduce the power consumption of electronic devices while harvesting additional energy. In addition, in consideration of heat exchangers used in actual industrial environments, energy generators based on condensation and boiling were developed. Complex flow and energy generation mechanisms were presented, and the correlation between heat flux and energy production was identified. In addition, it was shown that time-varying electric field can be harvested via a human body. Even body-mediated energy loss conversion can locally amplify an electric field inside the human body while harvesting energy. Ex vivo, in vitro, in vivo experiments, and clinical trials confirmed the effect of wound healing and muscle fatigue reduction, and a practical clothing type electric field amplifier was developed. The concept of VELC developed in this study is expected to be able to present solutions to energy and self-care issues through expansion and commercialization of energy harvesting applications.