KR102119314B1 - 유체유발 에너지 수확기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 흐름이 야기하는 구조적인 진동을 전기 에너지로 변환하여 수확하기 위한 유체유발 에너지 수확기에 관한 것으로, 유체가 유동하는 임의의 공간 내에 그 유체가 통과되는 유로공간을 가지는 케이스를 설치하여 두고, 그 케이스의 유로공간에, 코일이 권회된 틸팅블럭을, 유체유발 진동체인 캔틸레버에 결합시킨 상태로 배치시키고, 틸팅블럭의 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석을, 틸팅블럭의 움직임 경로 상에 배치시킴으로써, 간소한 구성과 최적 배치를 통해 유속의 크기에 상관없이 반복적인 진동에 의한 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 활용성과 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 도출한다.

Description

유체유발 에너지 수확기{Fluid-induced energy harvesting apparatus}

본 발명은 유체의 흐름이 야기하는 구조적인 진동을 전기 에너지로 변환하여 수확하기 위한 유체유발 에너지 수확기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간소한 구성에 의한 최적 배치를 통해 유속을 높이고 더 큰 진동을 야기시킴으로써 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있도록, 구조가 개선된 유체유발 에너지 수확기에 관한 것이다.

진동에너지를 이용한 에너지 수확기술이 관심이 커짐에 따라 다양한 종류의 연구가 활발히 수행되었다. 이러한 에너지 수확기는 진동이 더 크게 발생할수록 더 높은 에너지를 수확할 수 있다. 그 중 유체유발 진동을 이용한 에너지 수확기는 유동이 가해지면 진동하는 특성을 이용하여 주위환경에 쉽게 적용할 수 있기 때문에 다양한 연구가 진행되고 있다.

유체유발 진동에는 크게 두 가지가 있다. 구조물에 유동이 가해졌을 때 구조물 뒤에서 교반하는 후류(Vortex)의 교반 주파수가 구조물의 고유진동수와 일치할 때 발생하는 공진현상인 VIV(Vortex induced vibration)와 구조물의 불안정성에 기인하는 자려진동의 일종인 갤로핑 (Galloping) 현상이다.

VIV를 이용한 에너지 수확기는 교반하는 Vortex의 세기는 일반적으로 구조물의 진동을 야기할 정도로 크기가 세지 않기 때문에 교반하는 진동수가 구조물의 고유진동수와 일치할 때만 에너지를 효과적으로 수확할 수 있다. 반면, 갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확기는 구조물의 감쇠효과와 구조물의 형상의 함수인 임계속도보다 높은 유속에 노출되면 대변위 진동이 시작되며 유속이 커짐에 따라서 진폭이 커지기 때문에 에너지 수확 용도로 더 적합하다.

갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확기는 가장 낮은 임계속도를 갖는 정사각형 단면의 사각기둥을 캔틸레버 부재 끝단에 부착하며, 유체의 흐름과 나란하게 배치하여 갤로핑 현상이 유발 되도록 구성된다. 이러한 에너지 수확기의 캔틸레버 보에는 압전소자가 부착되어 있어서, 캔틸레버 보의 진동에너지를 전기에너지로 변환하고 에너지 저장부에서 변환하여 저장한다.

종래 갤로핑을 이용한 에너지 수확기의 문제점은 크게 두 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 기존의 압전소자를 이용한 에너지 수확장치는 압전소자 부착과 설치가 용이하고 변환이 쉽다는 점에서 장점이 있지만 에너지 효율이 전자기 유도방식에 비해서 낮으며 더 큰 비용이 발생한다. 둘째, 갤로핑 기반 에너지 수확기는 블러프 바디에 가해지는 유속의 크기가 임계속도로 불리는 일정 값 이상이 되어야 진동하기 시작하며 유속의 크기가 커질수록 더 높은 에너지를 수확할 수 있다. 주위의 유속이 임계속도보다 작게 되면 에너지를 수확할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간소한 구성을 가짐으로써 제조효율 및 활용성을 향상시킬 수 있고, 작은 유속에 의해서도 더 큰 진동을 유발시킴으로써 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 유체유발 에너지 수확기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유체유발 에너지 수확기는, 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되고, 상기 유체가 유입되는 입구와 배출되는 출구를 가지며, 상기 입구 및 출구와 유체이동 가능하게 연결되는 유로공간을 가지는 케이스; 일측에는 상기 케이스의 유로공간 내에 고정되는 고정단부가 마련되고, 타측에는 상기 유로공간 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 자유단부가 마련되는 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단부와 함께 이동할 수 있도록 그 캔틸레버에 결합되는 틸팅바디와, 상기 틸팅바디의 일측에 권회되는 코일을 포함하는 틸팅블럭; 및 상기 케이스에 지지되고, 상기 틸팅바디의 이동방향을 따라 길게 형성되며, 상기 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석이 설치되는 가이드부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부재는, 상기 캔틸레버의 이동방향을 따라 곡선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가이드부재는, 상기 자석이 끼워맞춤에 의해 결합될 수 있게 하는 삽입홈부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 틸팅바디는, 유체가 접촉됨으로써 반복적으로 틸팅되는 케이스; 및 상기 케이스에 연결되고, 상기 가이드부재와 간섭을 일으키지 않는 관통공이 형성되도록 그 가이드부재를 감싸는 형태로 배치되며, 상기 코일이 권회되는 권회부재;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 케이스는, 상기 입구를 통해 유체가 원활하게 유로공간 측으로 유입될 수 있도록, 상기 입구를 한정하는 면에 경사지게 형성된 안내부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 자석은 서로 이격된 위치에 한 쌍으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 자석들은, 상기 삽입홈부에 서로 동일한 극성이 마주하게 배치되는 것이 바람직하다.

상기 캔틸레버와 틸팅블럭과 가이드부재는 한 쌍으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 요소들은, 각각 상기 캔틸레버의 고정단부를 중심으로 대칭인 위치에 마련되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 유체유발 에너지 수확기는, 유체가 유동하는 임의의 공간 내에 그 유체가 통과되는 유로공간을 가지는 케이스를 설치하여 두고, 그 케이스의 유로공간에, 코일이 권회된 틸팅블럭을, 유체유발 진동체인 캔틸레버에 결합시킨 상태로 배치시키고, 틸팅블럭의 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석을, 틸팅블럭의 움직임 경로 상에 배치시킴으로써, 간소한 구성과 최적 배치를 통해 유속의 크기에 상관없이 반복적인 진동에 의한 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 활용성과 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 부분절개 사시도.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 발명 일실시예의 동작상태를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 일부 구성에 대한 부분단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 부분단면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 부분절개 사시도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이며, 도 5는 본 발명 일실시예의 동작상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기는, 액상의 유체가 흐르는 곳에 설치됨으로써 그 유체로부터 유발된 진동에 의한 에너지를 수확하기 위한 것으로, 케이스(1)와 캔틸레버(2)와 틸팅블럭(3)과 가이드부재(4)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 진동을 유발시키는 유체는 액체인 것이 바람직하나, 기체일 수 있음은 물론이다.

상기 케이스(1)는, 유체와의 상호작용으로 진동을 일으키는 부품들이 탑재된 상태로 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되는 것으로, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 유체가 유입되는 입구(11)와 배출되는 출구(12)를 가지며, 상기 입구(11) 및 출구(12)와 유체이동 가능하게 연결되는 유로공간(13)을 포함하여 이루어진다. 즉, 유체는 상기 케이스(1)의 입구(11)를 통해 유로공간(13) 내로 유입되고, 그 유로공간(13)을 경유하여 케이스(1)의 출구(12)를 통해 배출된다.

상기 캔틸레버(2)는, 움직임이 없는 고정단부(21)와 움직임이 자유로운 자유단부(22)를 포함하여 이루어져서, 상기 자유단부(22)의 고정단부(21)에 대한 반복적인 틸팅을 통해 에너지 수확을 가능하게 한다.

본 실시예에서 상기 캔틸레버(2)의 고정단부(21)는 상기 케이스(1)의 유로공간(13) 내에 고정되고, 자유단부(22)는 상기 유로공간(13) 내에서 자유롭게 이동된다.

상기 틸팅블럭(3)은, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 캔틸레버(2)의 자유단부(22)에 결합되어서 그 자유단부(22)와 함께 틸팅(tilting)되는 것으로, 틸팅바디(31)와 코일(32)을 포함하여 이루어진다. 상기 틸팅바디(31)는, 상기 코일(32) 및 후술할 자석(5)과 함께 전자기 유도에 의해 에너지 수확을 가능하게 하는 회로기판이나 부품들이 설치되는 것으로, 상기 캔틸레버(2)의 자유단부(22)에 결합된다. 그리고, 상기 코일(32)은 상기 틸팅바디(31)의 일측에 권회되어서 자석(5)과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 한다.

상기 가이드부재(4)는, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 코일(32)과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석(5)이 설치되는 것으로, 상기 케이스(1)에 지지되고, 상기 틸팅바디(31)의 이동방향을 따라 길게 형성된다. 본 실시예에서 상기 틸팅블럭(3)의 코일(32)은, 도 2 및 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 가이드부재(4)에 설치된 자석(5)과 접촉되지 않도록, 그 자석(5)을 감싸는 형태로 배치된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기는 유체가 유동하는 임의의 공간 내에 그 유체가 통과되는 유로공간(13)을 가지는 케이스(1)를 설치하여 두고, 그 케이스(1)의 유로공간(13)에, 코일(32)이 권회된 틸팅블럭(3)을, 유체유발 진동체인 캔틸레버(2)에 결합시킨 상태로 배치시키고, 틸팅블럭(3)의 코일(32)과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석(5)을, 틸팅블럭(3)의 움직임 경로 상에 배치시킴으로써, 간소한 구성과 최적 배치를 통해 유속의 크기에 상관없이 반복적인 진동에 의한 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 활용성과 에너지 수확 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다.

한편, 본 실시예에 채용된 가이드부재(4)는, 상기 캔틸레버(2)의 이동방향(틸팅방향)을 따라 곡선형으로 형성됨으로써, 그 캔틸레버(2)와 간섭을 일으키지 않고 유체의 압력에 대한 영향을 상대적으로 적게 받을 수 있게 한다.

그리고, 상기 가이드부재(4)는, 자석(5)의 설치작업의 효율을 높일 수 있도록, 별도의 체결수단에 의하지 않고 자석(5)이 끼워맞춤에 의해 결합될 수 있게 하는 삽입홈부(41)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 상기 틸팅바디(31)는, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 하우징(311)과 권회부재(312)를 포함하여 이루어진다. 상기 하우징(311)은 상기 코일(32) 이외의 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 부품들이 내장되는 부분으로, 유체가 접촉됨으로써 상기 캔틸레버(2)와 함께 반복적으로 틸팅되고, 상기 권회부재(312)는 상기 코일(32)이 권회되는 부분으로, 상기 하우징(311)에 연결되고, 상기 가이드부재(4)와 간섭을 일으키지 않는 관통공이 형성되도록 그 가이드부재(4)를 감싸는 형태로 배치된다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 유체에 의해 틸팅되는 틸팅바디(31) 중 일부분에 해당하는 권회부재(312)(하우징의 크기에 비해 상대적으로 작은 사이즈, 대략 고리 형태)에 코일(32)을 권회시킴으로써, 작은 움직임에 의해서도 자석(5)의 자속밀도를 크게 변화시킬 수 있게 됨에 따라, 에너지 수확 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

또한, 본 실시예는 에너지 수확 효율을 극대화시킬 수 있도록, 상기 케이스(1)에 안내부(14)가 형성된 구조가 채택되었다. 즉, 상기 안내부(14)는 도 3에 잘 도시된 바와 같이 상기 입구(11)를 한정하는 면에 경사지게 형성됨으로써, 상기 입구(11)를 통해 유체가 원활하게 유로공간(13) 측으로 유입될 수 있게 한다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 일부 구성에 대한 부분단면도이다.

본 실시예에 채용된 자석(6)은 서로 이격된 위치에 한 쌍으로 이루어진다. 그리고, 상기 한 쌍의 자석(6)들은, 상기 삽입홈부에 서로 동일한 극성이 마주하게 배치됨으로써, 상대적으로 하나의 자석이 배치된 실시예에 비해 더 큰 자석밀도 변화를 일으켜 더욱 효율적인 에너지 수확을 가능하게 한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체유발 에너지 수확기의 부분단면도이다.

본 실시예에 채용된 캔틸레버(7,7')와 틸팅블럭(8,8')과 가이부재(9,9')는, 앞에서 설명한 실시예에서는 각각 하나의 요소만이 마련되는 것과는 달리, 한 쌍으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 요소들은, 각각 상기 캔틸레버의 고정단부를 중심으로 대칭인 위치에 마련됨으로써, 한 번의 유체 유동에 의해서도 복수의 위치에서 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 유체유발에 따른 에너지 수확 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:케이스 11:입구
12:출구 13:유로공간
14:안내부 2:캔틸레버
21:고정단부 22:자유단부
3:틸팅블럭 31:틸팅바디
311:하우징 312:권회부재
32:코일 4:가이드부재
41:삽입홈부 5:자석

Claims (7)

1. 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되고, 상기 유체가 유입되는 입구와 배출되는 출구를 가지며, 상기 입구 및 출구와 유체이동 가능하게 연결되는 유로공간을 가지는 케이스; 일측에는 상기 케이스의 유로공간 내에 고정되는 고정단부가 마련되고, 타측에는 상기 유로공간 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 자유단부가 마련되는 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단부와 함께 이동할 수 있도록 그 캔틸레버에 결합되는 틸팅바디와, 상기 틸팅바디의 일측에 권회되는 코일을 포함하는 틸팅블럭; 및 상기 케이스에 지지되고, 상기 틸팅바디의 이동방향을 따라 길게 형성되며, 상기 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 자석이 설치되되, 그 자석이 끼워맞춤에 의해 결합될 수 있게 하는 삽입홈부를 구비하며, 상하로 이격된 위치에 한 쌍으로 마련되는 가이드부재들;을 포함하여 이루어지고,
   상기 틸팅바디는, 유체가 접촉됨으로써 반복적으로 틸팅되는 하우징; 및 각각 상기 하우징에 연결되되, 상기 하우징을 사이에 두고 반대측에 배치되고, 상기 각 가이드부재와 간섭을 일으키지 않는 관통공이 형성되도록 그 가이드부재를 감싸는 형태로 배치되며, 상기 코일이 권회되는 한 쌍의 권회부재들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체유발 에너지 수확기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드부재는, 상기 캔틸레버의 이동방향을 따라 곡선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체유발 에너지 수확기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 케이스는, 상기 입구를 통해 유체가 원활하게 유로공간 측으로 유입될 수 있도록, 상기 입구를 한정하는 면에 경사지게 형성된 안내부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체유발 에너지 수확기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 자석은 서로 이격된 위치에 한 쌍으로 이루어지고,
   상기 한 쌍의 자석들은, 상기 삽입홈부에 서로 동일한 극성이 마주하게 배치되는 것을 특징으로 하는 유체유발 에너지 수확기.
7. 삭제

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