KR101309126B1 - 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조류, 해류, 하천 유동 등의 유체 유동에너지를 전기에너지 등의 유용한 에너지로 변환하기 위한 운동에너지를 발생하는 기술로써, 오염원을 추가적으로 발생시키지 않고, 설치 및 운용시 환경에 영향이 거의 없는 친환경 에너지이며, 유체 유동이 실린더에 작용하는 와유기력에 의해 양력면 전,후부에 연결된 실린더가 회전 진동하여 양력면의 유체 받음각을 발생시켜 양력면에 상,하 기진력을 유도하여 유용한 에너지가 발생하는 특징이 있다.

Description

와유기진동에 의한 변동 양력발생장치{Vortex-Induced Vibration by Fluctuation Lift-generating plant}

본 발명은 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조류, 해류, 하천 유동 등의 유체 유동에너지를 전기에너지 등의 유용한 에너지로 변환하기 위한 운동에너지를 발생하는 기술로써, 오염원을 추가적으로 발생시키지 않고, 설치 및 운용시 환경에 영향이 거의 없는 친환경 에너지이며, 유체 유동이 실린더에 작용하는 와유기력에 의해 양력면 전,후부에 연결된 실린더가 회전 진동하여 양력면의 유체 받음각을 발생시켜 양력면에 상,하 기진력을 유도하여 유용한 에너지가 발생하는 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치에 관한 것이다.

종래의 발전으로는 화석연료를 에너지원으로 하는 화력발전, 물의 위치에너 지를 이용하는 수력발전, 바람의 운동에너지를 이용하는 풍력발전, 태양열을 에너지원으로 하는 태양열발전, 핵분열을 이용하는 원자력발전, 파도를 에너지원으로 하는 파력발전, 해류의 수심에 따른 온도 차이를 이용하는 해양온도차발전, 조수 간만의 차이를 이용하는 조력발전 및 조수 간만의 차이나 지형적인 영향 등으로 해류를 에너지원으로 하는 해류발전 등이 있다.

그 중 화력발전 및 수력발전은 막대한 건설비가 요구되며, 화력발전은 화석에너지에 따른 공해문제를 발생하며, 수력 발전은 댐 건설후 광범위한 지역의 수몰에 따른 생태계의 변화는 물론 심한 경우에는 해당지역의 기후까지도 변화시키는 2차적인 환경문제가 제기되고 있는 실정이다.

또한, 풍력발전 및 태양열발전은 기상상태의 영향에 지배되므로, 바람이 없는 경우 및 태양복사에너지가 차단되는 경우에는 발전시스템을 가동시킬 수 없다.

원자력발전은 방사선 누출을 차단하기 위해 시설 투자에 막대한 비용이 소비되며, 또한 폐기물 처리에 막대한 비용을 소비해야 하는 등의 여러 제약이 따르는 문제가 있으며, 한 번의 사고라도 발생되면 심각한 환경파괴를 초래하는 위험이 항상 존재한다.

그리고, 파력 발전 및 해양온도차발전은 입지조건에 적당한 지역이 상당히 제한적임에 따라 보편적으로 적용되기가 어려운 문제가 있는 실정이다.

또한, 조력발전은 조석현상에 의한 조수 간만의 차이를 이용하는 것으로, 조석현상은 달과 태양의 인력에 의해 지배적으로 발생되며, 지구가 공전할 때 생기는 원심력의 차이도 영향을 미친다. 조력발전은 조수 간만의 차이가 발생하는 지역의 하구나 만을 댐으로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 수위차를 이용하여 발전하는 방식이다. 상기 조력발전은 발전을 하는 장소가 결정되면 조위의 변화를 예측 할 수 있으며, 청정에너지라는 유리한 측면이 있지만, 갯벌을 황폐화시키고, 방대한 지역이 요구되어 해양 환경에 막대한 영향을 미치며, 실제로 사용할 수 있는 에너지로 변환하기 위한 최소 유효낙차는 약 5 m로, 적어도 약 5 m 이상의 조수차가 발생되는 장소에 시스템이 설치되어야 하며, 보다 큰 효율을 얻기 위해서는 댐을 기준으로 서로 다른 측에 위치한 조수의 차이가 커야 한다.

전 시스템과는 차이가 있는데, 이러한 차이점 중 가장 큰 점은 해류발전을 하는 경우에는 해류의 운동에너지를 적극적으로 이용한다는 측면에 있다. 그러므로 해류발전은 조수 간만의 차이가 큰 지역 뿐만 아니라 해류 속도가 빠른 지역도 적당한 입지조건에 해당되며, 조력발전을 하기 위해 요구되는 5 m 이상의 조수차 보다 작아도 실질적으로 발전할 수 있다.

또한, 상기 해류발전은 날씨의 변화와 상관없이 계속적인 발전이 가능한 것과 동시에 오염이 없는 청정 에너지원을 이용한다는 측면에서 다른 발전시스템 보다 유리하다.

해류발전 시스템은 방파제에 터널을 형성하여 터널 내부의 발전기 모듈로부터 발전하는 방파제 내부 설치식 해류발전 시스템과, 해저면에 고정되는 지지물에 부착되는 해저면 고정식 해류발전 시스템, 및 해수면에 부유하는 부유체에 부착되는 부유식 해류발전 시스템 등이 있다.

여기서, 해류발전 시스템의 종래기술을 살펴보면, 공개특허번호 2003-0050836, 공개특허번호 20003-0050835, 특허등록번호 10-0765910, 공개특허번호 2008-0023776, 특허등록번호 10-0697717 등 회전수차 방식의 다양한 해류발전 시스템이 기술되어 있다.

그러나, 상기의 기술들은 회전수차 방식의 해류발전장치로써, 수차의 회전에 의해 수중생물의 피해가 발생하고, 그에 따라 자연파괴의 주범이 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

조류, 해류, 하천 유동 등의 유체 유동에너지를 전기에너지 등의 유용한 에너지로 변환하기 위한 운동에너지를 발생하는 기술로써, 오염원을 추가적으로 발생시키지 않고, 설치 및 운용시 환경에 영향이 거의 없는 친환경 에너지이며, 유체 유동이 실린더에 작용하는 와유기력에 의해 양력면 전,후부에 연결된 실린더가 회전 진동하여 양력면의 유체 받음각을 발생시켜 양력면에 상,하 기진력을 유도하여 유용한 에너지가 발생하는 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 바다 및/또는 하천에 설치되어 유체의 유속에 의해 와유기진동하여 운동에너지가 발생하는 양력발생장치에 있어서,

상기 바다 및/또는 하천의 유속에 의해 표면에서 보텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상,하로 진동하는 와유기진동(VIV) 실린더와;

상기 와유기진동 실린더에 일측이 고정되어 와유기진동 실린더의 상,하 진동이 전달되는 지지축과;

상기 지지축의 타측에 설치되고, 상기 와유기진동 실린더의 진동과 유속에 의해 양력(揚力)이 발생하면서 병진회전운동하여 진동을 진폭시키는 하이드로 포일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치는 조류, 해류, 하천 유동 등의 유체 유동에너지를 전기에너지 등의 유용한 에너지로 변환하기 위한 운동에너지를 발생하는 기술로써, 오염원을 추가적으로 발생시키지 않고, 설치 및 운용시 환경에 영향이 거의 없는 친환경 에너지이며, 유체 유동이 실린더에 작용하는 와유기력에 의해 양력면 전,후부에 연결된 실린더가 회전 진동하여 양력면의 유체 받음각을 발생시켜 양력면에 상,하 기진력을 유도하여 유용한 에너지가 발생하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 정면도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치의 작동을 나타낸 개략도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬로 다수개 형성되는 와유기진동 실린더를 나타낸 정면도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬로 다수개 형성되는 와유기진동 실린더를 나타낸 정면도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 바다 및/또는 하천에 설치되어 유체의 유속에 의해 와유기진동하여 운동에너지가 발생하는 양력발생장치에 있어서,

상기 바다 및/또는 하천의 유속에 의해 표면에서 보텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상,하로 진동하는 와유기진동(VIV) 실린더와;

상기 와유기진동 실린더에 일측이 고정되어 와유기진동 실린더의 상,하 진동이 전달되는 지지축과;

상기 지지축의 타측에 설치되고, 상기 와유기진동 실린더의 진동과 유속에 의해 양력(揚力)이 발생하면서 병진회전운동하여 진동을 진폭시키는 하이드로 포일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치를 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 양력발생장치의 작동을 나타낸 개략도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬로 다수개 형성되는 와유기진동 실린더를 나타낸 정면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 병렬로 다수개 형성되는 와유기진동 실린더를 나타낸 정면도이다.

도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치는 바다(조류, 해류), 하천 등에 설치되어 유체의 유속에 의해 와유기진동을 유발시켜, 유체 유동에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 운동에너지를 발생장치로써, 와유기진동(VIV) 실린더(10)와, 지지축(20)과, 하이드로 포일(30)로 구성된다.

상기 와유기진동 실린더(10)는 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 바다 및/또는 하천의 유속에 의해 표면에서 보텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상,하로 구동되면서 와유기 진동이 발생된다.

이때, 와유기진동(VIV: Vortex-Induced Vibration) 현상이란, 와류발생에 따라 유동의 수직방향의 양력(lift force)이 와유기진동 실린더(10)에 번갈아 작용하게 됨으로써 와유기진동 실린더(10)는 유동과 수직방향으로 진동하게 되는 것을 와유기진동(VIV)이라 한다. 이러한 와유기진동현상에서는, 유체 와류의 가진(excitation) 진동수가 지지스프링(50)과 연결된 실린더의 고유진동수에 영향을 받는 비선형 공진(nonlinear resonance)의 특성이 있다.

그리고, 보텍스 제너레이터(vortex generator)란, 항공기의 날개표면이나 동체단면이 복잡하게 변화된 부분에, 기류에 대하여 약간의 각도를 지니게 하여 팔(八)자형으로 나열, 부착시킨 5cm 가량의 작은 날개를 말한다. 이 작은 날개에 바람을 쐬면 날개 끝에 소용돌이의 흐름(vortex)이 발생하는데, 이 소용돌이로 인해 공기저항은 작으나 박리(剝離)되기 쉬운 층류 경계층으로부터 저항은 많지만 에너지가 풍부한 난류 경계층으로 바뀌어, 버핏(buffet:경계층의 박리에 의해서 생기는 기체의 불규칙한 진동)을 막기도 하고, 충격파의 발생에 의한 박리를 방지한다. 또, 필릿(fillet:간섭항력을 줄이기 위하여 날개와 동체 결합부분을 덮는 것) 대신이나 실속속도(失速速度)의 저감(低減), 충격실속의 방지에 의한 속도의 향상 등에도 쓰인다.

여기서, 상기 와유기진동 실린더(10)는 도 3에서처럼 상호 대칭된 상태로 양측면으로 돌출 형성되고, 원통형으로 형성되어 유속에 의해 도 4에서처럼 상,하로 반복 와유기진동하는 것이다.

그리고, 상기 와유기진동 실린더(10)는 도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 양측면으로 돌출 형성된 상태에서 상,하부로 상호 이격된 병렬방향으로 다수개 형성되거나, 앞,뒤로 상호 이격된 직렬방향으로 다수개가 형성되어 와유기진동을 증폭시킨다.

상기 지지축(20)은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 와유기진동 실린더(10)에 일측이 고정되고, 타측은 하이드로 포일(30)에 고정되어 와유기진동 실린더(10)의 상,하 진동이 하이드로 포일(30)에 전달된다. 이때, 상기 지지축(20)은 도 3에서처럼 와유기진동 실린더(10)가 상호 대응되는 면에 고정설치되어 두 개가 상호 이격되어 형성된다.

상기 하이드로 포일(水中翼船, hydrofoil boat,30)은 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 지지축(20)의 일단부 즉, 상호 이격된 지지축(20) 사이에 평면상 지지축(20)과 수직으로 설치되고, 상기 와유기진동 실린더(10)의 진동과 유속에 의해 양력(揚力)이 발생하여 와유기진동 실린더(10)의 진동을 진폭시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 하이드로 포일(30)은 도 2에서처럼 단면상 유선형의 몸체로 형성되어 비행기의 날개처럼 유속의 압력과 와류가 상,하부에 발생하면서 하이드로 포일(30)을 상,하로 구동시키는 것이다. 이때, 상기 하이드로 포일(30)은 병진회전운동 즉, 병진운동(ranslational motion, 竝進運動)과 회전운동이 동시에 이루어지면서 구동되는 것이다.

그리고, 상기 하이드로 포일(30)의 양측면에는 도 3에서처럼, 와유기 진동축(31)이 일체형으로 돌출 형성되고, 상기 와유기 진동축(31)은 하이드로 포일(30)의 회전운동시, 지지해주기 위해 다수개의 링크(미도시) 또는 지지부재(미도시)가 연결 설치된다.

또한, 상기 다수개의 링크 또는 지지부재는 하나의 실시예로써, 수중의 지반 또는 별도의 지지장치에 고정 설치된다.

10 : 와유기진동 실린더 20 : 지지축
30 : 하이드로 포일 31 : 와유기 진동축

Claims (4)

1. 유체의 유속에 의해 와유기진동하여 운동에너지가 발생하는 양력발생장치에 있어서,
   상기 유체의 유속에 의해 표면에서 보텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상,하로 진동하는 와유기진동(VIV) 실린더(10)와;
   상기 와유기진동 실린더(10)에 일측이 고정되어 와유기진동 실린더(10)의 상,하 진동이 전달되는 지지축(20)과;
   상기 지지축(20)의 타측에 설치되고, 상기 와유기진동 실린더(10)의 진동과 유속에 의해 양력(揚力)이 발생하면서 병진운동(竝進運動)과 회전운동이 동시에 이루어지면서 진동을 진폭시키는 하이드로 포일(30);을 포함하여 구성되고,
   상기 와유기진동 실린더(10)는 하이드로 포일(30)을 중심으로 양측에 형성되고, 상기 와유기진동 실린더(10)는 직렬방향 또는 병렬방향으로 다수개 형성되며,
   상기 하이드로 포일(30)의 양측면에는 하이드로 포일(30)이 병진회전운동시, 중심축으로써, 와유기 진동축(31)이 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 와유기진동에 의한 변동 양력발생장치.
   
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