KR20130059915A - 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 및 이를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법 - Google Patents

단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 및 이를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 {Simple reciprocating pivot-rotational vortex induced vibration energy extraction device}
본 발명은 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 관한 것으로서, 유속과 와류발생실린더간의 상호작용에 의한 자연현상인 와유기진동(Vortex Induced Vibration)을 이용함으로써, 수중생물에 대한 위험도가 없어 자연생태계의 파괴를 막고, 온실가스 배출이 전혀 없어 대체에너지 개발 방법에 매우 유용하게 사용되는 ＶＩＶ 이용 친환경 청정에너지 추출장치에 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.
종래의 이러한 발전 중에서, 조류, 해류, 하천유동 등의 유체 유동에너지를 전기, 유압, 기계 에너지와 같은 유용한 에너지로 변환하는 기술은 오염원을 추가적으로 발생시키지 않은 청정에너지로서, 설치 및 운용시 환경에 영향이 최소화되는 친환경 에너지 기술이다.
해류발전은 날씨의 변화와 상관없이 계속적인 발전이 가능한 것과 동시에 오염이 없는 청정 에너지원을 이용한다는 측면에서 다른 발전시스템 보다 유리하나, 회전수차 방식의 다양한 해류발전 시스템이 대부분이고, 회전수차 방식의 해류발전장치는 수차의 회전에 의해 수중생물의 피해가 발생하고, 그에 따라 자연파괴의 주범이 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하고자 대한민국 특허출원 제10-2009-0011395호의 "VIV이용 친환경 청정에너지 추출장치"가 제안되었으나, 복잡한 링크 구조로 인해 수중 장애물에 의해 기구부의 링크가 손상되거나, 링크에 부착되어 운동을 방해하고 고장의 우려가 크다.
또한, 유체 유동에너지를 기계에너지로 변환하는 와유기진동 실린더와 기계에너지를 다른 전기에너지로 변환하는 발전기의 사이에 복잡한 링크로 이루어진 기구에 의해 동력이 전달되므로 동력 손실이 큰 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 상하운동부재에 부착된 스프링의 경우, 초기에 고정되어 있으므로 장치의 정적평형에 영향을 주는 인자인 수중 장애물(쓰레기, 그물, 생물사체)등에 의한 무게 및 부력변동, 수중 생물체에 의한 무게 및 부력변동, 피봇링크의 제작과정의 오차, 노후화로 인한 스프링상수 변동과 같은 변화에 대응하지 못해 효과적인 공진이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 장애물(쓰레기, 그물, 생물사체 등)에 기인한 VIV에너지추출장치의 효율저하를 최소화하고, 단순한 구조를 적용하여 기계적/유체역학적 손실이 최소화하는데 그 목적이 있다.
또한, 여러 가지 정적평형이 변동될 요인에도 장치의 평형이 이루어질수 있도록 스프링의 장력조절 기능을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 수중 장애물에 의해 기구부의 링크가 손상 및 링크에 부착되어 운동을 방해하거나 고장을 일으킬 가능성이 상당히 높으므로, 링크부의 개수를 최소하여 고장 요인을 감소시키며 동력 손실을 줄이고, 스프링부를 지지대내에 삽입하여 장치의 내구성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 와류발생실린더는 원통형 실린더 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 연결부재가 회전운동되고 하중이 지지되도록 상기 피봇축은 외주면에 복수개의 베어링이 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 지지대에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 양 쪽으로 분할되어 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌때, 동일 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 동일 수평방향에 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌때, 서로 반대의 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 상기 피봇축에 고정된 스프링연결부재; 상기 스프링연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고, 상기 슬라이딩에 의해 상기 스프링의 길이를 조절하여, 상기 스프링의 장력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스프링 연결블록은 상기 지지대에 고정된 가이드를 따라 슬라이딩 가능하고, 상기 스프링의 상하이동을 통해 장력을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 상하구동시키는 구동기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 지지대는 커버부를 포함하여, 상기 스프링 연결블록, 상기 스프링, 상기 가이드, 상기 구동기는 상기 지지대 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 한다.
한편, 설치 위치나 조건에 따라 수밀이 아닌 외부의 큰 이물질의 유입만 방지하는 단순히 덮개기능만을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 복수개의 와류발생실린더; 복수개의 상기 와류발생실린더에 일단이 각각 고정된 복수개의 연결부재; 복수개의 상기 연결부재의 타단과 각각 결합된 복수개의 피봇축; 복수개의 상기 피봇축과 각각 연결되고, 복수개의 상기 와류발생실린더의 상하운동이 각각의 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 복수개의 스프링 연결블록; 복수개의 상기 피봇축에 각각 고정된 복수개의 스프링연결부재; 및 복수개의 상기 스프링연결부재의 각각에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계; 바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축을 회전시키는 피봇축 회전단계; 및 상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 기구의 링크중 피봇링크만 사용하고 스프링과 발전기를 수중에서 피봇링크에 직결하므로, 전체 관성이 줄어들어, 질량비(Mass ratio)를 낮출 수 있고 이를 통해 공진영역이 확대되는 효과가 있다.
또한, 링크의 개수가 최소화되어, 각 링크가 유체내에서 받을 유체역학적인 댐핑이 감소하고, 링크사이를 연결한 조인트의 개수가 줄어들어, 구조적(기계적) 댐핑도 감소하게 되므로, 동력손실을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 스프링을 지지대 내부에 위치하게 하여 외부의 장애물의 영향이 최소화하고, 장애물에 의해 영향을 받을 가능성이 최소화됨으로서, 장치의 내구성 향상 효과를 기대할 수 있다.
또한, 스프링의 장력을 조절함으로서, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정적평형인자인 와류발생실린더의 무게와 부력, 피봇링크의 길이, 스프링 작용반경, 스프링상수 등의 변화에 대해 대응함으로써, 최적의 공진 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래기술의 ＶＩＶ 이용 친환경 청정에너지 추출장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 연결블록의 높이 조절 원리를 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 대한 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
와유기진동(VIV: Vortex-Induced Vibration) 현상이란, 구조물을 지나가는 유동의 유체 와유기 박리에 의한 공진 현상을 이용한 기술로서, 와류발생에 따라 유동의 수직방향의 양력(lift force)이 구조물에 번갈아 작용하게 됨으로써 구조물은 유동과 수직방향으로 진동하게 되는 것을 와유기진동(VIV)이라 한다.
이때, 와유기진동(VIV)을 유발하는 양력의 변동주파수(fs)는 Strouhal 수(S)와의 상관관계에 의해 결정되고 이는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, S : Strouhal 수, U: 유속, D: 구조물 단면 직경
또한, 물체에 작용하는 양력(FL)은 아래의 수학식 2로 산출 가능하다.
Figure pat00002
여기서, ρ : 유체밀도, CL : 양력계수, ωs : 2πfs
이때, 구조물과 연결된 연결부재와 연결된 스프링에 의해 가지는 고유진동주파수(fn)와 양력의 변동주파수(fs)가 서로 비슷할 경우, 구조물의 진동은 공진현상을 보이게 되고, 유체 유동의 구조물에 대한 가진 에너지가 증가된다.
이러한 공진이 발생되는 지점에서는 유속이 어느 정도 변화하여도 동일한 와유기 박리 주파수로 계속하여 공진이되는 비선형 공진현상이 발생하고, 이러한 비선형 공진현상을 위상잠김(Lock-in)이라고 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 구조물을 지나가는 유체 유동의 위상잠김이라는 비선형 공진현상을 이용하는 기술인 것이다.
도 1은 종래기술의 ＶＩＶ 이용 친환경 청정에너지 추출장치를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 ＶＩＶ 이용 친환경 청정에너지 추출장치는 지렛대 반대 끝의 증속/감속의 기구를 통해 발전기와 연결되며, 복잡한 링크구조를 통해 공기중에 노출된 발전기까지 운동에너지가 전달되므로 에너지 손실이 크고, 복잡한 링크에 의한 링크구조물 파손의 취약점 및 수중 생물, 쓰레기등이 복잡한 링크 구조의 운동을 방해할 수 있는 여러 요인을 갖고 있었다.
도 2는 이러한 문제점을 극복하기 위해 제안된 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기 진동 에너지추출 장치(1)는 바다나 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 표면에서 발생되는 보오텍스(vortex) 박리에 따른 와류를 이용한 것으로서, 와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 및 지지대(500)를 포함한다.
와류발생실린더(100)는 원통형 실린더 형상이고, 와류발생실린더(100)와 연결부재(200)가 고정 결합되어 있다.
연결부재(200)의 일단은 와류발생실린더(100)와 고정결합되고, 타단은 피봇축(300)과 연결되어 있어서, 와류발생실린더(100)의 상하진동운동이 연결부재(200)에 전달되고, 연결부재(200)와 결합된 피봇축(300)이 회전하게 된다.
피봇축(300)과 연결부재(200)가 연결된 피봇축(200)의 외주면에는 복수개의 베어링이 적당 간격으로 배열되어 연결부재(200)가 원활히 회전운동하고 그 하중이 지지되도록 한다.
와류발생실린더(100)의 상하진동운동이 연결부재(200)를 통해 피봇축(300)을 회전시키고, 피봇축(300)과 연결된 발전장치(400)로 전달되어 와유기 진동운동은 전기 에너지로 변환된다.
발전장치(400)는 지지대(500)에 고정되고, 지지대(500)는 바다 또는 하천의 저면부에 고정설치되어, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기 진동 에너지추출 장치(1)를 고정하게 된다.
와류발생실린더(100)가 물속에 잠겨 있는 상태이고, 와류발생실린더(100)와 연결된 연결부재(200), 피봇축(300) 및 피봇축(300)을 통해 전달된 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치(400)도 모두 물속에 잠겨 있는 상태이고, 와류발생실린더(100)의 상하진동운동이 연결부재(200) 하나만을 거친후, 피봇축(300)을 통해 곧바로 발전장치(400)에서 전기 에너지로 변환되므로 에너지 손실이 최소화된다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 스프링(600)을 포함한다.
스프링(600)은 연결부재(200)에 그 일단이 연결되고, 타단은 지지대(500)에 연결되며, 복수개 설치된다.
복수개의 스프링(600)은 도 3(a) 및 도 3(b)와 같이, 피봇축(300)을 중심으로 연결부재(200)에 수평방향으로 양 쪽으로 분할되어 연결되고, 지지대(500)의 수직방향을 연결부재(200)를 중심으로 나눌때는 동일 수직방향에 위치한다.
즉, 도 3(a)는 두개의 스프링(600)이 피봇축(300)을 중심으로 왼쪽, 오른쪽에 배열되고, 도 3(a)는 두개의 스프링(600) 모두 수직 상방에 위치하며, 도 3(b)는 두 개의 스프링(600) 모두 수직 하방에 위치된다.
도 3(a)에서 오른쪽에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)를 반시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시키는 스프링이고, 왼쪽에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)를 시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시켜, 모멘트 균형을 두 개의 스프링(600)을 통해 조절가능하다.
도 3(b)의 경우에는 오른쪽에 위치한 스프링(600)이 시계방향 모멘트를 발생시키고, 왼쪽에 위치한 스프링(600)이 반시계방향 모멘트를 발생시켜 균형을 이루게 된다.
도 3(c) 및 도 3(d)는 복수개의 스프링(600)이 피봇축(300)을 중심으로 연결부재(200)에 동일 수평방향에 연결되고, 지지대(500)의 수직방향을 연결부재(300)를 중심으로 나눌 때, 서로 반대의 수직방향에 위치되도록 배열된다.
즉, 도 3(c)는 두 개의 스프링(600)이 피봇축(300)의 왼편에 둘 다 위치되고, 하나는 연결부재(200)를 기준으로 수직 상방에 위치하며, 다른 하나는 연결부재(200)를 기준으로 수직 하방에 위치한다.
수직 상방에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)에 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 수직하방에 위치한 스프링(600)은 시계방향 모멘트를 발생시켜 서로 균형을 형성하도록 한다.
반대로 도 3(d)와 같이 두 개의 스프링(600)이 피봇축(600)의 오른편에 위치한 경우는 수직하방에 위치한 스프링(600)이 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 수직상방에 위치한 스프링(600)이 시계방향 모멘트를 발생시킨다.
본 발명에 따른 스프링(600)은 인장코일스프링, 압축코일스프링, 판스프링 등 다양한 형태의 스프링이 적용가능하다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 링크 구조가 연결부재(200)만을 사용하고, 스프링(600)과 발전기(400)를 수중에서 연결부재(200)에 직결하는 특징이 있고, 이로 인해 전체 관성이 줄어들어, 질량비(Mass ratio)를 낮출 수 있다.
스프링(600)의 고유진동주파수(fn)와 와류발생실린더(100)의 양력의 변동주파수(fs)가 서로 비슷할 경우, 공진현상을 보이게 되어 운동에너지를 증가시킬 수 있는데, 결과적으로 질량비의 감소를 통해 공진영역이 확대됨으로써, 운동에너지의 증가를 기대할 수 있다.
질량비의 감소를 통한 공진영역 확대에 대해서는 R. Govardhan and C. H. K. Williamson, 2000, Modes of vortex formation and frequency response of a freeely vibrating cylinder, J. of Fluid Mech. V.420, pp.85-130.에 기재되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 지지대(500), 스프링(600), 스프링 연결블록(700), 및 스프링연결부재(800)를 포함한다.
와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 및 지지대(500)는 이미 설명한 바와 동일하고,
스프링(600)이 연결부재(200) 및 지지대(500)에 직접 연결되는 방식이 아닌 스프링 연결블록(700)과 스프링연결부재(800)에 연결된다는 점에서 구별된다.
또한 발전장치(400)는 지지대(500)에 직접 부착될 수도 있으나, 프레임(410)에 고정되어 프레임(410)이 지지대(500)에 고정될 수도 있고 이러한 부착방식은 예시에 지나지 않으므로 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 도 4의 본 발명에 따른 스프링 연결블록의 높이 조절 원리를 나타내는 확대도이다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 지지대(500)에는 슬라이딩 가능하게 스프링 연결블록(700)이 설치되어 지지대(500)를 따라 상하이동되고, 일정 높이에서 고정가능하다.
이와 같이, 스프링(600)의 일단을 스프링 연결블록(700)에 고정시킴으로써, 스프링 연결블록(700)의 상하 이동을 통해 스프링(600)의 길이를 가변할 수 있고, 스프링(600) 길이의 가변을 통해 스프링(600)의 장력을 조절할 수 있다.
스프링(600)의 장력을 조절하는 것은 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 설치시 또는 설치이후의 생물부착으로 인한 무게변화에도 평형위치가 유지될 수 있도록 하기 위함이다.
보다 구체적으로 지지대(500)에는 스프링 연결블록(700)을 상하 슬라이딩하는데 가이드를 도와주는 가이드(710)가 지지대(500)의 길이방향으로 설치되고, 스프링 연결블록(700)은 가이드(710)를 따라 상하이동한다.
또한, 스프링 연결블록(700)을 상하로 구동하기 위한 구동기(720)가 설치되며, 가이드(710)와 평행하게 설치되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
가이드(710)는 LM가이드, 볼부싱 가이드 등 선형운동이 가능한 다양한 형태의 가이드가 사용될 수 있으며, 구동기(720) 또한, 선형액츄에이터 또는 회전형액츄에이터와 기구의 혼합방식이 가능하며, 예를 들어, 전기방식 선형액츄에이터로서는 선형전기모터, 회전형전기모터와 스크류(전조나사)의 혼합을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 랙-피니언기어의 혼합을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 벨트/체인을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 슬라이드-크랭크를 통한 선형운동방식이 적용가능하고, 유압방식 선형액츄에이터로서는 유압실린더, 회전형유압모터와 스크류(전조나사)의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 랙-피니언기어의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 벨트/체인의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 슬라이드-크랭크의 혼합을 통한 선형운동 등이 가능하고 이에 한정되는 것은 아니다.
스프링(600)의 장력조절은 스프링(600)의 길이를 가변시키는 스프링(600)의 일단이 고정된 스프링 연결블록(700)에 의해 이루어지고, 스프링(600)의 타단은 피봇축(300)에 고정된 스프링연결부재(310)에 연결된다.
연결부재(200)와 일정간격 이격되어 피봇축(300)에 형성된 스프링연결부재(310)는 연결부재(200)보다 지지대(500)에 근접하여 위치하게 된다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 지지대(500), 스프링(600), 및 스프링 연결블록(700)을 포함하고, 도 4에서 스프링(600)의 일단이 스프링연결부재(310)에 연결되고, 타단이 스프링 연결블록(700)에 연결된 것과는 달리,
스프링(600)의 일단은 스프링연결부재(310)에 연결되고, 타단은 직접 연결부재(200)에 연결하여도 된다.
다만, 도 4의 실시예에서와 같이, 연결부재(200)에 직접 스프링(600)을 연결하지 않고, 지지대(500)와 보다 근접한 위치에서 피봇축(300)에 스프링연결부재(310)를 별도로 형성하고, 스프링연결부재(310)에 스프링(600)을 연결하는 것이 스프링(600)을 지지대(500) 내부에 위치시키고 스프링(600)이 물과 접촉하지 않도록 수밀시키는데 유리하고 이를 통해 수중 스프링 운동시 발생될 유체댐핑손실을 미연에 방지할 수 있으므로 스프링연결부재(310)를 피봇축(300)에 형성하는 것이 바람직하다.
지지대(500)는 커버부(510)를 포함하고, 지지대(500)의 내부에 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등을 설치가능하도록 수납공간이 확보되어 있다.
이러한 지지대(500)의 수납공간에 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등을 설치한 후, 커버부(510)로 지지대(500)를 수밀시킴으로써, 물과 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등이 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이는 스프링(600)을 지지대(500) 내부에 설치하여 커버부(510)로 수밀하는 것은 외부와 접촉을 차단하여 외부영향을 최소화하고 내구성을 향상시키고 수중 운동시 발생될 유체댐핑손실을 방지하기 위함이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 대한 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 복수개의 와류발생실린더(100), 복수개의 연결부재(200), 복수개의 피봇축(300), 복수개의 발전장치(400), 지지대(500), 복수개의 스프링(600), 복수개의 스프링 연결블록(700), 및 복수개의 스프링연결부재(800)를 포함하며, 복수개의 스프링(600)의 배열은 도 3에서와 같이 다양한 형태로 배열가능하다.
와류발생실린더(100)의 와유기진동 원리를 이용하여 발전을 한다는 점에서는 이미 설명한 바와 동일하고, 지지대(500)의 수직방향을 따라 복수개의 와류발생실린더(100)를 설치하고, 이에 대응되도록 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 스프링(600), 스프링 연결블록(700), 및 스프링연결부재(800)도 각각 복수개로 설치하여 발전효율을 향상시키는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도로서, 도 2에서는 발전기(400)가 지지대(500)의 외측에 위치했으나, 그 변형으로서, 발전기(400)가 지지대(500)의 내측에 위치하는 것을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더(100); 상기 와류발생실린더(100)에 일단이 고정된 연결부재(200); 상기 연결부재(200)의 타단과 결합된 피봇축(300); 상기 피봇축(300)과 연결되고, 상기 와류발생실린더(100)의 상하운동이 상기 피봇축(300)을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치(400); 상기 발전장치(400)를 고정지지하는 지지대(500); 상기 지지대(500)에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록(700); 및 상기 연결부재(200)에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록(700)에 연결된 복수개의 스프링(600)을 포함하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계(S100); 바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더(100)가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축(200)을 회전시키는 피봇축 회전단계(S200); 및 상기 피봇축(300)에 연결된 상기 발전장치(400)에서 상기 피봇축(300)의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계(S300)를 포함한다.
또한, 추가적으로, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 설치이후의 생물부착으로 인한 무게변화에도 평형위치가 유지될 수 있도록 상기 스프링 연결블록(700)을 상기 지지대(500)를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링(600)의 장력을 변화시키는 장력조절단계(S400)을 포함할 수도 있다.
또한, 장력조절단계(S400)는 초기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 설치단계(S100)에서 정적 평형을 위해 수행될 수도 있으므로, 설치단계(S100)와 피봇축 회전단계(S200) 사이에 위치할 수도 있다.
이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 와유기진동 에너지추출 장치 100: 와류발생실린더
200: 연결부재 300: 피봇축
310: 스프링연결부재 400: 발전장치
410: 프레임 500: 지지대
510: 커버부 600: 스프링
700: 스프링 연결블록 710: 가이드
720: 구동기 800: 스프링연결부재
S100: 설치단계 S200: 피봇축 회전단계
S300: 발전단계 S400: 장력조절단계

Claims (14)

  1. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서,
    상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더;
    상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재;
    상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축;
    상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와류발생실린더는 원통형 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재가 회전운동되고 하중이 지지되도록 상기 피봇축은 외주면에 복수개의 베어링이 배열된 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 지지대에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 양 쪽으로 분할되어 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌 때, 동일 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 동일 수평방향에 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌 때, 서로 반대의 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  7. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서,
    상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더;
    상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재;
    상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축;
    상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및
    상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  8. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서,
    상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더;
    상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재;
    상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축;
    상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록;
    상기 피봇축에 고정된 스프링연결부재;
    상기 스프링연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고,
    상기 슬라이딩에 의해 상기 스프링의 길이를 조절하여, 상기 스프링의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스프링 연결블록은 상기 지지대에 고정된 가이드를 따라 슬라이딩 가능하고,
    상기 스프링의 상하이동을 통해 장력을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 상하구동시키는 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 지지대는 커버부를 포함하여,
    상기 스프링 연결블록, 상기 스프링, 상기 가이드, 상기 구동기는 상기 지지대 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  12. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서,
    상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 복수개의 와류발생실린더;
    복수개의 상기 와류발생실린더에 일단이 각각 고정된 복수개의 연결부재;
    복수개의 상기 연결부재의 타단과 각각 결합된 복수개의 피봇축;
    복수개의 상기 피봇축과 각각 연결되고, 복수개의 상기 와류발생실린더의 상하운동이 각각의 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 복수개의 스프링 연결블록;
    복수개의 상기 피봇축에 각각 고정된 복수개의 스프링연결부재; 및
    복수개의 상기 스프링연결부재의 각각에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  13. 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계;
    바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축을 회전시키는 피봇축 회전단계;
    상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.














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