KR102319691B1 - 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원형 블러프 바디의 바람이 부딪히는 선단 반대쪽인 후단에 작용하는 와류에 의한 진동주파수와 그 블러프 바디를 진동 가능하게 지지시키는 캔틸레버의 고유진동수가 일치할 수 있도록, 구조가 개선된 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기에 관한 것이다.

Description

와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기{Self-tuning wind energy harvester based on vortex-induced vibration}

본 발명은 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원형 블러프 바디의 바람이 부딪히는 선단 반대쪽인 후단에 작용하는 와류에 의한 진동주파수와 그 블러프 바디를 진동 가능하게 지지시키는 캔틸레버의 고유진동수가 일치할 수 있도록, 구조가 개선된 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기에 관한 것이다.

현재 진동에너지를 이용한 에너지 수확 기술에 대한 관심이 커짐에 따라, 다양한 종류의 연구가 활발히 수행되고 있다. 진동에너지를 이용한 에너지 수확기는 진동이 더 크게 발생할수록 더 높은 에너지를 수확할 수 있게 한다. 이러한 에너지 수확기 중 유체유발 진동을 이용한 에너지 수확기는 유체의 이동 시 그 유체와 마찰되어 진동하는 특성으로 인해, 다양한 환경에 용이하게 적용할 수 있다는 장점을 가진다.

유체유발 진동에는 구조물에 유동이 가해졌을 때 그 구조물 뒤에서 교반하는 후류(Vortex)의 교반 주파수가 구조물의 고유진동수와 일치할 때 발생하는 공진현상인 와류유발 진동(Vortex induced vibration; VIV)과 구조물의 불안정성에 기인하는 자려진동의 일종인 갤로핑(Galloping) 진동이 있다.

상기 와류유발이용한 에너지 수확기는, 후류의 교반 주파수가 구조물의 고유진동수와 일치할 때만 에너지를 효과적으로 수확할 수 있고 좁은 풍속 구간에서만 작동 가능한 단점을 가진다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1785419호 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1063370호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원형 블러프 바디를 캔틸레버에 자유롭게 이동 가능하게 하여 작동 풍속범위를 넓힐 수 있게 하고 다양한 풍속에서의 블러프 바디 이동에 따른 캔틸레버의 고유 진동수 변동을 가능하게 하여 공진에 의한 최대 에너지 수확을 가능하게 하는 의해 와류 진동 와류에 의한 진동 주파수와 캔틸레버의 고유 진동수를 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기는, 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되고, 구조물의 일측에 고정되는 고정단부와 상기 유체의 흐름에 의해 상기 고정단부를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅되는 자유단부를 가지는 캔틸레버; 유체 통과 이후 후방에서 와류가 형성될 수 있도록 원형 실린더 형상으로 이루어지고, 서로 다른 풍속이 작용하는 환경에서도 상기 와류에 의한 주파수와 상기 캔틸레버의 고유 진동수가 일치할 수 있도록, 상기 캔틸레버의 자유단부 측에 상대이동 가능하게 설치되는 블러프 바디; 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 변형에 의해 전기에너지가 생성되는 것으로, 상기 캔틸레버에 결합되는 에너지 발생부재; 및 상기 블러프 바디의 이동범위를 규제하기 위한 이동규제수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 이동규제수단은, 상기 캔틸레버에 설치되어 상기 블러프 바디의 최대 이격거리를 제한하는 제1스토퍼와, 상기 블러프 바디의 최소 이격거리를 제한하는 제2스토퍼를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제2스토퍼는, 상기 캔틸레버에 상대이동 가능하게 설치되고, 본 발명은 상기 제2스토퍼의 캔틸레버에 대한 상대위치를 록킹시켜 주기 위한 록킹수단;을 포함하여 이루어지도록 구성될 수 있다.

상기 제2스토퍼는, 상기 캔틸레버에 상대이동 가능하게 설치되고, 본 발명은 상기 제2스토퍼를 상기 제1스토퍼 방향으로 탄성 가압시킬 수 있도록, 일측은 상기 캔틸레버에 설치되고 타측은 상기 제2스토퍼에 연결되는 탄성부재를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

한편, 상기 제2스토퍼는, 상기 캔틸레버에 상대이동 가능하게 설치되고, 본 발명은 상기 제2스토퍼를 전기적인 신호에 기초하여 이동시키기 위한 자동 이동수단;을 포함하되, 상기 자동 이동수단은, 상기 캔틸레버에 설치되는 모터와, 상기 모터에 의해 회전되고 상기 캔틸레버의 길이방향을 따라 길게 형성되고 상기 제2스토퍼의 너트부에 맞물리는 이송스크류와, 상기 제2스토퍼의 회전은 불가능하게 하고 이동은 가능하게 하는 가이드 유닛;을 포함하여 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기는 다양한 풍속 환경에서 원형 실린더 구조의 블러프 바디를 캔틸레버에 대해 이동시킬 수 있도록 구성됨으로써, 그 블러프 바디의 후방에서 발생한 와류에 의한 진동 주파수와 캔틸레버의 고유 진동수를 일치시킬 수 있게 하여 넓은 풍속 구간에서 최대 에너지 수확을 기대할 수 있게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 동작상태를 측면에서 보인 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 사시도.
도 4는 본 발명 다른 실시예의 동작상태를 측면에서도인 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 구조 및 동작상태를 측면에서 보인 도면.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 동작상태를 측면에서 보인 도면.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 동작상태를 측면에서 보인 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기는, 원형 블러프 바디(20)를 일정 범위 내에서 자유롭게 이동시킬 수 있도록 하여 다양한 풍속 환경에서도 원형 블러프 바디(20) 후단에서 발생한 와류 유발 진동 주파수와 캔틸레버(10) 자체의 고유 진동수가 일치시킬 수 있게 하는 것으로, 캔틸레버(10)와 블러프 바디(20)와 에너지 발생부재(30)와 이동규제수단을 포함하여 이루어진다.

상기 캔틸레버(10)는, 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되고 바(bar) 형태로 이루어져 양쪽에 고정단부와 자유단부를 각각 구비하며, 틸팅(tilting)이 가능한 금속소재나 합성수지로 이루어진다.

상기 캔틸레버(10)의 고정단부는, 유체의 이동경로 상에 배치된 구조물의 일측에 다양한 결합 방식에 의해 결합됨으로써, 그 구조물에 대해 상기 캔틸레버(10) 및 블러프 바디(20)가 지지될 수 있게 한다.

상기 캔틸레버(10)의 자유단부는, 상기 고정단부의 반대쪽에 마련되어, 유체의 흐름에 의해 상기 고정단부를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅된다. 상기 자유단부는 블러프 바디(20)와 연결되어 그 블러프 바디(20)를 지지한다.

여기서, 유체(流體)는 기체와 액체를 아울러 이르는 말로 공기, 수소, 산소 등을 모두 포함한다. 본 명세서에서 유체의 흐름은 공기의 흐름 즉, 바람을 의미한다.

상기 블러프 바디(20)는, 유체와 마찰되는 마찰면이 원형으로 형성된 실린더 형상으로 이루어져서, 유체 통과 이후 후방에서 와류가 형성될 수 있게 하고, 상기 캔틸레버(10)의 자유단부 측에 상대이동 가능하게 설치되어서 서로 다른 풍속이 작용하는 환경에서도 상기 와류에 의한 주파수와 상기 캔틸레버(10)의 고유 진동수가 일치할 수 있게 한다.

이러한 블러프 바디(20)는, 상기 캔틸레버(10)에서 이동되어 변화가 이루어진 상기 고정단부와의 상대거리(유체의 유속에 의해 변화디는 상대거리)에 의해 서로 다른 진동을 발생시킴으로써, 상기 캔틸레버(10)의 고유진동수를 변화시킨다.

상기 에너지 발생부재(30)는 캔틸레버(10)에 결합되어 그 캔틸레버(10)의 틸팅에 따라 형태 변형 및 형태 복원되어 전기 에너지를 생성시킨다. 즉, 상기 에너지 발생부재(30)는 압전소자나 전기활성고분자 소재와 같이 전기 에너지 생성을 가능하게 하는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 에너지 발생부재(30)는, 유체의 이동 시 그 유체와 마찰된 블러프 바디(20)에 갤로핑 진동이 발생될 경우, 캔틸레버(10)의 굽힘이나 휘어짐에 의한 기계적인 에너지를 통해 전압을 발생시켜 전기 에너지로 변환하며 그 전기 에너지를 저장부(미도시)나 외부 기기(미도시) 등에 제공될 수 있게 한다.

상기 이동규제수단은, 상기 블러프 바디(20)의 이동범위를 규제하기 위한 것으로, 다양한 구조로 구현할 수 있음은 물론이다.

즉, 본 실시예에서 상기 이동규제수단으로는 제1스토퍼(41)와 제2스토퍼(42)가 채택되었다. 상기 제1스토퍼(41)는 상기 캔틸레버(10)에 설치되어 상기 블러프 바디(20)의 최대 이격거리를 제한하는 역할을 하고, 상기 제2스토퍼(42)는 상기 캔틸레버(10)에 설치되어 상기 블러프 바디(20)의 최소 이격거리를 제한하는 역할을 한다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기는 다양한 풍속 환경에서 원형 실린더 구조의 블러프 바디(20)를 캔틸레버(10)에 대해 이동시킬 수 있도록 구성됨으로써, 그 블러프 바디(20)의 후방에서 발생한 와류에 의한 진동 주파수와 캔틸레버(10)의 고유 진동수를 일치시킬 수 있게 하여 넓은 풍속 구간에서 최대 에너지 수확을 기대할 수 있게 하는 효과를 가진다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 사시도이고, 도 4는 본 발명 다른 실시예의 동작상태를 측면에서도인 도면이다.

본 실시예에 채용된 제2스토퍼(52)는, 앞에서 설명한 실시예의 제2스토퍼의 위치가 고정되어 있는 것과는 달리, 상기 캔틸레버(7)에 상대이동 가능하게 설치된다.

즉, 본 실시예에서 캔틸레버(7)에는 블러프 바디(20)의 이동방향을 따라 길게 형성된 슬릿(71)이 형성되어 있고, 상기 제2스토퍼(52)는 그 슬릿(71)을 따라 이동가능하게 설치된다.

본 실시예는, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 제2스토퍼(52)의 캔틸레버(7)에 대한 이동 후 그 위치를 고정시켜 주기 위한 록킹수단을 포함하여 이루어진다. 즉, 상기 록킹수단은, 상기 제2스토퍼(52)의 캔틸레버(7)에 대한 상대위치를 록킹시켜 주기 위한 것으로, 다양한 구조로 구현할 수 있음은 물론이나, 본 실시예에서는 탄성부재(61)와 위치고정홈(62)들이 채용되었다.

상기 탄성부재(61)는 도 3 및 도 4의 실선과 같이 제2스토퍼(52)가 위치된 경우에 그 제2스토퍼(52)에 탄성력을 가하여 위치고정홈(62)에 대한 이탈을 방지할 수 있게 하고, 도 3의 이점쇄선과 같이 제2스토퍼(52)에 상기 탄성력보다 큰 힘이 가해진 경우에는 압축되어서 제2스토퍼(52)의 위치고정홈(62)에 대한 이탈을 가능하게 하여 제2스토퍼(52)의 도 4의 이점쇄선과 같은 위치이동을 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는 다양한 풍속 환경에서 블러프 바디(20)의 이동거리 허용범위를 조절할 수 있도록 구성됨으로써, 설치환경에 따른 맞춤형 에너지 수확기 제작을 가능하게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 구조 및 동작상태를 측면에서 보인 도면이다.

본 실시예는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예와 마찬가지로 제2스토퍼가 캔틸레버에 상대이동 가능하게 설치되도록 구성되었으나, 도 3 및 도 4와는 달리 제2스토퍼(82)의 위치가 지속적으로 변동되도록 구성되었다.

이러한 동작 구현을 위해 본 실시예에서는 일측이 상기 캔틸레버(86)에 설치되고 타측이 상기 제2스토퍼(82)에 연결되는 탄성부재(80)가 채택되었다. 상기 탄성부재(80)는 상기 제2스토퍼(82)를 상기 제1스토퍼 방향으로 탄성 가압시켜서 풍속의 크기에 따라 상기 블러프 바디(20)의 캔틸레버(86)에 대한 상대위치를 실시간으로 변화시켜 줄 수 있게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는 풍속 변화에 따른 와류에 의한 진동 주파수와 캔틸레버(86) 고유 진동수를 실시간으로 동조시켜 줄 수 있게 됨으로써, 넓은 범위의 풍속 구간에서도 실시간 능동적으로 최대 에너지를 수확할 수 있게 한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기의 동작상태를 측면에서 보인 도면이다.

본 실시예는 도 3 내지 5에 도시된 실시예와 마찬가지로, 캔틸레버(98)에 상대이동 가능하게 설치되는 제2스토퍼(92)를 포함하여 이루어진다.

그러나, 본 실시예는 앞에서 설명한 실시예들과는 달리, 상기 제2스토퍼(92)를 전기적인 신호에 기초하여 이동시키기 위한 자동 이동수단을 포함하여 이루어진다.

본 실시예에 채용된 자동 이동수단은, 모터(90)와 이송스크류(94)와 가이드 유닛(96)을 포함하여 이루어진다. 상기 모터(90)는 상기 캔틸레버(98)에 설치되고, 상기 이송스크류(94)는 상기 모터(90)에 의해 회전되고 상기 캔틸레버(98)의 길이방향을 따라 길게 형성되고 상기 제2스토퍼(92)의 너트부(92a)에 맞물리며, 상기 가이드 유닛(96)은 상기 제2스토퍼(92)의 회전은 불가능하게 하고 이동은 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는 사용자가 다양한 풍속 환경에 맞게 제2스토퍼(92)의 위치를 원격으로 능동 제어할 수 있도록 구성됨으로써, 바람에 의한 와류 유발 주파수와 캔틸레버(98)의 고유 진동수를 풍속 환경을 고려하여 능동적으로 일치시켜 줄 수 있는 장점을 가진다.

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.

10:캔틸레버 20:블러프 바디
30:에너지 발생부재 41:제1스토퍼
42:제2스토퍼

Claims (5)

1. 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되고, 구조물의 일측에 고정되는 고정단부와 상기 유체의 흐름에 의해 상기 고정단부를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅되는 자유단부를 가지는 캔틸레버;
   유체 통과 이후 후방에서 와류가 형성될 수 있도록 원형 실린더 형상으로 이루어지고, 서로 다른 풍속이 작용하는 환경에서도 상기 와류에 의한 주파수와 상기 캔틸레버의 고유 진동수가 일치할 수 있도록, 상기 캔틸레버의 자유단부 측에 상대이동 가능하게 설치되는 블러프 바디;
   상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 변형에 의해 전기에너지가 생성되는 것으로, 상기 캔틸레버에 결합되는 에너지 발생부재; 및
   상기 블러프 바디의 이동범위를 규제하기 위한 이동규제수단;을 포함하여 이루어지고,
   상기 이동규제수단은, 상기 캔틸레버에 설치되어 상기 블러프 바디의 최대 이격거리를 제한하는 제1스토퍼와, 상기 블러프 바디의 최소 이격거리를 제한하는 제2스토퍼를 포함하고,
   상기 제2스토퍼는, 상기 캔틸레버에 상대이동 가능하게 설치되고,
   상기 제2스토퍼의 캔틸레버에 대한 상대위치를 록킹시켜 주기 위한 록킹수단;을 포함하며,
   상기 록킹수단은, 상기 캔틸레버에서 상기 제1스토퍼를 향하는 방향으로 간격을 형성하며 복수로 마련된 위치고정홈; 및 상기 위치고정홈의 반대쪽에 배치되고, 상기 상대이동하는 제2스토퍼에 탄성력을 가해 상기 제2스토퍼의 위치고정홈에 대한 이탈을 방지하고, 상기 제2스토퍼에 상기 탄성력보다 큰 힘이 가해진 경우 압축되어 상기 제2스토퍼의 위치고정홈에 대한 이탈을 가능하게 하는 탄성부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 와류 유발 진동에 기반한 주파수 튜닝 에너지 수확기.
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