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SUMMARY
Contents
목차
제1장 서론 17
제1절 기술의 개요 17
제2절 기술 개발의 필요성 및 타당성 19
1. 기술적 측면 19
2. 경제·산업적 측면 22
제3절 국내·외 기술개발 현황 23
1. 국외 기술개발 현황 23
2. 국내 기술개발 현황 25
제2장 기술개발 추진 전략 27
제1절 기술개발 이슈 및 타개 전략 27
1. 기술개발 이슈 27
2. 타개 전략 28
제2절 선행 특허 조사 29
1. 특허 출원 전략 – 핵심 기술 I 30
2. 특허 출원 전략 – 핵심 기술 II 33
제3장 기술개발 결과 I : 자가 에너지 공급(Self-powered) IoT 모듈 기술 41
제1절 개발 내용 41
1. 하이브리드 에너지 하베스터 구조 설계 및 개발 41
2. 압전/광전 다채널 에너지 하베스팅 인터페이스 IC 설계 51
제2절 개발 결과 62
1. 하이브리드 에너지 하베스터 성능 62
2. 압전/광전 다채널 에너지 하베스팅 인터페이스 IC 시뮬레이션 69
제4장 기술개발 결과 II : 에너지 관리를 위한 양방향 Energy Router 기술 개발 76
제1절 실시간 데이터 기반 지능형 부하예측 및 Analytics기술 개발 76
1. 에너지관리 시스템을 위한 단주기 부하예측 모델 76
2. 에너지관리 시스템을 위한 단주기 부하예측 모델 결과 81
3. 분산 에너지관리를 위한 nanoEMS 82
4. 분산 에너지관리를 위한 nanoEMS 적용 결과 84
제2절 양방향 에너지 제어를 위한 Energy Router 기술 개발 86
1. Energy Router 기술 개발 개요 86
2. 기본 구성요소 모델링 및 운영전략 88
3. Energy Router 기본 모듈 개발 93
4. Wide Band Gap 소자 특성 분석 96
5. 전력 모듈 하드웨어 평가 및 검증 98
제5장 향후 추진 계획 100
제6장 결론 103
참고문헌 105
〈표 1-1〉 xEMS 관련 국내·외 시장 규모 및 점유율 전망 22
〈표 2-1〉 조사 대상, 방법 및 결과 29
〈표 2-2〉 핵심(원천)특허 목록 30
〈표 3-1〉 2차년도 핵심기술의 근거 및 세부방안 42
〈표 3-2〉 본 연구과제 정량적 기술 목표 52
〈표 3-3〉 입출력(I/O) 핀 요약 75
〈표 3-4〉 회로 내부 중요 Node 요약 75
〈표 4-1〉 DSP Controller 보드 개발을 위해 필요한 기본 I/O 및 기능 93
〈표 5-1〉 3차년도 연구 개발목표 및 내용 100
[그림 1-1] IoT 기반 실내 에너지/환경 모니터링 시스템(좌) 및 자가 발전형 하이브리드... 18
[그림 1-2] 실시간 데이터 기반 부하예측 개념도(좌) 및 클라우드 EMS 개념도(우) 18
[그림 1-3] 에너지 라우터의 하드웨어 구성 개념도(좌) 및 커뮤니티 EMS 용 에너지... 19
[그림 1-4] 하이브리드 부하예측 모델의 구성 및 기초 시뮬레이션 결과 20
[그림 1-5] 가진기 진동수에 따른 에너지 하베스팅 특성 분석 결과 21
[그림 1-6] 유럽의 EMS 시장 규모와 Sensor 및 S/W의 점유 비율 22
[그림 1-7] 후지사와 市의 Sustainable Smart Town 사업에서의 에너지관리 개념 23
[그림 1-8] VOLTTRON의 Open Transactional Network 응용 개념 24
[그림 1-9] FREEDM 프로젝트의 에너지 인터넷 구성 25
[그림 1-10] KETI의 하이브리드 홈 클라우드 서비스(좌) 및 ETRI의 임베디드 운영체제(우) 26
[그림 1-11] 한국전력공사의 Smart Town 개념도(좌) 및 모니터링 구성도(우) 26
[그림 2-1] 신재생발전원의 수용률 증가로 인한 전력 수요 패턴 변화 28
[그림 2-2] 연도별 특허 출원 추이 – 센서 모듈 개발 30
[그림 2-3] 국가별 특허 출원 추이 – 센서 모듈 개발 31
[그림 2-4] 국가별 출원 점유율 현황 – 센서 모듈 개발 31
[그림 2-5] 주요 출원인 현황 – 센서 모듈 개발 32
[그림 2-6] 연도별 특허 출원 추이 - Energy Router 33
[그림 2-7] 국가별 특허 출원 추이 - Energy Router 34
[그림 2-8] 국가별 출원 점유율 현황 - Energy Router 34
[그림 2-9] 주요 출원인 현황 -Energy Router 35
[그림 2-10] 연도별 특허 출원 추이 - 부하예측 및 Analytics 기술 36
[그림 2-11] 국가별 특허 출원 추이 - 부하예측 및 Analytics 기술 37
[그림 2-12] 국가별 출원 점유율 현황 - 부하예측 및 Analytics 기술 38
[그림 2-13] 주요 출원인 현황 - 부하예측 및 Analytics 기술 39
[그림 3-1] 자연계에서 발견할 수 있는 하이브리드 에너지원 41
[그림 3-2] PVDF-TrFE 기반 압전 에너지 하베스터 및 실험 방법 46
[그림 3-3] 에너지 레벨을 고려한 압전 에너지 하베스터 설계 47
[그림 3-4] Cu-PI 기반 마찰전기 에너지 하베스터 및 실험 방법 47
[그림 3-5] MAPI 기반 광전 에너지 하베스터 및 실험 방법 48
[그림 3-6] PVDF+MAPI 기반 하이브리드 에너지 하베스터 및 실험 방법 49
[그림 3-7] PVDF+Cu-PI 기반 하이브리드 에너지 하베스터 및 실험 방법 50
[그림 3-8] 개발하려는 에너지 하베스팅 인터페이스 IC 주요구조 블록도 51
[그림 3-9] 개발된 다중입력 에너지 하베스팅 IC 구조도 52
[그림 3-10] 제안하는 에너지 하베스팅 회로 배열 형태 53
[그림 3-11] PZT를 위한 double pile-up 동작 54
[그림 3-12] Automatic mode transition 예시도 55
[그림 3-13] PV 에너지 하베스팅 boost DC-DC converter 56
[그림 3-14] Power-on reset(POR) 회로설계 57
[그림 3-15] 기준전압원(BGR) 회로 57
[그림 3-16] Bias Generator 및 PZT sensing circuit 58
[그림 3-17] PZT peak detection을 위한 오실레이터 회로 58
[그림 3-18] PZT peak detector 회로 59
[그림 3-19] 누설전류 기반 오실레이터 회로 60
[그림 3-20] 인덕터 전류파형 및 ZCD 제어의 필요성 60
[그림 3-21] 제안하는 ZCD 제어방법 61
[그림 3-22] PVDF 기반 압전 에너지 하베스터 및 성능 62
[그림 3-23] PVDF-TrFE 복합체의 발생 전류, 전압과 에너지 레벨 비교 63
[그림 3-24] Cu-PI 기반 마찰전기 에너지 하베스터 및 성능 64
[그림 3-25] MAPI 기반 광전 에너지 하베스터 및 성능 65
[그림 3-26] PVDF-MAPI 기반 하이브리드 에너지 하베스터 및 성능 66
[그림 3-27] PVDF와 Cu-PI기반 하이브리드 에너지 하베스터 및 성능 67
[그림 3-28] 하이브리드 에너지 하베스터 응용 가능성 검토 68
[그림 3-29] 에너지 하베스팅 IC 동작검증 파형 69
[그림 3-30] PZT 에너지 하베스팅에서 DPM 모드의 동작 파형 70
[그림 3-31] Idle 상태에서의 전류소모 70
[그림 3-32] 에너지 하베스팅 동작시 내부 제어회로 전류소모 71
[그림 3-33] PZT 에너지 하베스팅 전력전달 효율(주기진동 입력시) 71
[그림 3-34] PZT 에너지 하베스팅 출력전력(비주기성 진동 입력시) 72
[그림 3-35] TOP_test bench 결과 73
[그림 3-36] TOP_test bench_input_transient_PZT_discon 결과 74
[그림 3-37] TOP_test bench_input_transient_PZT_discon2 결과 74
[그림 4-1] 美 PJM社의 부하예측 모델 예시 76
[그림 4-2] 본 과제에서 목표로 하는 부하예측 모델 76
[그림 4-3] SARIAMA 모델을 이용한 예측과정 78
[그림 4-4] 기계학습을 통한 예측모델 구현 개요 80
[그림 4-5] LSTM 유닛 80
[그림 4-6] LSTM 신경망 80
[그림 4-7] 하이브리드 부하예측 모델 구조 81
[그림 4-8] 하이브리드 부하예측 모델 학습 시 loss 변화 81
[그림 4-9] 하이브리드 부하예측 모델을 사용한 24시간 부하예측 결과 82
[그림 4-10] 24시간 예측 시 오차율 10%미만이 차지하는 비율 및 MAPE 82
[그림 4-11] nanoEMS 단위 모듈 구조 83
[그림 4-12] nanoEMS로 구성된 에너지관리시스템 구조 83
[그림 4-13] nanoEMS로 구성된 분산에너지관리시스템 84
[그림 4-14] nanoEMS로 구성된 분산에너지관리시스템을 이용한 피크부하관리 예 85
[그림 4-15] 피크부하관리 시 nanoEMS별 부하 On/Off 상태도 85
[그림 4-16] Energy Router 개념도 및 기능 86
[그림 4-17] Energy Router의 전력단 구조 89
[그림 4-18] Energy Route 의 전력단 구조 90
[그림 4-19] 전체 에너지 제어 90
[그림 4-20] 상별 에너지 밸런싱 제어 91
[그림 4-21] 전력단 구조 91
[그림 4-22] PWM 구성 및 제어 동작을 포함한 dll 구성 91
[그림 4-23] 오프라인 시뮬레이션 동작 확인 92
[그림 4-24] controller 보드 회로도 93
[그림 4-25] 제어 동작을 포함한 dll 구성 94
[그림 4-26] 제어 인터페이스 보드의 회로 일부 및 배치도 94
[그림 4-27] AC/DC 단의 브릿지 구성 95
[그림 4-28] DAB 단의 2차단 브릿지 구성 95
[그림 4-29] 보조전원 구성 95
[그림 4-30] 에너지밴드 다이어그램 96
[그림 4-31] Si 및 주요 WBG 반도체 특성 비교 96
[그림 4-32] Single Pulse and Double Pulse Test를 위한 PCB 설계 97
[그림 4-33] 구동 신호 입력용 코드 개발 예 98
[그림 4-34] 신호 분석기를 통한 동작 확인 98
[그림 4-35] Energy Router HW 모듈 제작 99
[그림 5-1] Energy Router와 CPS 기반 통합 에너지 플랫폼 개념도 102
[그림 5-2] 기술이전과 후속 사업화 추진전략 102
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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