KR101063370B1 - 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치 - Google Patents

웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101063370B1
KR101063370B1 KR1020090059421A KR20090059421A KR101063370B1 KR 101063370 B1 KR101063370 B1 KR 101063370B1 KR 1020090059421 A KR1020090059421 A KR 1020090059421A KR 20090059421 A KR20090059421 A KR 20090059421A KR 101063370 B1 KR101063370 B1 KR 101063370B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pair
wake galloping
wake
wind speed
energy harvesting
Prior art date
Application number
KR1020090059421A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110001746A (ko
Inventor
정형조
이승우
장동두
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020090059421A priority Critical patent/KR101063370B1/ko
Publication of KR20110001746A publication Critical patent/KR20110001746A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101063370B1 publication Critical patent/KR101063370B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
    • H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04103—Manufacturing, i.e. details related to manufacturing processes specially suited for touch sensitive devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 바람에 의한 구조물의 공력불안정 현상 중 주로 웨이크갤로핑(wake galloping)에 의해 구조물에 발생하는 진동을 이용하여 발전을 하는 에너지 수확장치에 관한 것이다. 웨이크갤로핑은 여러줄의 케이블이 서로 평행하게 걸쳐진 송전선이나, 사장교의 트윈케이블(twin cable), 그리고 열교환기나 중수플랜트 내의 원형파이프군에서 자주 관찰되는 공력불안정 현상으로 본 발명에 따른 에너지 수확장치에서는 의도적으로 웨이크갤로핑이 발생하기 쉽도록 배치된다. 따라서, 본 발명은 웨이크갤로핑 또는 다른 공력불안정현상에 의해 발생하는 진동을 전자기유도법칙을 이용하거나 압전소자를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
웨이크 갤로핑, 에너지 수확장치

Description

웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치{Energy harvesting device using wake galloping}
본 발명은 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병렬로 배치된 진동체에 자연적인 바람이 작용하여 일어나는 웨이크갤로핑현상을 통해 전기에너지로 전환시킬 수 있는 에너지 수확장치에 관한 것이다.
외부환경(햇빛, 진동, 온도 등)으로부터 전기에너지를 추출하는 기술은, 최근 들어 무선 계측 시스템, 환자용 의료보조기구 등의 배터리 문제를 해결하기 위한 대안으로 각광받고 있으며, 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 첨단 연구개발 분야이다. 특히, 건설 분야에서 무선 계측 시스템의 전력공급을 위해 지금까지는 주로 배터리를 이용하거나 전선을 끌어와 해결하고 있으나 배터리 교체의 문제점이나 전선을 연결하는 것이 매우 어렵거나 불가능한 경우가 있는 등 많은 문제점이 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 기존 연구동향을 살펴보면, 크게 햇빛이나 바람과 같은 외부 환경을 직접 이용하여 전기를 얻어내는 방법과 동적 하중에 의한 구조물의 진동을 이용하는 방법의 연구로 구분할 수 있다. 첫 번째 방법은 외부 환경에 민감하여 적용 가능한 조건이 제한적이며, 두 번째 방법은 아직 충분한 크기의 전력을 얻어내는데 성공하지 못하고 있는 상황이다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 무한 에너지인 바람과 바람으로 인한 진동을 이용하여 전기를 얻어낼 수 있는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 바람의 풍속의 변화에도 불구하고 발전 효율이 변동폭이 작은 경제성이 우수한 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단; 및 상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상의 진동을 전기로 전환하는 에너지변환기를 포함하며, 상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치이다.
상기 한쌍의 진동체의 단면적은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또, 상기 한쌍의 진동체는 실린더 형상 또는 플레이트 형상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 한쌍의 진동체는 진동특성이 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또, 상기 지지수단은 상기 진동체의 양단에 고정되는 복수의 지지스프링인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 지지수단은 장력을 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 에너지변환기는 상기 진동체에 고정된 영구자석과, 상기 영구자석이 삽입되어 왕복하는 솔레노이드코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 발명은, 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 및 상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단을 포함하고, 상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상에 압전필름이 적층되며, 상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치이다.
또 다른 발명은, 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 및 상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단을 포함하고, 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 및 상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단을 포함하고,
상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상은 압전케이블이며, 상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치이다.
상기와 같은 본 발명에 의한 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치를 통해, 바람의 풍속의 변화에도 불구하고 발전 효율이 변동폭이 작은 경제성이 우수한 에너지를 생산할 수 있다.
따라서, 이러한 에너지 수확장치가 기존의 무선 계측 시스템에 도입하면 전력공급 문제가 해결되어 무선 계측 시스템의 비약적인 발전을 기대할 수 있고, 스마트 제진 시스템에 도입하면 계측기, 전원장치, 컴퓨터, 전선 등이 모두 필요 없는 신개념 스마트 제진 시스템을 구축할 수 있어, 경제적으로나 유지관리 면에서나 기존 스마트 제진 기술의 단점을 일시에 해소할 수 있으리라 기대한다.
또한, 바람을 이용한 에너지 수확장치는 태풍과 같은 악천후에 더욱 효과적 으로 작동할 수 있으며, 중장기적으로 기존 풍력 발전 시스템의 효율을 개선한 새로운 개념의 풍력 발전 시스템 개발의 기초 연구로 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 인접물체의 영향으로 하류측 물체에 발생하는 증폭된 진동을 전기로 전환하는 에너지 수확장치를 제안한다. 전기로 전환하는 방법은 전자기유도법칙을 이용하는 방법과 압전케이블(Piezoelectic cable) 또는 압전필름(Piezoelectic film)과 같은 압전재료를 이용하는 방법을 모두 적용할 수 있다.
본 발명에서 이용하고자 하는 웨이크갤로핑(wake galloping)은 인접물체의 영향에 의한 진동현상으로 상류측 물체의 웨이크와 하류측 물체의 간섭에 의해 하류측 물체에 발생하는 진동현상으로 여러줄의 케이블이 서로 평행하게 걸쳐진 송전선이나, 사장교의 트윈케이블(twin cable), 그리고 열교환기나 중수플랜트 내의 원형파이프군에서 자주 관찰되는 공력불안정 현상이다.
한편 인접물체의 영향에 의한 진동현상 중에서 상류측의 물체에 의해 흐름이 교란되고 이 교란에 동반되는 변동공기력이 하류측물체에 작용하여 발생하는 강제 진동을 웨이크버페팅(wake buffeting)이라 하여 웨이크갤로핑과 구분하기도 한다. 또한, 인접물체와의 간격에 따라 웨이크갤로핑과 웨이크플러터로 구분되기도 한다.
본 발명에서는 웨이크갤로핑과 웨이크버페팅, 웨이크플러터를 굳이 구분하지 않고, 인접물체의 영향으로 하류측 물체에 발생하는 진동을 전기로 전환하는 것을 모두 웨이크 갤로핑이라 통칭한다.
이하, 웨이크 갤로핑의 특성을 실험예1을 통해 설명한다.
[실험예 1]
실험예1에서는 표면이 매끈한 실린더에 대해 단독인 경우의 내풍특성과 병렬로 배치된 경우의 내풍특성을 측정하였다. 병렬실린더의 경우 풍속 및 실린더간 거리에 따라 와류진동과 웨이크갤로핑이 발생할 수 있다. 여기에서는 웨이크갤로핑 의 발생 조건 및 범위를 조사하는 것을 주 목적으로 실린더 중심거리에 따른 병렬실린더의 내풍특성과 풍향에 따른 병렬실린더의 내풍특성을 함께 검토하였다.
병렬실린더의 간격과 풍향의 정의를 도 1에 나타낸다. 한편, 진동의 진폭은 실린더의 스크루톤수에 좌우되는데 본 실험에 있어서는 스크루톤수를 일정한 값으로 고정한 상태에서 실험을 수행하였다.
본 실험에 사용된 풍동의 제원은 다음과 같다. 측정부의 크기는 폭(W) x 높이(H) x 길이(L) = 1m x 1.5m x 6m이며 풍속의 범위는 0.3m/s ~ 22.5m/s이다. 풍속은 팬의 RPM조절에 의해 제어된다. 풍속의 측정은 피토관(pitot tube)에서 얻어지는 동압을 디지털 압력계(digital manometer)를 이용하여 풍속으로 환산하였고 기온과 기압의 보정은 하지 않았다. 공기력진동실험에 있어서 변위측정은 수평과 수 직변위를 동시에 계측할 수 있는 1개의 광학식변위계를 이용하였다. 1개의 타겟을 모형의 중심에 부착하고 광학식변위계로 계측한 후, 로우패스필터(low pass filter)를 거치고 A/D변환 후 PC에 저장하고 아날로그신호는 펜 오실로그래프(pen oscillograph)에 출력시켰다. 각 실험에서의 진동수의 측정은 A/D변환후 PC에 저장된 데이터를 분석하여 산출하였다. 난류강도의 측정은 열선풍속계를 이용하였다.
풍속은 실제 풍동의 풍속을 모형의 직경과 진동수로 나누어 준 무차원풍속(Ur = U/fD)으로 평가하였으며, 무차원풍속 = 0~230 범위에서 약 40 point의 풍속에서 측정하였다. 단, 웨이크갤로핑(or 웨이크플러터)이 발생한 경우에는 진폭이 일정폭 이상 커질 경우 실험을 중단하였다. 실험기류의 경우, 실린더 진동의 특성을 보다 확실하게 파악하기 위하여 등류(smooth flow or low turbulent flow) 조건에서 수행하였다.
모형의 제원은 표 1과 같으며 상류측 및 하류측 모두 동일한 실린더모형을 사용하였다. 그리고 진동현상을 보다 확실하게 확인하기 위하여 낮은 감쇠율과 단위질량을 적용하였다. 실린더직경은 50mm로 하였고 고유진동수는 무차원풍속으로 평가되므로 임의로 결정하였다. 모형의 자유도는 수직, 수평방향의 2자유도이며 코일스프링에 의해 자유도가 주어진다(도 2 참조). 병렬실린더의 중심간격은 실린더 직경(D)을 기준으로 3.0D~13.0D의 범위에서 1D 간격으로 측정하였다.
직경 길 이 단위중량 고유진동수 감쇠율
5cm 0.85m 8.184kg/m 1.56Hz d=0.006
Figure 112009040056806-pat00001
먼저 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 단독 실린더의 경우 기류방향으로의 정적인 변위만 발생하였고, 진동(와류진동) 현상은 발생하지 않았다. 실린더의 스트로할 수 (Strouhal number)가 약 0.2(레이놀즈수 19,100이하에서) 정도임을 감안할 때 풍속 1m/s 미만에서 와류진동이 발생할 것으로 예측되었으나 실린더모형의 스크루톤 수(Scruton number)와 기류 조건 및 자유도 등의 영향으로 와류진동이 발생하지 않은 것으로 사료된다.
중심간격에 따른 병렬실린더의 실험결과(등류)를 도 3a 내지 도 4r에 나타낸다. 실험결과에 의하면, 중심간격 3D의 경우 무차원풍속(Ur) 60 부근에서 진동이 발생하며 본격적인 웨이크갤로핑은 무차원풍속 110정도에서 발생한다. 무차원풍속 60정도에서는 수평방향의 진동이 수직방향의 진동에 비해 더 크게 발생하나 수평방향의 진동은 풍속의 증가에 따라 점차 감소하며 수평방향의 진동의 거의 소멸된 무차원풍속 110정도에서 웨이크갤로핑이 확실하게 발생하는 것을 볼 수 있다.
중심간격 5D의 경우, 무차원풍속 60 이전에 웨이크갤로핑이 발생하며 풍속의 증가에 따라 진폭이 커짐을 볼 수 있다. 중심간격 3D에 비해 더 낮은 풍속에서 더욱 분명하게 진동이 발현함을 알 수 있다.
중심간격 7D의 경우, 무차원풍속 90 부근에서 수직방향의 진동이 발생하나 풍속의 증가에 따라 진폭이 감소하며 와류진동과 비슷한 양상을 보이고 있다. 중심간격 9D 이상인 경우, 와류진동 또는 웨이크갤로핑과 같은 공기력진동은 발생하지 않고, 풍속의 증가에 따라 버페팅 진동이 약간 발생하고 있다.
한편, 중심간격 7D 이상인 경우도 병렬케이블의 중심축과 풍축이 이루는 각도가 5°~10°정도가 되면 웨이크갤로핑(또는 웨이크 플러터)이 발생하는 것으로 나타났다.
따라서, 본 실험예1을 통하여 얻은 웨이크갤로핑의 발생특성은 다음과 같다.
웨이크갤로핑의 발현풍속영역은 질량, 감쇠파라미터(Scruton수)로 정해지는 발현개시풍속에서부터 넓은 풍속영역에서 발생하는데, 고풍속에서는 레이놀즈수의 변화로 인해 진동이 소멸될 수 있는 것으로 사료된다. 웨이크갤로핑의 진폭은 구조특성, 기류특성, 풍향 등의 제 조건에 의해 달라진다. 많은 경우 진폭은 풍속의 증가에 따라 증가하지만, 상하측 실린더의 상대풍각이 커지게 되면 불안정성이 감소하게 되므로 발산진동에 비해 완만한 기울기로 증가하며, 최대진폭은 실린더 직경의 3배를 넘지 않는 것으로 사료된다.
실린더 간격은 웨이크갤로핑의 특성을 좌우하는 매우 중요한 인자로 진동이 현저하게 발현하는 케이블 간격은 1.5D~5D정도라 할 수 있다. 실린더 간격이 3D보다 작은 경우 진동발현과 함께 급격히 진폭이 증가하는 경우가 많은 반면, 간격이 4D 이상에서는 풍속의 증가와 함께 진폭이 점증하는 형태의 진동이 발생하는 경향이 있다.
케이블 간격이 6D 이상에서는 난류에 의해 진폭이 현저히 감소하나 간격이 4D 이하에서는 차이가 거의 없는 것으로 보인다.
[실시예]
상기의 실험예1을 기초하여, 본 발명의 실시예1에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치는 병렬로 구성된 한쌍의 진동체(20,32)와, 상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단과, 상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상의 진동을 전기로 전환하는 에너지변환기을 포함하여 구성된다.
상기 진동체로써 실험예1과 같은 실린더 형상을 사용할 수 있으나, 형상의 제한은 없다. 바람에 의한 진동을 크게 하기 위해 진동체로써, 플레이트 형상을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 진동체(20,32)의 단면적은 상호 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 또한, 상기 진동체(20,32) 중 어느 하나는 강체로 구성되서 단순히 공기의 교란을 일으키는 역할만 수행하도록 하는 것도 가능하다.
그리고, 상기 지지수단은, 상기 진동체(20,32)의 수평 및 수직의 2자유도를 제공할 수 있는 것이면 족하며, 본 발명의 실시예1에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 지지스프링(22,24,26,28,34,36,38,40)을 이용하여 상기 진동체(20,32)를 지지한다.
상기 지지수단은, 상기 진동체(20,32)의 장력을 조절할 수 있으며 진동체의 단부가 확실히 고정되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 에너지변환기로는 공지의 방법을 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예1에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 진동체(32)의 축(42)에 고정된 영구자석(44)을 솔레노이드코일(46)에 내에 삽입하는 방법을 사용하였다.
또한, 본 발명의 실시예2에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치는 도 6에 도시된 바와 같이 병렬로 구성된 2 이상의 진동체(50,62)와, 상기 한쌍의 진동체(50,62)를 지지하는 지지수단을 포함하고, 상기 진동체(50,62) 중 어느 하나 이상은 압전필름이 적층된다.
따라서, 실시예2의 경우 실시예1과 달리 별도의 에너지변화기 없이, 진동체(62) 자체에서 전기의 발생이 가능하다. 형상이나, 강체여부, 지지수단에 관해서는 실시예1과 동일하므로 설명을 생략한다.
또, 본 발명의 실시예3에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치는 도 7에 도시된 바와 같이 병렬로 구성된 2 이상의 진동체(80,90)와, 상기 한쌍의 진동체(80,90)를 지지하는 지지수단을 포함하고, 상기 진동체(80,90) 중 어느 하나 이상은 압전케이블로 구성된다.
상기 진동체(90)는 내부에 위치하는 압전소자(91)와, 상기 압전소자(93)의 외측을 감싸는 탄성체인 외피(93)를 포함하여 구성된다.
따라서, 실시예3의 경우 실시예2와 마찬가지로, 별도의 에너지변화기 없이, 진동체(90) 자체에서 전기의 발생이 가능하다. 형상이나, 강체여부, 지지수단에 관해서는 실시예1과 동일하므로 설명을 생략한다.
[실험예2]
다음으로, 실시예1에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치의 성능을 실험예2에서 실험하였다.
모형의 중심간격은 5D로 하여 진폭이 점증하도록 시스템을 구성하였고, 모형의 질량과 감쇠율은 가능한 작도록 구성하였다. 모형의 양단에는 각각 전자기유도를 이용한 발전이 가능하도록 영구 자석(Neodium, F10mm x 25mm x 3EA)을 부착하였다. 수평과 수직모드의 간섭이 발생하지 않도록 수평모드는 구속하고, 수직1자유도 시스템을 구성하였다. 그 외 실험방법 및 조건 등은 실험예1과 동일하다.
모형의 제원은 다음 표 2와 같다.
직경 길 이 단위중량 고유진동수 감쇠율
5cm 0.85m 1.539kg/m 1.98Hz d=0.005
Figure 112009040056806-pat00002
제안된 시스템의 타당성을 검증하기 위해 풍동 실험을 수행하였다. 실험결과를 도 8에 나타낸다. 실험결과 풍속 0.5m/s 미만의 매우 낮은 풍속에서 진동이 발생하기 시작하며, 풍속 10m/s에서는 실린더 모형 직경의 최대 1.6배 진폭이 발생하여, 저풍속에서 진동이 발현하며 진동의 발생범위가 넓고 진폭이 급격히 커지지 않는 특성을 갖는 에너지수확(energy harvesting)에 적합한 시스템이 구축되었음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 영구자석 주위에 솔레노이드 코일을 설치하였다. 솔레노이드 코일의 직경과 감은 회수 및 코일의 저항은 표 3과 같다.
코일 직경(mm) 0.4 0.8 1.2
코일 감은 회수 2770 1264 580
코일 저항(O) 48.8 7.0 1.4
실험결과를 도 9a 내지 도 10c에 나타낸다. 먼저, 솔레노이드 코일의 설치로 인한 감쇠의 증가는 거의 없었다. 이에 따라 코일 설치 전후의 풍속과 변위 관계(V-A 곡선)은 도 10a와 같이 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 웨이크갤로핑의 진폭은 솔레노이드 코일의 제원과 관계없이 동일하지만, 같은 진폭에 대해 발생하는 유도기전력은 코일의 감은 회수에 비례하는 것으로 나타났다.
이 때 발생하는 전력은 큰 차이는 없지만 직경이 굵은 코일의 경우가 약간 큰 것으로 나타났다. 이는 코일의 감은 회수가 약 2.2배(2770/1264=2.19) 증가할 때 코일의 저항은 약 7배(48.8/7=6.97) 증가하여, 유도기전력과 코일의 감은 회수가 비례한다고 보면 발전전력과 전압, 저항과의 관계에서 코일의 직경이 큰 경우가 발전 전력이 높을 것임을 예상할 수 있고, 그러한 결과가 산출된 것으로 볼 수 있다.
웨이크갤로핑을 이용하여 구성한 시스템을 통해 풍속 4m/s에서 평균 0.15W(코일 직경=1.2mm)의 전력이 발생하는 것으로 나타났다.
[실험예 3]
다음으로, 발전전력을 높이기 위한 방법으로 실험예2에서 구성한 시스템의 진동수를 조정하였다. 진동수 조정은 도 5와 같이 모형을 지지하고 있는 상하부 스프링을 강성이 다른 스프링으로 교체하는 방법을 사용하였다. 솔레노이드 코일은 0.8mm 직경을 사용하였다.
실험결과를 도 11a 내지 도 11c에 나타낸다. 먼저 진동수의 변화로 인한 감쇠의 증가는 거의 없었다. 그러나 진동수 변화에 따른 풍속과 변위 관계(V-A 곡선)은 도 12a와 같이 웨이크갤로핑의 발현풍속이 달라지는 것으로 나타났다. 진동의 발현이 구조물의 진동수에 비례하는 것은 풍진동의 특징이라 할 수 있다.
한편, 진동의 발현풍속은 진동숭에 비례하여 나타났지만, 발현된 이후의 진폭은 거의 동일한 것으로 나타났다. 일정 풍속(약 2m/s) 이후 웨이크갤로핑의 진폭은 시스템의 진동수와 관계없이 비슷하지만, 같은 진폭에 대해 발생하는 유도기전력은 진동수에 비례하는 것으로 나타났다. 이 때 발생하는 전력은 코일의 저항이 동일하므로 전압의 제곱에 비례하여 나타났다.
웨이크갤로핑을 이용하여 구성한 시스템을 통해 풍속 4m/s에서 1개의 솔레노이드 코일(코일 직경=0.8mm)이 평균 0.6W의 전력을 발생하는 것으로 나타났다. 본 시스템에서는 모형 양단에 전자기유도 시스템을 설치하여 실제로는 2배의 전력을 생산하였으며, 전자기유도 시스템을 추가로 설치할 때 증가하는 자석의 질량이 시스템 질량에 비해 작기 때문에 각각의 전자기 유도 시스템에서 비슷한 전력을 발생시킬 수 있을 것으로 사료된다.
예를 들어 본 시스템은 솔레노이드 코일 1개당 풍속 5.3m/s에서 평균 0.99W의 전력을 생산한다면, 양단에 2개씩 총 4개의 전자기 유도 시스템을 사용할 경우 약 4W의 발전이 가능하다. 또한, 직경을 1.2mm의 솔레노이드 코일로 교체할 경우 전력 생산량은 더욱 증가할 것으로 예상된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 실험예1에서의 병렬실린더의 간격과 풍향의 정의를 설명하는 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 실험예1에서 단독케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 실험예1에서 상호거리가 3D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3c 및 도 3d는 실험예1에서 상호거리가 4D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3e 및 도 3f는 실험예1에서 상호거리가 5D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3g 및 도 3h는 실험예1에서 상호거리가 6D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3i 및 도 3j는 실험예1에서 상호거리가 7D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3k 및 도 3l는 실험예1에서 상호거리가 8D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3m 및 도 3n는 실험예1에서 상호거리가 9D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3o 및 도 3p는 실험예1에서 상호거리가 10D인 병렬케이블일 경우의 풍속 에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3q 및 도 3r는 실험예1에서 상호거리가 11D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3s 및 도 3t는 실험예1에서 상호거리가 12D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 3u 및 도 3v는 실험예1에서 상호거리가 13D인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 실험예1에서 상호거리가 7D, 풍향이 5도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4c 및 도 4d는 실험예1에서 상호거리가 7D, 풍향이 10도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4e 및 도 4f는 실험예1에서 상호거리가 7D, 풍향이 15도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4g 및 도 4h는 실험예1에서 상호거리가 9D, 풍향이 5도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4i 및 도 4j는 실험예1에서 상호거리가 9D, 풍향이 10도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4k 및 도 4l는 실험예1에서 상호거리가 9D, 풍향이 15도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4m 및 도 4n는 실험예1에서 상호거리가 11D, 풍향이 5도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4o 및 도 4p는 실험예1에서 상호거리가 11D, 풍향이 10도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 4q 및 도 4r는 실험예1에서 상호거리가 11D, 풍향이 15도인 병렬케이블일 경우의 풍속에 따른 수평변위 및 수직변위의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예2에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예3에 따른 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치의 개략도이다.
도 8은 실험예2에서 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 9a는 실험예2에서 0.4mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 9b는 실험예2에서 0.4mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 9c는 실험예2에서 0.4mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 9d는 실험예2에서 0.8mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 9e는 실험예2에서 0.8mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 9f는 실험예2에서 0.8mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 9g는 실험예2에서 1.2mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 9h는 실험예2에서 1.2mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 9i는 실험예2에서 1.2mm의 솔레노이드코일의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 10a는 실험예2에서 솔레노이드코일의 종류에 따른 풍속 대비 수직변위의 그래프이다.
도 10b는 실험예2에서 솔레노이드코일의 종류에 따른 풍속 대비 전압의 그래프이다.
도 10c는 실험예2에서 솔레노이드코일의 종류에 따른 풍속 대비 발전전력의 그래프이다.
도 11a는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 1.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 11b는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 1.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 11c는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 1.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 11d는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 2.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 11e는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 2.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 11f는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 2.95㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 11g는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 4.80㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 수직변위의 그래프이다.
도 11h는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 4.80㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 전압의 그래프이다.
도 11i는 실험예3에서 0.8mm의 솔레노이드코일 및 4.80㎐의 진동수의 경우에 풍속에 따른 발전전력의 그래프이다.
도 12a는 실험예3에서 진동수에 따른 풍속 대비 수직변위의 그래프이다.
도 12b는 실험예3에서 진동수에 따른 풍속 대비 전압의 그래프이다.
도 12c는 실험예3에서 진동수에 따른 풍속 대비 발전전력의 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20,32,50,62,80,90: 진동체
22,24,26,28,34,36,38,40,54,56,58,60,64,66,82,84,86,88,92,94,96,98: 스프링지지체
30,42: 축
44: 영구자석
46: 솔레노이드코일
91: 압전소자
93: 외피

Claims (9)

  1. 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체;
    상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단; 및
    상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상의 진동을 전기로 전환하는 에너지변환기를 포함하며,
    상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 한쌍의 진동체의 단면적은 서로 다른 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 한쌍의 진동체는 실린더 형상 또는 플레이트 형상인 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 한쌍의 진동체는 진동특성이 서로 다른 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지수단은 상기 진동체의 양단에 고정되는 복수의 지지스프링인 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지수단은 장력을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에너지변환기는 상기 진동체에 고정된 영구자석과, 상기 영구자석이 삽입되어 왕복하는 솔레노이드코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  8. 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 및
    상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단을 포함하고,
    상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상에 압전필름이 적층되며,
    상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
  9. 유체의 유동방향에 대하여 수직이고, 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 진동체; 및
    상기 한쌍의 진동체를 지지하는 지지수단을 포함하고,
    상기 한쌍의 진동체 중 어느 하나 이상은 압전케이블이며,
    상기 유동방향에 대하여 상기 유체의 유동방향의 하측(downstream)에 배치되는 진동체는 상측(upstream)에 배치되는 진동체에 의해 유동이 방해받은 유체와의 접촉에 의해 웨이크갤로핑이 발생되는 것을 특징으로 하는 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치.
KR1020090059421A 2009-06-30 2009-06-30 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치 KR101063370B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090059421A KR101063370B1 (ko) 2009-06-30 2009-06-30 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090059421A KR101063370B1 (ko) 2009-06-30 2009-06-30 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110001746A KR20110001746A (ko) 2011-01-06
KR101063370B1 true KR101063370B1 (ko) 2011-09-07

Family

ID=43610276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090059421A KR101063370B1 (ko) 2009-06-30 2009-06-30 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101063370B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105545582A (zh) * 2015-12-14 2016-05-04 中国石油大学(华东) 一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置
KR101909858B1 (ko) * 2018-02-22 2018-10-18 정현두 에너지 수확기능을 가진 배선덕트
KR20210065235A (ko) 2019-11-26 2021-06-04 중앙대학교 산학협력단 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기
KR20220077253A (ko) 2020-12-01 2022-06-09 중앙대학교 산학협력단 유속 대응형 에너지 수확기

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101150023B1 (ko) * 2011-04-07 2012-05-31 전북대학교산학협력단 캔틸레버부재로 이루어진 압전소자 이용 유체 에너지 수확장치
KR101682911B1 (ko) * 2014-09-29 2016-12-07 한국세라믹기술원 발전 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH102973A (ja) * 1997-03-25 1998-01-06 Seiko Epson Corp 発電機および携帯用機器
JP2001157433A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Fujitsu Ltd 流体による振動発電装置
JP2004222414A (ja) * 2003-01-15 2004-08-05 Usc Corp 圧電発電方法及びその装置
JP2008211925A (ja) * 2007-02-27 2008-09-11 Taiheiyo Cement Corp 圧電発電装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH102973A (ja) * 1997-03-25 1998-01-06 Seiko Epson Corp 発電機および携帯用機器
JP2001157433A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Fujitsu Ltd 流体による振動発電装置
JP2004222414A (ja) * 2003-01-15 2004-08-05 Usc Corp 圧電発電方法及びその装置
JP2008211925A (ja) * 2007-02-27 2008-09-11 Taiheiyo Cement Corp 圧電発電装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105545582A (zh) * 2015-12-14 2016-05-04 中国石油大学(华东) 一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置
KR101909858B1 (ko) * 2018-02-22 2018-10-18 정현두 에너지 수확기능을 가진 배선덕트
KR20210065235A (ko) 2019-11-26 2021-06-04 중앙대학교 산학협력단 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기
KR20220077253A (ko) 2020-12-01 2022-06-09 중앙대학교 산학협력단 유속 대응형 에너지 수확기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110001746A (ko) 2011-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101063370B1 (ko) 웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치
CN104868785B (zh) 一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置
JP2006226221A (ja) 発電装置
CN102220941A (zh) 卡门涡街发电装置
US20140265733A1 (en) Flexure-enhancing system for improved power generation in a wind-powered piezoelectric system
CN202928615U (zh) 输电塔应变及振动健康状态在线监测及远程监视***
CN206695827U (zh) 输电线路杆塔状态监测***
Nishi et al. Experimental energy harvesting from fluid flow by using two vibrating masses
CN108696183B (zh) 一种安装于高速铁路上的宽频带涡激振动压电能量采集器
Zhao et al. A novel model of piezoelectric-electromagnetic hybrid energy harvester based on vortex-induced vibration
Zanelli et al. Analysis of wind-induced vibrations on HVTL conductors using wireless sensors
CN105471319B (zh) 一种气流致声压电发电强制振动装置
CN201993382U (zh) 一种基于磁场检测的风速风向测量装置
CN104764579A (zh) 多***覆冰导线三自由度舞动风洞试验装置
Wang et al. Wind energy harvesting inspired by Palm leaf flutter: Observation, mechanism and experiment
CN204649379U (zh) 多***覆冰导线三自由度舞动风洞试验装置
CN110907107A (zh) 一种微细管束式预冷器膜片振动测量***及方法
CN105371944B (zh) 基于角度法的导线微风振动在线监测装置及监测方法
CN103292988A (zh) 主喷嘴安装***动态特性测量方法及其装置
CN112751506A (zh) 一种全向风能采集器
Oda et al. Effect of supporting boundary conditions on the generation characteristics of the piezoelectric cylindrical shell wind energy harvesting flag
He et al. Research on nonlinear isometric L-shaped cantilever beam type piezoelectric wind energy harvester based on magnetic coupling
CN203100758U (zh) 一种便携式海流仪的测量拖拽装置
KR101487926B1 (ko) 하이브리드 타입의 풍황 측정 및 보정 시스템
CN208423728U (zh) 防风型引流装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140827

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150826

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee