KR101150023B1 - Piezoelectric cantilever fluid energy harvester - Google Patents

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KR101150023B1 KR1020110032153A KR20110032153A KR101150023B1 KR 101150023 B1 KR101150023 B1 KR 101150023B1 KR 1020110032153 A KR1020110032153 A KR 1020110032153A KR 20110032153 A KR20110032153 A KR 20110032153A KR 101150023 B1 KR101150023 B1 KR 101150023B1
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권순덕
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전북대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A fluid energy obtaining apparatus using cantilever-based piezoelectric elements is provided to cause the large transformation of the piezoelectric elements by generating vibrations of broad amplitude to a cantilever plate. CONSTITUTION: A cantilever plate(10) is composed of a flexible material. A front plate is based on a plate member of the same height as the width of the cantilever plate. The front plate is vertically integrated with the front part of the cantilever plate. Piezoelectric elements(30) are attached on both sides of the cantilever plate in order to generate electricity. The rear part of the cantilever plate is fixed to a structure which is located at the flow of fluid. The cantilever plate is in parallel with the flowing direction of the fluid. Flutter is generated on the cantilever plate based on the flowing of the fluid.

Description

캔틸레버부재로 이루어진 압전소자 이용 유체 에너지 수확장치{Piezoelectric Cantilever Fluid Energy Harvester}Piezoelectric Cantilever Fluid Energy Harvester using piezoelectric element made of cantilever member

본 발명은 압전소자를 구비하고 있어 진동에 의한 압전효과를 이용하여 전기 에너지를 생산하게 되는 압전소자 이용 에너지 수확장치(energy harvester)에 관한 것으로서, 구체적으로는 캔틸레버부재에 압전소자가 부착되어 있는 구조를 가지고 있고 진동에 의해 압전소자로 하여금 에너지를 생산하도록 하는 에너지 수확장치를 구성함에 있어서, 압전소자를 캔틸레버부재의 양측에 부착하며, 유체의 흐름과 나란하게 배치되도록 하여, 낮은 유속에서도 플러터(flutter)가 쉽게 유발되도록 하여 에너지를 효율적으로 생산할 수 있도록 새로이 개발된 캔틸레버부재로 이루어진 압전소자 이용 에너지 수확장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy harvester using a piezoelectric element that produces electrical energy by using a piezoelectric effect caused by vibration. Specifically, the piezoelectric element is attached to a cantilever member. In constructing an energy harvesting device that has a piezoelectric element and generates energy by vibrating, the piezoelectric element is attached to both sides of the cantilever member and arranged side by side with the flow of the fluid, so that the flutter flutters even at a low flow rate. The present invention relates to an energy harvesting device using a piezoelectric element consisting of a newly developed cantilever member so as to be easily induced to produce energy efficiently.

외부의 운동 등의 에너지원으로부터 전기에너지를 만들어내기 위하여, 압력이 가해져 기계적 변형이 생기게 되면 전기를 발생시키는 압전소자를 이용한 에너지 수확장치가 제안되어 있다. 이러한 압전소자를 이용한 종래의 에너지 수확장치로서 캔틸레버부재를 이용한 에너지 수확장치가 제안되고 있다. 캔틸레버부재를 이용한 종래의 에너지 수확장치 즉, 종래의 캔틸레버형 에너지 수확장치는 유연한 기판 형태로 이루어진 캔틸레버부재의 일측면에 압전소자를 부착한 구조를 가지고 있으며, 구조물에 고정 설치하여 구조물에 발생하는 진동에 의해 전기를 생산한다. 즉, 캔틸레버부재의 일단을 구조물에 고정시킨 상태에서, 구조물에 진동이 발생하게 되면, 그에 따라 캔틸레버부재에도 진동이 발생하여 캔틸레버부재가 변형되면서 압전소자에 의해 전기가 발생되는 구성을 가지고 있는 것이다. In order to generate electrical energy from an energy source such as an external movement, an energy harvesting apparatus using a piezoelectric element that generates electricity when pressure is applied and mechanical deformation occurs is proposed. As a conventional energy harvesting apparatus using such a piezoelectric element, an energy harvesting apparatus using a cantilever member has been proposed. A conventional energy harvesting device using a cantilever member, that is, a conventional cantilever energy harvesting device has a structure in which a piezoelectric element is attached to one side of a cantilever member formed of a flexible substrate, and is fixed to the structure to generate vibrations in the structure. To produce electricity. That is, when one end of the cantilever member is fixed to the structure, when vibration occurs in the structure, vibration is generated in the cantilever member accordingly, and the cantilever member is deformed and electricity is generated by the piezoelectric element.

교량 등과 같은 구조물을 유지 관리함에 있어서, 무선센서 네트워크 구축 등을 위해서는 바람이나 물의 흐름 등과 같은 주변의 에너지원으로부터 전기를 공급받는 것이 필요한 바, 최근에는 바람이나 물과 같은 유체의 흐름 속에 놓이게 되는 교량 등의 구조물에는 이러한 캔틸레버형 에너지 수확장치를 설치하려는 시도가 이루어지고 있다. 즉, 종래의 캔틸레버형 에너지 수확장치를 교량 등과 같이 유체의 흐름 속에 놓이는 구조물에 설치하여, 바람이 캔틸레버부재에 부딪치면서 외력이 캔틸레버부재에 가해져서 캔틸레버부재가 진동하게 되면서 발전이 이루어지도록 하는 것이다. 그러나 종래의 캔틸레버형 에너지 수확장치의 경우, 낮은 풍속에서는 캔틸레버부재에 야기되는 진동의 크기가 작아서 에너지 수확량 즉, 발전량이 매우 작다는 문제점이 있다. In maintaining a structure such as a bridge, in order to establish a wireless sensor network, it is necessary to receive electricity from surrounding energy sources such as wind or water flow. Recently, a bridge that is placed in a flow of fluid such as wind or water Attempts have been made to install such cantilever type energy harvesting devices in such structures. That is, by installing a conventional cantilever type energy harvesting device in a structure that is placed in the flow of fluid, such as a bridge, the wind force hits the cantilever member and the external force is applied to the cantilever member so that the cantilever member vibrates to generate power. However, in the conventional cantilever type energy harvesting device, there is a problem that the energy yield, that is, the amount of power generation is very small because the magnitude of vibration caused by the cantilever member is small at low wind speeds.

이러한 문제를 해결하고 캔틸레버형 에너지 수확장치의 발전효율을 증대시키기 위해서는, 동일한 유체의 흐름에 대해서도 캔틸레버부재가 더 크게 진동할 수 있도록 해야 한다. 즉, 압전소자가 부착된 캔틸레버부재가 유체로부터 가해지는 힘에 의해 더 크게 진동할수록 더 많은 전기에너지가 생산되므로, 캔틸레버형 에너지 수확장치의 발전효율을 향상시키기 위해서는 유체에 의한 진동이 캔틸레버부재에 크게 발생하게 만드는 기술이 필요하다. 그러나 지금까지의 개선 노력 및 종래 기술은 주로 캔틸레버부재의 고유진동수와 구조물에 의한 진동수 간의 관계를 규명하는 방향으로 집중되고 있을 뿐이며, 실질적으로 교량 등과 같이 유체의 흐름 속에 캔틸레버형 에너지 수확장치가 설치되었을 때 낮은 풍속에서도 충분한 에너지 수확량을 가질 수 있도록 하는 유리한 결과는 얻어내지 못하고 있다.
In order to solve this problem and to increase the power generation efficiency of the cantilever type energy harvesting device, the cantilever member must be made to vibrate even for the same fluid flow. That is, as the cantilever member with the piezoelectric element is vibrated more by the force applied from the fluid, more electric energy is produced. Therefore, in order to improve the power generation efficiency of the cantilever type energy harvesting device, the vibration caused by the fluid is greatly increased in the cantilever member. There is a need for technology to make it happen. However, the improvement efforts and prior arts so far are mainly focused on the relationship between the natural frequency of the cantilever member and the frequency caused by the structure, and the cantilever-type energy harvesting device has been installed in the flow of fluid such as a bridge. At the same time, favorable results have not been obtained that allow sufficient energy yields even at low wind speeds.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하고 캔틸레버형 에너지 수확장치 분야의 기술적 필요성을 충족하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 바람이나 물과 같은 유체의 흐름속에 위치하게 되는 구조물(예를 들면, 교량)에 배치되어 유체에 의해 진동하게 되는 캔틸레버형 에너지 수확장치가 작은 유속에도 큰 진폭으로 진동할 수 있도록 구성함으로써, 캔틸레버형 에너지 수확장치의 발전효율을 크게 향상시키는 것을 발명의 목적으로 한다.
The present invention has been developed to overcome the limitations of the prior art as described above and to meet the technical necessity of the field of cantilever type energy harvesting device, specifically, a structure that is located in a flow of fluid such as wind or water (for example, The cantilever energy harvesting device, which is disposed on a bridge) and vibrates by a fluid, can be configured to vibrate with a large amplitude even at a small flow rate, thereby greatly improving the power generation efficiency of the cantilever energy harvesting device.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 캔틸레버 에너지 수확장치는, 구부러질 수 있는 유연한 판재로 이루어져 수직하게 배치되는 캔틸레버 판과; 상기 캔틸레버 판의 폭과 동일한 높이를 가지는 판부재로 이루어지며, 상기 캔틸레버 판의 전방단부에서 캔틸레버 판에 수직하게 직교하여 일체로 결합되어 있는 전방 판과; 상기 캔틸레버 판의 양측면에 부착되어 변형에 의해 전기를 생산하는 압전소자를 포함하여 구성되며; 상기 캔틸레버 판의 후방단부는 유체의 흐름 속에 위치하는 구조물에 고정설치되고, 상기 전방 판이 유체가 흘러오는 방향으로 위치하도록 상기 캔틸레버 판이 유체가 흘러오는 방향과 나란하게 배치되어, 유체의 흐름에 의해 캔틸레버 판에 플러터가 발생하여 진동함으로써 전기를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 에너지 수확기가 제공된다.
In order to achieve the above object, in the present invention, the cantilever energy harvesting device, the cantilever plate disposed vertically made of a flexible plate that can be bent; A front plate formed of a plate member having a height equal to a width of the cantilever plate, the front plate being integrally coupled to the cantilever plate at right angles to the cantilever plate at a front end of the cantilever plate; A piezoelectric element attached to both sides of the cantilever plate to produce electricity by deformation; The rear end of the cantilever plate is fixed to the structure located in the flow of the fluid, the cantilever plate is arranged in parallel with the direction of the fluid flow so that the front plate is located in the direction of the fluid flow, the cantilever by the flow of the fluid A cantilever energy harvester is provided, characterized in that the flutter generates and vibrates to produce electricity.

본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치는, 캔틸레버 판의 후방단부에 구조물에 고정되고 전방 판이 유체가 흘러오는 방향으로 유체의 흐름과 나란하게 배치되어 상기 전방 판이 유체의 흐름을 가로막는 상태로 위치하였을 때, 구조물을 향하여 흘러오는 유체의 낮은 속도에서도 캔틸레버 판에는 플러터가 쉽게 발생하게 되며, 그에 따라 캔틸레버 판에 큰 진폭의 진동이 생기고, 압전소자에도 큰 변형이 발생하게 되어, 압전소자로부터 큰 전력이 생산되어, 압전소자에 의한 전기 생산 효율이 크게 증가되는 효과가 발휘된다.
When the cantilever energy harvesting device according to the present invention is fixed to the structure at the rear end of the cantilever plate and the front plate is disposed in parallel with the flow of the fluid in the direction in which the fluid flows, the front plate is positioned to block the flow of the fluid. The flutter easily occurs in the cantilever plate even at a low velocity of the fluid flowing toward the structure, thereby causing a large amplitude vibration in the cantilever plate and generating a large deformation in the piezoelectric element, thereby producing a large amount of power from the piezoelectric element. In addition, the effect that the electricity production efficiency by the piezoelectric element is greatly increased.

도 1은 본 발명의 일실시예에 해당하는 T형 캔틸레버 에너지 수확장치를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치의 실물 모형에 대한 풍동실험을 통해서 측정된 풍속(wind speed)과 변위, 그리고 고유진동수의 관계에 대한 그래프도이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치의 실물 모형에 대한 풍동실험을 통해서 측정된 풍속(wind speed)과 압전소자에 의해 생산된 전기의 전압(voltage)(V)의 관계에 대한 그래프도이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치의 실물 모형에 대한 풍동실험을 통해서 측정된 풍속(wind speed)과 압전소자에 의해 생산된 전기의 전력(power)(mW)의 관계에 대한 그래프도이다. Figure 1 is a schematic perspective view showing a T-type cantilever energy harvesting apparatus corresponding to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a graph illustrating the relationship between wind speed, displacement, and natural frequency measured through wind tunnel tests on a real model of a T-type cantilever energy harvesting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2B illustrates the wind speed and the voltage V of electricity produced by the piezoelectric element measured through wind tunnel tests on a real model of a T-type cantilever energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. A graphical representation of the relationship.
Figure 2c is a wind speed (wind speed) measured by the wind tunnel test on the actual model of the T-type cantilever energy harvesting device according to an embodiment of the present invention of the power (mW) of electricity produced by the piezoelectric element A graphical representation of the relationship.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is described as one embodiment, whereby the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited.

도 1에는 본 발명의 일실시예로서, T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 캔틸레버 에너지 수확장치(1)가 수직하게 배치되는 캔틸레버 판(10)과, 그에 직교하는 전방 판(20)을 구비하고 있으므로, 평면도로 볼 때 캔틸레버 판(10)과 전방 판(20)이 영문자 T자를 이루게 되며, 이러한 이유로 "T형" 캔틸레버 에너지 수확장치(1)라고 명명한 것이다. 이러한 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)는 본 발명의 일 예로서 제시되어 본 발명의 설명에 이용된 것이며, 본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치의 형상은 이러한 T형에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치는 캔틸레버 판(10)의 후방에 또다른 후방 판(미도시)이 구비되어 평면도로 볼 때, 캔틸레버 판(10)과 전방 판(20), 그리고 후방 판에 의해 영문자 H 형상을 이룰 수도 있으며, 이와 달리, 후방 판은 존재하지 않고 전방 판의 횡방향 폭이 협소하여 평면도로 볼 때 캔틸레버 판(10)과 전방 판(20)이 영문자 I 형상을 이룰 수도 있다. 그러나 설명의 편의를 위해서 다음에서는 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)를 예시하여 본 발명을 설명한다. 1 shows a schematic perspective view of a T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 as an embodiment of the present invention. In the case of the embodiment shown in FIG. 1, the cantilever energy harvesting apparatus 1 includes a cantilever plate 10 in which the cantilever energy harvesting device 1 is disposed vertically and a front plate 20 orthogonal thereto. And the front plate 20 forms the letter T, for this reason is named "T-type" cantilever energy harvesting device (1). The T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 is presented as an example of the present invention and used in the description of the present invention, and the shape of the cantilever energy harvesting apparatus according to the present invention is not limited to this T-type. That is, the cantilever energy harvesting device according to the present invention is provided with another rear plate (not shown) at the rear of the cantilever plate 10, when viewed in plan, the cantilever plate 10 and the front plate 20, and the rear plate The letter H may be formed by the letter H. Alternatively, the rear plate does not exist and the width of the front plate is narrow so that the cantilever plate 10 and the front plate 20 may form the letter I shape when viewed in plan view. have. However, for convenience of explanation, the following describes the present invention by exemplifying the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1.

도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)는, 유체가 흘러오는 방향과 나란하면서도 수직하게 배치되는 판재로 이루어진 캔틸레버 판(10)과, 상기 캔틸레버 판(10)의 전방단부 즉, 유체가 흘러오는 방향으로의 단부에서 캔틸레버 판(10)에 수직하게 직교하여 결합되어 있는 전방 판(20)과, 상기 캔틸레버 판(10)의 양측면에 부착되어 있는 압전소자(30)를 포함하여 구성된다. 도면에 도시된 실시예에서는 상기 압전소자(300가 상기 캔틸레버 판(10)의 후방단부(유체가 흘러가는 방향으로의 후방에 위치하는 단부) 방향으로 치우쳐서 캔틸레버 판(10)의 양측면에 부착되어 있다. As shown in the figure, the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention, the cantilever plate 10 made of a plate material arranged in parallel with the direction in which the fluid flows, and the cantilever plate 10 A front plate 20 which is coupled perpendicularly orthogonally to the cantilever plate 10 at the front end, that is, at the end in the direction in which the fluid flows, and the piezoelectric element 30 attached to both sides of the cantilever plate 10. It is configured to include. In the embodiment shown in the drawing, the piezoelectric element 300 is attached to both sides of the cantilever plate 10 in a direction toward the rear end of the cantilever plate 10 (the end portion located rearward in the direction in which the fluid flows). .

본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)에서, 상기 캔틸레버 판(10)은 강성을 가지고 있되 유체로부터 가해지는 힘에 의하여 구부러질 수 있는 유연한 판재로 이루어져 수직하게 배치되며, 유체의 흐름과 나란하게 배치된다. 도면에서 화살표 A로 표시된 것은 바람이나 물과 같은 유체의 흐름을 나타내는데, 상기 캔틸레버 판(10)은 상기 화살표 A와 나란한 방향으로 연장되도록 배치되어 있되, 캔틸레버 판(10)을 이루는 판재의 폭(B)에 해당하는 선분이 수직하게 위치하도록 상기 캔틸레버 판(10)은 수직하게 배치된다. 상기 캔틸레버 판(10)의 양단부에서 전방단부는 유체가 흘러오는 방향으로 위치하게 되고, 후방단부는 교량 등과 같은 구조물에 결합되어 고정되는데, 상기 전방단부에는 상기 캔틸레버 판(10)과 직교하게 전방 판(20)이 일체로 결합되어 있다. 상기 전방 판(20)은 상기 캔틸레버 판(10)의 폭과 동일한 높이를 가지는 판부재로 이루어지는데, 상기 전방 판(20)의 횡방향 폭의 정 중앙에 상기 캔틸레버판(10)이 직교하여 용접 등의 방법에 의해 일체로 결합되어 있는 것이다. In the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention, the cantilever plate 10 is rigidly arranged but is vertically made of a flexible plate that can be bent by a force applied from the fluid. Placed side by side. The arrow A in the figure indicates the flow of a fluid such as wind or water, the cantilever plate 10 is arranged to extend in parallel with the arrow A, the width of the plate forming the cantilever plate 10 (B) The cantilever plate 10 is vertically disposed so that the line segment corresponding to the vertical axis is positioned vertically. At both ends of the cantilever plate 10, the front end is positioned in the direction in which the fluid flows, and the rear end is fixed to the structure such as a bridge, etc., the front end is perpendicular to the cantilever plate 10 (20) is integrally coupled. The front plate 20 is made of a plate member having the same height as the width of the cantilever plate 10, the cantilever plate 10 is orthogonally welded to the center of the transverse width of the front plate 20 It is combined integrally by such a method.

보로 이루어진 부재가 유체의 흐름 속에 놓이게 되면 유체와 보 부재 간의 상호작용에 의해 발산진동 즉, 플러터(flutter)가 발생하게 되는데, 도면에 도시된 것처럼, 본 발명에서는 캔틸레버 판(10)이 유체의 흐름과 나란하게 배치되었을 때, 상기 전방 판(20)은 유체의 흐름을 가로막는 상태로 위치하게 되며, 그에 따라 낮은 유속에서도 캔틸레버 판(10)에는 플러터가 쉽게 발생하게 되고, 캔틸레버 판(10)에는 큰 진동이 유발된다. 따라서 본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치(1)는 교량 등의 구조물에 설치되었을 때 큰 풍속의 바람을 맞을 때는 물론이고 낮은 풍속의 바람을 맞을 때도 플러터가 쉽게 발생하여 캔틸레버 판(10)에는 큰 진동이 생기게 되고, 그에 따라 압전소자에 의한 발전량이 커지게 되어 에너지 수확 효율이 증가되는 효과가 발휘된다. When the member made of the beam is placed in the flow of the fluid, divergent vibration, that is, flutter, is generated by the interaction between the fluid and the beam member. As shown in the drawing, the cantilever plate 10 is a fluid flow. When placed side by side, the front plate 20 is positioned in a state of blocking the flow of fluid, so that even at a low flow rate, the cantilever plate 10 is easily generated flutter, the cantilever plate 10 is large Vibration is caused. Therefore, when the cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention is installed in a structure such as a bridge, the flutter easily occurs when the wind is hit by a high wind speed as well as by a low wind speed, so that the cantilever plate 10 has a large vibration. Thereby, the amount of power generated by the piezoelectric element is increased thereby the energy harvesting efficiency is increased.

한편, 상기 캔틸레버 판(10)의 양측면에는, 변형에 의해 전기를 생산하게 되는 공지의 압전소자(30)가 패치(patch) 형태로 일체로 부착되어 있다. 즉, 얇은 평면형태의 부재 형상으로 압전소자(30)가 캔틸레버 판(10)의 양측면에 일체로 부착되어 있는 것이다. 특히, 도면에 도시된 것처럼, 상기 압전소자(30)는 캔틸레버 판(10)의 후방단부 방향으로 치우쳐서 부착될 수 있다. 즉, 캔틸레버 판(10)을 길이 방향으로 2등분하였을 때, 후방단부쪽에 압전소자(30)가 부착되어 있는 것이다. 유체에 의한 플러터가 발생하였을 때, 캔틸레버 판(10)은 좌,우측으로 흔들리면서 진동하게 되는데, 이 때, 진동에 의한 변형은, 캔틸레버 판(10)의 전방단부쪽 보다는 캔틸레버 판(10)의 후방단부쪽에서 더 크게 발생하게 된다. 따라서 위와 같이 압전소자(30)를 캔틸레버 판(10)의 후방단부쪽에 부착함으로써, 압전소자(30)에 가해지는 변형이 더욱 크게 할 수 있으며, 그에 따라 더 많은 전력이 생산될 수 있어 발전효율이 증가되는 효과를 가져온다.On the other hand, on both sides of the cantilever plate 10, a well-known piezoelectric element 30, which produces electricity by deformation, is integrally attached in the form of a patch. That is, the piezoelectric element 30 is integrally attached to both side surfaces of the cantilever plate 10 in a thin planar member shape. In particular, as shown in the figure, the piezoelectric element 30 may be attached to be biased in the rear end direction of the cantilever plate 10. That is, when the cantilever plate 10 is divided into two in the longitudinal direction, the piezoelectric element 30 is attached to the rear end side. When the flutter caused by the fluid is generated, the cantilever plate 10 is shaken to the left and right, and vibrates. At this time, the deformation caused by the vibration is the rear of the cantilever plate 10 rather than the front end side of the cantilever plate 10. It will occur larger on the end side. Therefore, by attaching the piezoelectric element 30 to the rear end side of the cantilever plate 10 as described above, the deformation applied to the piezoelectric element 30 can be made larger, and thus more power can be produced, so that power generation efficiency is improved. It increases the effect.

위와 같은 구성의 본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)는 실물 모형을 이용한 풍동실험을 통해서 발전효율 향상 효과가 검증되었다.
The T-type cantilever energy harvesting device 1 according to the present invention having the above configuration has been verified to improve the power generation efficiency through wind tunnel experiments using a real model.

(실물모형 풍동실험)(Mock-up wind tunnel experiment)

T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 실물 모형은 아래와 같은 제원으로 제작되었다. 아래의 기재에서 H, L, B, L 및 Lp는 각각 도 1에 도시된 기호이다.
The actual model of the T-type cantilever energy harvesting device 1 was manufactured with the following specifications. In the description below, H, L, B, L and Lp are symbols shown in FIG. 1, respectively.

캔틸레버 판(10)의 높이(수직방향의 폭)(B) : 60mmHeight (vertical width) of cantilever plate 10 (B): 60 mm

캔틸레버 판(10)의 길이(L) : 100mmCantilever plate 10 length (L): 100mm

캔틸레버 판(10)의 재질 : 알루미늄 판Material of cantilever plate 10: aluminum plate

캔틸레버 판(10)의 두께 : 0.2mmCantilever plate 10 thickness: 0.2mm

전방 판(20)의 높이 : 60mm (캔틸레버 판의 높이와 동일)Height of the front plate 20: 60mm (same as the height of the cantilever plate)

전방 판(20)의 횡방향 폭 : 30mmTransverse Width of Front Plate 20: 30mm

전방 판(20)의 중량 : 15.6gWeight of front plate 20: 15.6g

압전소자 : 스마트 머티리얼 사의 M-2814-P2를 사용Piezoelectric element: using Smart Material's M-2814-P2

압전소자 패치 1개의 길이 : 28mm1 piezoelectric patch: 28mm

압전소자 패치 1개의 폭 : 14mmPiezoelectric element patch width: 14mm

각각의 압전소자 패치 1개의 용량 : 25.7nF
Capacity of one piezoelectric element patch: 25.7 nF

위와 같은 압전소자 패치를 캔틸레버 판(10)의 양측면에 부착하되, 캔틸레버 판(10)의 일면에 압전소자 패치를 3개씩 부착하였다. 그리고 전방 판(20)이 부착되어 있는 캔틸레버 판(10)의 전방단부로부터 70mm 떨어진 위치부터 압전소자 패치가 존재하도록 압전소자 패치를 부착하였다. 상기 압전소자 패치들은 직렬로 연결되었다. The piezoelectric element patches as described above were attached to both sides of the cantilever plate 10, but three piezoelectric element patches were attached to one surface of the cantilever plate 10. And the piezoelectric element patch was attached so that a piezoelectric element patch may exist from the position 70 mm away from the front end of the cantilever plate 10 to which the front plate 20 is attached. The piezoelectric patch was connected in series.

이와 같은 제원의 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 실물 모형은 캔틸레버 진동시 가장 먼저 나타나는 고유진동수인 제1모드에서 6.17Hz의 고유진동수를 가지고 있으며 감쇠비는 1.8%였다. The real model of the T-type cantilever energy harvester 1 of the specification has a natural frequency of 6.17 Hz in the first mode, which is the first natural frequency appearing during cantilever vibration, and the damping ratio was 1.8%.

캔틸레버 판(10)의 후방단부가 교량에 고정된 것으로 가정하여, 풍동 실험 장치 내에서 캔틸레버 판(10)의 후방단부를 고정시켜 배치하고, 바람을 가하여 풍속에 따른 생산 전력(power)과 전압(voltage)을 각각 측정하였다. Assuming that the rear end of the cantilever plate 10 is fixed to the bridge, the rear end of the cantilever plate 10 is fixedly arranged in the wind tunnel test apparatus, and the wind is applied to produce power and voltage according to the wind speed. voltage) was measured respectively.

도 2a에는 위와 같은 본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 실물 모형에 대한 풍동실험을 통해서 측정된 풍속(wind speed)과 전방 판(20)의 변위, 그리고 캔틸레버 판(10)의 고유진동수 간의 관계에 대한 그래프도가 도시되어 있다. 도 2a에서 사각형 점이 연결된 선은 진동수(frequency)를 나타내고, 원형 점이 연결된 선은 변위(displacement)를 나타낸다. 또한 가로축은 풍속(wind speed)(m/s)이며, 좌측의 세로축은 변위(displacement)(mm)이고, 우측의 세로축은 진동수(frequency)(Hz)이다. FIG. 2A illustrates wind speed and displacement of the front plate 20 and the cantilever plate 10 measured through wind tunnel tests on the actual model of the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention. A graphical representation of the relationship between natural frequencies is shown. In FIG. 2A, the line to which the square points are connected represents frequency, and the line to which the circular points are connected represents displacement. The horizontal axis is wind speed (m / s), the vertical axis on the left is displacement (mm), and the vertical axis on the right is frequency (Hz).

한편, 도 2b에는 위와 같은 본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 실물 모형에 대한 풍동실험을 통해서 측정된 풍속(wind speed)과 압전소자에 의해 생산된 전기의 전압(voltage)(V)의 관계에 대한 그래프도가 도시되어 있으며, 도 2c에는 풍속(wind speed)과 압전소자에 의해 생산된 전기의 전력(power)(mW)의 관계에 대한 그래프도가 도시되어 있다. 도 2b 및 도 2c에서 원으로 표시된 점은 실제 실험에서 측정된 실험치(측정값)이고, 점선으로 표시된 것은 이론 해석에 의한 결과(해석값)를 도시한 것이다. 도 2b에서 가로축은 풍속(wind speed)(m/s)이며, 세로축은 전압(voltage)(V)이다. 도 2c에서 가로축은 풍속(wind speed)(m/s)이며, 세로축은 전력(power)(mW)이다. On the other hand, Figure 2b is the wind speed (wind speed) measured through the wind tunnel test on the actual model of the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention as described above (voltage) of electricity produced by the piezoelectric element ( A graph of the relationship of V) is shown, and FIG. 2C shows a graph of the relationship between the wind speed and the power (mW) of electricity produced by the piezoelectric element. In FIG. 2B and FIG. 2C, circles indicated are experimental values (measured values) measured in actual experiments, and dotted lines indicate results (interpreted values) by theoretical analysis. In FIG. 2B, the horizontal axis is wind speed (m / s) and the vertical axis is voltage (V). In FIG. 2C, the horizontal axis is wind speed (m / s) and the vertical axis is power (mW).

위의 도 2a 내지 도 2c에서 알 수 있듯이, 위의 실험 제원을 가지는 본 발명에 따른 T형 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 실물 모형은, 약 4.0m/s의 풍속에서부터 전기를 생산하기 시작하였으며, 약 15m/s의 풍속에서 전기 생산이 안정된 상태가 되었다. 또한 최대 생산 전력은 4.0mW에 이르렀다. As can be seen in Figures 2a to 2c above, the actual model of the T-type cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention having the above experimental specifications, began to produce electricity from the wind speed of about 4.0m / s At the wind speed of about 15m / s, electricity production became stable. The maximum production power reached 4.0mW.

이와 같이, 본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치(1)는 수직하게 배치되는 캔틸레버 판(10)과, 그에 직교하는 전방 판(20)을 구비하고 있고, 캔틸레버 판(10)의 후방단부가 교량 등과 같이 유체의 흐름 속에 위치하게 되는 구조물에 고정되고 상기 전방 판(20)이 유체가 흘러오는 방향으로 유체의 흐름과 나란하게 배치되어 상기 전방 판(20)이 유체의 흐름을 가로막는 상태로 위치하게 됨으로써, 낮은 유속에서도 캔틸레버 판(10)에는 플러터가 쉽게 발생하게 되며, 그에 따라 캔틸레버 판(10)에 큰 진폭의 진동이 생기고, 압전소자(30)에도 큰 변형이 발생하게 되어, 압전소자(30)로부터 큰 전력이 생산된다. 즉, 압전소자에 의한 전기 생산 효율이 크게 증가되는 효과가 발휘되는 것이다. As described above, the cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention includes a cantilever plate 10 arranged vertically and a front plate 20 orthogonal thereto, and the rear end of the cantilever plate 10 is a bridge or the like. As such, the front plate 20 is fixed to the structure to be positioned in the flow of the fluid, and the front plate 20 is disposed in parallel with the flow of the fluid in the direction in which the fluid flows so that the front plate 20 is positioned to block the flow of the fluid. In addition, the flutter easily occurs in the cantilever plate 10 even at a low flow rate, so that a large amplitude vibration occurs in the cantilever plate 10, and a large deformation occurs in the piezoelectric element 30. Large power is produced from. That is, the effect that the electricity production efficiency by the piezoelectric element is greatly increased.

특히, 본 발명에서는 캔틸레버 판(10)의 전방 단부에 구비되는 전방 판(20)의 질량을 변경함으로써 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 고유진동수를 변경할 수 있으며, 그에 따라 풍속에 맞추어서 플러터가 발생할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 캔틸레버 에너지 수확장치(1)에서는, 캔틸레버 에너지 수확장치(1)가 사용되는 환경에서 불어오는 바람의 풍속에서 플러터가 발생할 수 있도록 전방 판(20)의 질량을 바꾸어서 캔틸레버 에너지 수확장치(1)의 고유진동수를 변경하게 되므로, 캔틸레버 판(10)에는 플러터가 쉽게 발생하게 되어 발전 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
In particular, in the present invention, by changing the mass of the front plate 20 provided at the front end of the cantilever plate 10, it is possible to change the natural frequency of the cantilever energy harvesting device 1, according to the wind speed can cause a flutter You can do that. That is, in the cantilever energy harvesting apparatus 1 according to the present invention, the cantilever energy harvesting is performed by changing the mass of the front plate 20 so that the flutter may occur at the wind speed of the wind blowing in the environment in which the cantilever energy harvesting apparatus 1 is used. Since the natural frequency of the device 1 is changed, flutter easily occurs in the cantilever plate 10, thereby increasing power generation efficiency.

10: 캔틸레버 판
20: 전방 판
30: 압전소자 10: cantilever plate
20: front plate
30: piezoelectric element

Claims (1)

캔틸레버 에너지 수확장치(1)는, 구부러질 수 있는 유연한 판재로 이루어져 수직하게 배치되는 캔틸레버 판(10)과;
상기 캔틸레버 판(10)의 폭과 동일한 높이를 가지는 판부재로 이루어지며, 상기 캔틸레버 판(10)의 전방단부에서 캔틸레버 판(10)에 수직하게 직교하여 일체로 결합되어 있는 전방 판(20)과;
상기 캔틸레버 판(10)의 양측면에 부착되어 변형에 의해 전기를 생산하는 압전소자(30)를 포함하여 구성되며;
상기 캔틸레버 판(10)의 후방단부는 유체의 흐름 속에 위치하는 구조물에 고정설치되고, 상기 전방 판(20)이 유체가 흘러오는 방향으로 위치하여 유체의 흐름을 방해하도록 상기 캔틸레버 판(10)이 유체가 흘러오는 방향과 나란하게 배치되어, 유체의 흐름에 의해 캔틸레버 판(10)에 플러터가 발생하여 진동함으로써 전기를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 에너지 수확장치. The cantilever energy harvesting apparatus (1) includes a cantilever plate (10) which is vertically disposed of a flexible plate that can be bent;
The front plate 20 is made of a plate member having the same height as the width of the cantilever plate 10, and is integrally orthogonally coupled to the cantilever plate 10 perpendicular to the cantilever plate 10 at the front end of the cantilever plate 10; ;
A piezoelectric element 30 attached to both sides of the cantilever plate 10 to produce electricity by deformation;
The rear end of the cantilever plate 10 is fixed to the structure located in the flow of the fluid, the cantilever plate 10 is positioned so that the front plate 20 is located in the direction in which the fluid flows to hinder the flow of the fluid. Cantilever energy harvesting device, characterized in that arranged in parallel with the flow direction of the fluid, to generate electricity by generating a flutter and vibrates in the cantilever plate 10 by the flow of the fluid.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103888023A (en) * 2014-04-16 2014-06-25 吉林大学 Cantilever mechanism for piezoelectric power generation
KR101565655B1 (en) 2013-06-13 2015-11-04 한양대학교 산학협력단 Piezoelectric Energy Harvester using air flow by running train in tunnel

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080048164A (en) * 2006-11-28 2008-06-02 주식회사 세 바 Vortex flowmeter
KR20110001746A (en) * 2009-06-30 2011-01-06 한국과학기술원 Energy harvesting device using wake galloping
KR20110017708A (en) * 2009-08-14 2011-02-22 주식회사 이글래스 Piezoelectric power generator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080048164A (en) * 2006-11-28 2008-06-02 주식회사 세 바 Vortex flowmeter
KR20110001746A (en) * 2009-06-30 2011-01-06 한국과학기술원 Energy harvesting device using wake galloping
KR20110017708A (en) * 2009-08-14 2011-02-22 주식회사 이글래스 Piezoelectric power generator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101565655B1 (en) 2013-06-13 2015-11-04 한양대학교 산학협력단 Piezoelectric Energy Harvester using air flow by running train in tunnel
CN103888023A (en) * 2014-04-16 2014-06-25 吉林大学 Cantilever mechanism for piezoelectric power generation

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