KR20130095926A - 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 - Google Patents

스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20130095926A
KR20130095926A KR1020120017340A KR20120017340A KR20130095926A KR 20130095926 A KR20130095926 A KR 20130095926A KR 1020120017340 A KR1020120017340 A KR 1020120017340A KR 20120017340 A KR20120017340 A KR 20120017340A KR 20130095926 A KR20130095926 A KR 20130095926A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spring
vortex
variable
pivot
variable length
Prior art date
Application number
KR1020120017340A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101300480B1 (ko
Inventor
최종수
홍섭
김형우
여태경
Original Assignee
한국해양과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국해양과학기술원 filed Critical 한국해양과학기술원
Priority to KR1020120017340A priority Critical patent/KR101300480B1/ko
Priority to PCT/KR2013/001024 priority patent/WO2013125805A1/ko
Publication of KR20130095926A publication Critical patent/KR20130095926A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101300480B1 publication Critical patent/KR101300480B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/26—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy
    • F03B13/262—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using tide energy using the relative movement between a tide-operated member and another member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G1/00—Spring motors
    • F03G1/06—Other parts or details
    • F03G1/10—Other parts or details for producing output movement other than rotary, e.g. vibratory
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/97—Mounting on supporting structures or systems on a submerged structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/50—Kinematic linkage, i.e. transmission of position
    • F05B2260/502—Kinematic linkage, i.e. transmission of position involving springs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Oceanography (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동에 의해 가진되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하고, 상기 스프링의 타단이 고정되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 {Variable radius-of-spring-force type simple reciprocating pivot-rotational vortex induced vibration energy extraction device}
본 발명은 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 관한 것으로서, 유속과 와류발생실린더간의 상호작용에 의한 자연현상인 와유기진동(Vortex Induced Vibration)을 이용하는 VIV 발전시스템 중에서도 특히, 스프링 작용 반경을 변경시켜 와유기 진동(VIV) 발전시스템의 고유진동수를 변화시켜 모든 유속에서 공진이 발생하도록 하여 발전효율을 향상시켜 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.
또한, 발전기 시스템의 고유진동수는 일정하고, 유속은 변화하므로 모든 유속에서 공진이 발생하지는 않아 발전효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
즉, 자연에 존재하는 유체의 유동에너지는 항상 변화한다. 해양에서 가장 풍부한 유동에너지인 조석에 의한 조류에너지는 일(day), 월(month), 연(year)을 주기로 변화하며, 주변 지형조건에 따라 유동 방향도 함께 변화한다. 해류의 경우도 계절에 따라 크게 유속이 변화한다. 하천, 댐 등의 유동의 경우도 계절에 따른 그 변화폭은 큰 편이다. 이러한 유체 유동은 항상 변화하기 때문에, 유체 유동에너지를 효과적으로 이용하기 위해서는 이러한 변동에 대한 적극적인 대응하여야 하나, 종래에는 이러한 유속변화에 적극적으로 대응하여 발전효율을 향상시키는데에는 그 한계가 있었다.
본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체의 유속 변화에 대해 최대한의 에너지를 추출하기 위하여 장치의 고유진동수를 가변시키는데 그 목적이 있다.
유속 변화는 와류 가진 주파수의 변화로 연결되므로 공진을 발생시킬 수 있는 최적효율 유속 범위는 제한되므로, 본 특허에서 유속에 의해 가진되어 시스템이 공진되는 최적효율 유속 범위를 넓히기 위한 방안을 제안하는데 그 목적이 있다.
와유기진동발전장치는 유동속도에 비례하는 와류 분기 주파수와 장치의 고유진동수의 일치되는 공진현상을 이용하고, 공진현상이 발생되는 유속의 전후 일정범위에서는 일정한 가진주파수로 공진이 지속되는 위상잠김현상을 이용하나, 제한된 유속변화 범위를 범위나면 효율이 급격히 감소되므로, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 이러한 유속변화에도 효율을 유지하기 위해 고유진동수를 조절하는 방안을 제안하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 회전형VIV에너지추출장치의 등가탄성을 조절하는 방안으로서, 등가탄성을 조절하는 방법중 스프링작용중심(스프링작용점과 피봇링크 사이 거리)을 조절하는 방안을 제안하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서 제안한 스프링작용반경조절장치는 스프링작용점블록, 블록선형운동가이드, 선형액츄에이터 등의 3가지로 구성되며, 스프링작용점블록을 피봇링크내에서 블록선형운동가이드와 선형액츄에이터로 선형운동시키면서 스프링작용반경을 조절가능하다.
스프링작용반경조절장치를 통해 회전형VIV에너지추출장치의 등가탄성을 용이하게 조절할 수 있고, 이러한 회전형VIV에너지추출장치의 등가탄성조절을 통해 고유진동수를 조절할 수 있으며, 수동 또는 자동으로 고유진동수영역을 조절할 경우, 이를 통해 공진영역이 전 유속범위로 확대가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
즉, 유속 zero에서부터 최대 작동유속까지 에너지 추출범위를 확대할 수 있으므로 회전형VIV에너지추출장치의 운용효율이 향상되도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 여러 가지 정적평형이 변동될 요인이 있더라도 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 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동에 의해 가진되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하고, 상기 스프링의 타단이 고정되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가변길이조절부재는 길이가변가이드 및 스프링 부착부를 포함하고, 상기 길이가변가이드를 따라 상기 스프링 부착부가 이동가능하며, 상기 스프링 부착부에 상기 스프링이 부착되어 상기 스프링 부착부의 이동에 따라 상기 스프링의 작용반경이 가변되는 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 가변길이조절부재에 연결된 스프링은 복수개이고, 상기 복수개의 스프링은 상기 지지대의 수직방향을 상기 가변길이조절부재를 중심으로 나눌 때, 동일 수직선상의 서로 반대방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가변길이조절부재에 연결된 스프링은 복수개이고, 상기 복수개의 스프링은 상기 가변길이조절부재의 길이방향을 따라 상기 피봇축과 서로 반대방향에 위치하되, 상기 지지대를 상기 가변길이조절부재로 분할할 때, 동일 수직평면상에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동에 의해 가진되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지되는 지지대; 및 상기 지지대에 슬라이딩 가능하여 연결되며, 상기 스프링의 타단이 연결된 스프링 연결블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가변길이조절부재는 길이가변가이드 및 스프링 부착부를 포함하고, 상기 길이가변가이드를 따라 상기 스프링 부착부가 이동가능하며, 상기 스프링 부착부에 상기 스프링이 부착되어 상기 스프링 부착부의 이동에 따라 상기 스프링의 작용반경이 가변되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고, 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 길이가변가이드 및 상기 스프링 부착부를 포함하는 상기 가변길이조절부재는 상기 지지대의 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 물의 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하고, 상기 스프링의 타단이 고정되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 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 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재를 조절하여 상기 스프링의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계; 및 상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 물의 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지되는 지지대; 및 상기 지지대에 슬라이딩 가능하여 연결되며, 상기 스프링의 타단이 연결된 스프링 연결블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 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 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재를 조절하여 상기 스프링의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계; 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계; 및 상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 스프링작용반경조절장치를 통해 회전형VIV에너지추출장치의 등가탄성을 용이하게 조절할 수 있다. 이러한 회전형VIV에너지추출장치의 등가탄성조절을 통해 고유진동수를 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수동 또는 자동으로 고유진동수영역을 조절할 경우, 이를 통해 공진영역이 전 유속범위로 확대된다. 즉, 유속 zero에서부터 최대 작동유속까지 에너지 추출범위를 확대하는 효과가 있다.
이러한 공진영역의 확대를 통해 회전형VIV에너지추출장치의 유동 에너지 추출효율(1차 변환 효율)을 향상시키는 효과가 있다.
도 14와 도 15는 각각 스프링작용반경을 조절하지 않은 종래의 경우와 본 발명을 통해 스프링작용반경을 조절하는 경우의 효과를 비교한 것으로서, 종래의 고효율구간에 비해 고효율구간이 많이 증가함을 알 수 있다.
따라서, 회전형VIV에너지추출장치의 운용효율 향상이 기대된다.
한편, 와유기진동발전장치는 예기치 않는 극단적인 빠른 유속에서 환산속도의 증가로 와유기 분기 가진진동수가 공진영역에서 멀어져서 장치자체가 보호되는 특성이 있다. 도 14와 도 15에서 알 수 있듯이 본 발명에서도 종래의 장치가 가지고 있는 자체보호특성이 그대로 유지되어, 예상보다 빠른 유속에서 장치 스스로 보호가 되는 효과가 기대된다.
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 회류수조에서 회전형VIV에너지추출장치의 모형 실험한 결과이다.
도 3은 회전형VIV에너지추출장치의 개념도이고, 도 4는 회전형VIV에너지추출장치의 고유진동수를 구하기 위한 자유물체도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 6은 도5에서의 길이가변부재를 나타내는 a 부분의 확대도이다.
도 7은 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 A-A 절단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 A-A 절단면도의 b부분 확대도이다.
도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 11(a) 내지 도 11(c)는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 가변길이조절부재의 이동에 따른 고유진동수 변화를 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 14는 스프링작동반경을 조절하지 않을 경우의 회전형VIV에너지추출장치의 유속에 대한 효율도이다.
도 15는 본 발명에 따라 스프링작동반경을 조절할 경우 회전형VIV에너지추출장치의 유속에 대한 효율도이다.
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.
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.
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 공진이 되는 비선형 공진현상이 발생하고, 이러한 비선형 공진현상을 위상잠김(Lock-in)이라고 한다.
본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 구조물을 지나가는 유체 유동의 위상잠김이라는 비선형 공진현상을 이용하는 기술인 것이다.
다음과 같은 수학식 3의 환산속도(reduced velocity)라는 무차원수는 회전형VIV에너지추출장치의 효율에 영향을 주는 가장 중요한 요소중 하나이다.
Figure pat00003
여기서 U는 유속 [m/s], fn은 회전형VIV에너지추출장치의 고유진동수 [Hz], D는 연결부재의 대표길이[m]를 나타낸다.
이러한 환산속도는 보통 5 근처에서 최적이며, 장치의 사양에 따라 3~8사이 근처에서 최적점이 존재한다.
통상적으로 효율이 최대가 되는 환산속도(최적 환산속도)를 중심으로 근처에서는 에너지추출효율이 우수하고, 그 값에서 많이 벗어날수록 회전형VIV에너지추출장치의 효율은 감소한다.
회전형VIV에너지추출장치의 D가 선정되면 목표유속(Ut)에서 최대효율이 결정되도록 적절한 fn이 결정된다.
종래에서는 이러한 fn이 초기 설치단계에서 고정되어, 목표유속에서 많이 벗어날수록 효율은 급격히 감소하는 단점이 있다.
UR이 회전형VIV에너지추출장치의 효율을 결정하는 인자중 하나이고 그 경향성은 도 1에서 확인가능하다.
도 2는 회류수조에서 회전형VIV에너지추출장치의 모형 실험한 결과이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 직경 125 mm이고 길이가 510 mm인 부드러운 표면의 원형단면 실린더를 회전반경(회전중심에서 실린더 중심사이 거리) 188 mm에서 환산속도(UR)를 변경하면서 기계적 에너지를 나타낸 결과, 가장 높은 효율은 21 %로 환산속도 4.8에서 관찰되었다. 이때 부하저항은 100Ω이고 고유진동수는 0.56 Hz이었다.
도 2에서 관찰된 바와 같이, 유속 변화에 비례하여 회전형VIV에너지추출장치의 고유진동수를 변경할 수 있으면, 수학식 3의 환산속도를 유속변화에도 일정하게 유지할 수 있고, 따라서 모든 유속에서 공진이 발생되어, 회전형VIV에너지추출장치의 효율이 극대화 될 수 있다.
도 3은 회전형VIV에너지추출장치의 개념도이고, 도 4는 고유진동수를 구하기 위한 자유물체도이다.
도 3 및 4의 회전형VIV에너지추출장치의 자유물체도에 따라 회전형VIV에너지추출장치를 1 자유도 운동시스템으로 상미분방정식으로 모델링하여 다음의 수학식 4와 같은 관계를 얻을 수 있었다.
Figure pat00004
여기서, B는 와유기진동실린더의 부력, m은 와유기진동실린더의 질량, ma는 와유기진동실린더의 부가질량계수, g는 중력가속도, k는 스프링상수, a는 실린더회전반경(회전중심(o)에서 와유기진동실린더 중심까지의 거리), b는 스프링작용반경(회전중심(o)에서 스프링작용점까지의 거리), l0는 스프링의 초기길이, l1와 l2는 각각 반시계방향모멘트스프링과 시계방향모멘트스프링의 초기장력세팅길이, θ는 평형위치기준 운동각 등을 나타낸다.
수학식 4를 얻는 데 적용된 가정은 다음과 같다.
- 피봇링크와 스프링의 무게는 무시한다. 와유기진동실린더가 피봇링크와 스프링 무게에 비하여 무겁기 때문에 그 무게는 무시할 수 있다.
- 스프링은 인장코일스프링을 2개 이상 적용하여 스프링장력조절을 통해 무게균형을 이룰 수 있도록 한다. 여기에 사용될 수 있는 스프링은 인장코일스프링, 압축코일스프링, 판스프링 등 스프링 작용점의 변경이 용이한 스프링이 적용될 수 있다. 이러한 스프링들은 동일한 수치모델링이 되므로 가장 대표적인 인장코일스프링을 적용하는 것으로 가정한다.
- 사용된 스프링의 스프링상수는 모두 동일하다. 다양한 스프링상수의 조합이 들어갈 수 있으나, 본 발명에서는 모든 스프링의 스프링상수가 동일하다고 가정한다.
- 스프링 자유길이(l0)가 b보다 충분히 길어서, 피봇링크의 회전에 의한 스프링력 작용방향의 변화는 무시한다.
- 스프링, 회전베어링, 구조물 응력 히스테리시스 등의 구조댐핑과 유체역학적 외력에 의한 댐핑은 해석의 편의를 위해 무시한다.
- 전체 운동이 비교적 작다고 가정하여,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
의 관계를 이 용한다.
이러한 가정들을 통해, 선형화된 운동방정식을 수학식 5를 얻을 수 있다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
이다.
수학식 5의 선형화된 운동방정식으로부터 다음과 같은 비감쇄 고유진동수를 얻을 수 있다.
즉, 스프링상수(k), 스프링작용반경(b)를 증가시키거나 와유기진동실린더 질량(m)과 수중 부가질량(ma), 실린더회전반경(a)를 감소시키면 고유진동수가 증가한다. 특히, 실린더회전반경(a)에 대한 스프링작용반경(b)의 비(
Figure pat00010
)에 비례하여 고유진동수가 증가한다.
한편, 스프링 등가탄성(K)은 스프링 자체 탄성(스프링상수, k)와 스프링작용반경(b)의 제곱에 비례하고, 등가탄성(K)과 등가관성(M)을 조절하여 고유진동수를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 스프링작용반경(b)를 가변시켜 전체의 탄성을 변화시킴으로써, 회전형VIV에너지추출장치의 고유진동수를 효과적으로 제어하여 발전효율을 향상시키기 위한 것이다.
즉, 유속의 변화에 대응하여 스프링 작용점을 변화시킴으로써, 와유기진동 에너지 추출 장치의 고유진동수영역을 조절할 경우, 이를 통해 공진영역이 전 유속범위로 확대되고, 공진이 지속적으로 유발됨으로써, 에너지 추출 효율이 향상된다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이며, 도 6은 도5에서의 길이가변부재를 나타내는 a 부분의 확대도이며, 도 7은 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 A-A 절단면도이고, 도 9는 A-A 절단면도의 b부분 확대도이다.
도 5 내지 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 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), 가변길이조절부재(400), 발전장치(500), 지지대(600), 및 스프링(700)을 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(500)로 전달되어 와유기 진동운동은 전기 에너지로 변환된다.
피봇축(300)에는 가변길이조절부재(400)가 고정연결되고, 가변길이조절부재(400)를 통해 피봇축(300)이 발전장치(500)와 연결된다.
가변길이조절부재(400)의 일실시예가 도 9에 도시되어 있다.
도 9은 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 가변길이조절부재의 확대도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 가변길이조절부재(400)의 양측으로 피봇축(300)이 돌출고정되어 연결부재(200)와 발전장치(500)를 연결하고, 피봇축(300)의 회전이 발전장치(500)에 전달되게 된다.
즉, 가변길이조절부재(400)도 피봇축(300)을 중심으로 같이 회전하는 형태이다.
가변길이조절부재의 실시예가 도 9에 한정되는 것은 아니며, 피봇축(300)이 가변길이조절부재(400)를 관통하여 통과한다고 하더라도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
발전장치(500)는 지지대(600)에 고정되고, 지지대(600)는 바다 또는 하천의 저면부에 고정설치되어, 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 고정하게 된다.
도 6 및 9에 도시된 바와 같이, 가변길이조절부재(400)에는 길이가변가이드(410)가 형성되고, 길이가변가이드(410)를 따라 이동가능한 스프링 부착부(420)를 포함하며, 스프링 부착부(420)의 일측에는 스프링(700)이 부착되어, 스프링작용반경(b)을 변화시킬 수 있다.
즉, 가변길이조절부재(400)는 길이가변가이드(410) 및 스프링 부착부(420)를 포함하고, 가변길이조절부재(400)의 양측에는 피봇축(300)이 연결되어 있으며, 가변길이조절부재(400)의 중앙에는 길이가변가이드(410)가 고정되며, 길이가변가이드(410)를 따라 스프링 부착부(420)가 이동가능하고, 스프링 부착부(420)에 부착된 스프링(700)도 길이가변가이드(410)를 따라 이동되므로, 스프링의 작용반경(b)이 가변가능한 것이다.
스프링의 작용반경(b)을 변화시킴으로써, 이미 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 고유진동수를 가변가능하고, 유속에 따라 고유진동수를 가변시켜 공진이 발생하도록 하여 발전장치(500)에서 발전가능한 최대의 운동에너지를 추출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 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 상태이며, 와류발생실린더(100)의 상하진동운동이 연결부재(200) 하나만을 거친후, 피봇축(300)을 통해 곧바로 발전장치(400)에서 전기 에너지로 변환되므로 에너지 손실이 최소화된다.
도 10(a) 내지 도 10(b)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 10(a) 내지 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 스프링(700) 및 스프링 연결블록(800)을 포함한다.
스프링(700)은 가변길이조절부재(400)의 스프링 부착부(420)에 그 일단이 연결되고, 타단은 지지대(600)에 직접 연결되거나, 스프링 연결블록(800)에 연결되며, 복수개 설치된다.
도 10(a) 내지 도 10(b)에서는 스프링(700)의 타단이 스프링 연결블록(800)에 연결된 실시예만 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 스프링(700)의 타단이 지지대(600)에 직접 연결되어도 무방하다.
도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 스프링 연결블록(800)에 스프링(700)을 연결하는 경우, 스프링 연결블록(800)은 지지대(600)에 슬라이딩 가능하게 설치되어 지지대(600)를 따라 상하이동되고, 일정 높이에서 고정가능하다.
이와 같이, 스프링(700)의 타단을 스프링 연결블록(800)에 고정시킴으로써, 스프링 연결블록(800)의 상하 이동을 통해 스프링(700)의 길이를 가변할 수 있고, 스프링(700) 길이의 가변을 통해 스프링(700)의 장력을 조절할 수 있다.
스프링(700)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(600)에는 스프링 연결블록(800)을 상하 슬라이딩하는데 가이드를 도와주는 가이드(810)가 지지대(600)의 길이방향으로 설치되고, 스프링 연결블록(800)은 가이드(810)를 따라 상하이동한다.
가이드(710)는 LM가이드, 볼부싱 가이드 등 선형운동이 가능한 다양한 형태의 가이드가 사용될 수 있고, 구동기에 의해 스프링 연결블록(800)이 상하이동가능하다.
지지대(600)는 커버부를 포함하여, 스프링 연결블록(800), 스프링(700), 가이드(810), 구동기 및 길이가변가이드(410) 및 스프링 부착부(420)를 포함하는 가변길이조절부재(400)가 지지대(600) 내부에 포함되고, 커버부에 의해 지지대(600)를 커버하여 물과 수밀되도록 한다.
복수개의 스프링(700)은 도 10(a)와 같이, 복수개의 스프링(700)은 지지대(600)의 수직방향을 가변길이조절부재(400)를 중심으로 나눌 때, 동일 수직선상의 서로 반대방향에 위치하여, 윗쪽 스프링(700)은 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 아랫쪽 스프링(700)은 시계방향 모멘트를 발생시킨다.
이와 유사하게 도 10(b)와 같이, 복수개의 스프링(700)은 가변길이조절부재(400)의 길이방향을 따라 피봇축(300)의 양측에 서로 반대방향에 위치하되, 지지대(600)를 가변길이조절부재(400)로 분할할 때, 동일 수직평면상에 위치하여, 왼쪽에 위치한 스프링(700)은 시계방향 모멘트를 발생시키고, 오른쪽에 위치한 스프링(700)은 반시계방향 모멘트를 발생시킨다.
즉, 도 10(a)는 두 개의 스프링(700)이 피봇축(300)을 중심으로 수직상방, 수직하방쪽에 배열되고, 도 10(b)는 두 개의 스프링(700)이 피봇축(300)을 중심으로 왼쪽, 오른쪽에 위치된다.
도 10(a)는 복수개의 스프링(700)이 동일 수평방향에 연결되고, 지지대(500)의 수직방향을 가변길이조절부재(400)를 중심으로 나눌 때, 가변길이조절부재(400)에 서로 반대의 수직방향에 위치되도록 배열되어, 수직 상방에 위치한 스프링(700)은 가변길이조절부재(400) 및 연결부재(200)에 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 수직하방에 위치한 스프링(700)은 시계방향 모멘트를 발생시켜 서로 균형을 형성하도록 한다.
도 10(b)의 오른쪽에 위치한 스프링(700)은 가변길이조절부재(400) 및 연결부재(200)를 반시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시키는 스프링이고, 왼쪽에 위치한 스프링(700)은 가변길이조절부재(400) 및 연결부재(200)를 시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시켜, 모멘트 균형을 두 개의 스프링(700)을 통해 조절가능하다.
본 발명에 따른 스프링(700)은 인장코일스프링, 압축코일스프링, 판스프링 등 다양한 형태의 스프링이 적용가능하다.
도 11(a) 내지 도 11(c)는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 가변길이조절부재의 이동에 따른 고유진동수 변화를 나타낸다.
도 11(a) 내지 도 11(c)에 도시된 바와 같이, 가변길이조절부재(400)의 길이가변가이드(410)를 따라 스프링 부착부(420)가 좌우이동가능하고, 스프링 부착부(420)에 부착된 스프링(700)도 좌우로 일단이 이동되면서, 스프링 작용반경(b)이 변화하게 된다.
이를 통해 , 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 고유진동수를 가변가능하다.
도 11(a)는 스프링작용반경이 제로(zero)인 상태이다. 즉, 스프링작용점인 피봇축(300)과 스프링(700)의 일단이 가변길이조절부재(400)와 연결된 회전중심이 동일하게 될 경우이다.
이렇게 되면, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 강성이 없는 상태가 되고, 스프링(700)이 더 이상 역할을 하지 않은 상태로서 고유진동수(fn)이 0인 상태가 된다.
도 11(b)는 기준 스프링작용반경 상태이고, 도 11(c)는 스프링작용반경이 최대인 상태이다. 즉, 스프링력이 최대가 되어 고유진동수가 가장 높아진 상태이므로, 최대 작동 유속상태에서 공진을 발생시키기 위한 세팅 상황을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 물의 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)에 고정형성된 가변길이조절부재(400); 상기 가변길이조절부재(400)의 일단이 연결된 스프링(700); 상기 와류발생실린더(100)의 상하운동이 상기 피봇축(300)을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치(500); 및 상기 발전장치(500)를 고정지지하고, 상기 스프링(700)의 타단이 고정되는 지지대(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계(S100), 바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축(300)을 회전시키는 피봇축 회전단계(S200); 상기 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재(400)를 조절하여 상기 스프링(700)의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계(S300); 및 상기 피봇축(300)에 연결된 상기 발전장치(500)에서 상기 피봇축(300)의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계(S400)를 포함한다.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 물의 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)에 고정형성된 가변길이조절부재(400); 상기 가변길이조절부재(400)의 일단이 연결된 스프링(700); 상기 와류발생실린더(100)의 상하운동이 상기 피봇축(300)을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치(500); 상기 발전장치(500)를 고정지지되는 지지대(600); 및 상기 지지대(600)에 슬라이딩 가능하여 연결되며, 상기 스프링(700)의 타단이 연결된 스프링 연결블록(800)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계(S100); 바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축(300)을 회전시키는 피봇축 회전단계(S200); 상기 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재(400)를 조절하여 상기 스프링(700)의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계(S300); 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록(800)을 상기 지지대(600)를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링(700)의 장력을 변화시키는 장력조절단계(S350); 및 상기 피봇축(300)에 연결된 상기 발전장치(500)에서 상기 피봇축(300)의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계(S400)를 포함한다.
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: 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치
100: 와류발생실린더 200: 연결부재
300: 피봇축 400: 가변길이조절부재
410: 길이가변가이드 420: 스프링 부착부
500: 발전장치 600: 지지대
700: 스프링 800: 스프링 연결블록
810: 가이드
S100: 설치단계 S200: 피봇축 회전단계
S300: 스프링 작용반경 조절단계 S350: 장력조절단계
S400: 발전단계

Claims (13)

  1. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 스프링 작용반경 가변형 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 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재;
    상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링;
    상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동에 의해 가진되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및
    상기 발전장치를 고정지지하고, 상기 스프링의 타단이 고정되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변길이조절부재는 길이가변가이드 및 스프링 부착부를 포함하고,
    상기 길이가변가이드를 따라 상기 스프링 부착부가 이동가능하며,
    상기 스프링 부착부에 상기 스프링이 부착되어 상기 스프링 부착부의 이동에 따라 상기 스프링의 작용반경이 가변되는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 와류발생실린더는 원통형 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재가 회전운동되고 하중이 지지되도록 상기 피봇축은 외주면에 복수개의 베어링이 배열된 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변길이조절부재에 연결된 스프링은 복수개이고,
    상기 복수개의 스프링은 상기 지지대의 수직방향을 상기 가변길이조절부재를 중심으로 나눌 때, 동일 수직선상의 서로 반대방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가변길이조절부재에 연결된 스프링은 복수개이고,
    상기 복수개의 스프링은 상기 가변길이조절부재의 길이방향을 따라 상기 피봇축과 서로 반대방향에 위치하되, 상기 지지대를 상기 가변길이조절부재로 분할할 때, 동일 수직평면상에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  7. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 스프링 작용반경 가변형 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 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재;
    상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링;
    상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동에 의해 가진되는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지되는 지지대; 및
    상기 지지대에 슬라이딩 가능하여 연결되며, 상기 스프링의 타단이 연결된 스프링 연결블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가변길이조절부재는 길이가변가이드 및 스프링 부착부를 포함하고,
    상기 길이가변가이드를 따라 상기 스프링 부착부가 이동가능하며,
    상기 스프링 부착부에 상기 스프링이 부착되어 상기 스프링 부착부의 이동에 따라 상기 스프링의 작용반경이 가변되는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고,
    슬라이딩에 의해 상기 스프링의 길이를 조절하여, 상기 스프링의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  10. 제8항에 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 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 지지대는 커버부를 포함하여,
    상기 스프링 연결블록, 상기 스프링, 상기 가이드, 상기 길이가변가이드 및 상기 스프링 부착부를 포함하는 상기 가변길이조절부재는 상기 지지대의 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  12. 물의 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하고, 상기 스프링의 타단이 고정되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 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 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재를 조절하여 상기 스프링의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계; 및
    상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.
  13. 물의 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축에 고정형성된 가변길이조절부재; 상기 가변길이조절부재의 일단이 연결된 스프링; 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지되는 지지대; 및 상기 지지대에 슬라이딩 가능하여 연결되며, 상기 스프링의 타단이 연결된 스프링 연결블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 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 유속에 따라 공진이 발생하도록 상기 가변길이조절부재를 조절하여 상기 스프링의 작용반경을 조절하는 스프링 작용반경 조절단계;
    정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계; 및
    상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.
KR1020120017340A 2012-02-21 2012-02-21 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 KR101300480B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120017340A KR101300480B1 (ko) 2012-02-21 2012-02-21 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치
PCT/KR2013/001024 WO2013125805A1 (ko) 2012-02-21 2013-02-08 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120017340A KR101300480B1 (ko) 2012-02-21 2012-02-21 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130095926A true KR20130095926A (ko) 2013-08-29
KR101300480B1 KR101300480B1 (ko) 2013-08-30

Family

ID=49005945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120017340A KR101300480B1 (ko) 2012-02-21 2012-02-21 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101300480B1 (ko)
WO (1) WO2013125805A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018124352A1 (ko) * 2016-12-30 2018-07-05 김종근 변위증폭장치
KR20190135162A (ko) * 2018-05-28 2019-12-06 세메스 주식회사 정반 구조물 및 이를 이용한 본딩 헤드의 기울기 조절 방법
CN113267303A (zh) * 2021-04-01 2021-08-17 浙江大学 一种剪切流下立管涡激振动测试装置
CN113982815A (zh) * 2021-10-29 2022-01-28 江苏科技大学 一种适用于海洋的涡激振动发电装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104713697B (zh) * 2015-03-26 2017-06-13 天津大学 一种适用于涡激振动试验系统的刚度变化装置及方法
CN108678895B (zh) * 2018-06-06 2020-02-07 中国海洋大学 动态可调刚度涡激振动潮流能转换装置及其控制方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7493759B2 (en) * 2004-11-15 2009-02-24 The Regents Of The University Of Michigan Fluid motion energy converter
KR101239053B1 (ko) * 2006-05-08 2013-03-04 김변수 해양 에너지를 이용한 발전 장치
JP4923245B2 (ja) * 2006-06-30 2012-04-25 国立大学法人長岡技術科学大学 流体による振動発電装置
KR101061824B1 (ko) * 2009-02-12 2011-09-05 한국해양연구원 Ｖｉｖ 이용 친환경 청정에너지 추출장치
KR101188617B1 (ko) * 2010-04-23 2012-10-09 한국해양연구원 다자유도 와유기진동 청정에너지 추출장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018124352A1 (ko) * 2016-12-30 2018-07-05 김종근 변위증폭장치
KR20190135162A (ko) * 2018-05-28 2019-12-06 세메스 주식회사 정반 구조물 및 이를 이용한 본딩 헤드의 기울기 조절 방법
CN113267303A (zh) * 2021-04-01 2021-08-17 浙江大学 一种剪切流下立管涡激振动测试装置
CN113982815A (zh) * 2021-10-29 2022-01-28 江苏科技大学 一种适用于海洋的涡激振动发电装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013125805A1 (ko) 2013-08-29
KR101300480B1 (ko) 2013-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101284106B1 (ko) 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 및 이를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법
KR101300480B1 (ko) 스프링 작용반경 가변형 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치
CA2670311C (en) A completely submerged wave energy converter
EP2356332B1 (en) Wave energy converter
US8956103B2 (en) Hydroelectricity generating unit capturing marine wave energy and marine current energy
US8937395B2 (en) Ocean floor mounting of wave energy converters
KR101188617B1 (ko) 다자유도 와유기진동 청정에너지 추출장치
KR101309124B1 (ko) 평행사변형 사절기구와 와유기진동에 의한 양력발전장치
CN104968930B (zh) 能量转换器和能量转换系统
CN202612004U (zh) 一种可抗强风的风力发电机桨叶
Dinh et al. On the modeling of spar-type floating offshore wind turbines
CN107201991B (zh) 一种新型海上风力机浮式平台
JP6001732B1 (ja) 流体利用による双安定型非線形振り子発電機
Chandrasekaran et al. DEEP OCEAN WAVE ENERGY SYSTEMS: EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS.
Castellucci Sea level compensation system for wave energy converters
Rony et al. Numerical investigation of offshore wind turbine combined with wave energy converter
Tom et al. Submerged pressure differential plate wave energy converter with variable geometry
JP2014511974A (ja) 運動をエネルギーに変換する装置および方法
JP7329050B2 (ja) 電力を生成するための水中発電所
CN109812374B (zh) 一种内置双摆主动共振振荡浮子式波能装置
Santos et al. Floating offshore wind turbines: Controlling the impact of vibrations
KR101960705B1 (ko) 가변 강성을 가진 파력발전기
Bozzetto Modelling, control and performance assessment of a wave energy converter equipped with an all-electric power take-off
Costanzo et al. Design of a Novel Concept for Harnessing Tidal Stream Power
Howlader et al. Oceanic Wave Energy Devices

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160630

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170703

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180702

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190625

Year of fee payment: 7