KR20130098962A - 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치에 관한 것으로, 하천이나 해양에서 발생되는 카르만볼텍스를 이용하여 자가발전 가능한 발전 장치를 구현함에 있어; 하천이나 해양에 세워 고정되는 고정대; 상기 고정대의 길이 일부에 설치되는 발전기; 상기 발전기를 감싸는 몸체, 상기 몸체로부터 수평하게 연장되고 상하로 서로 간격을 둔 한 쌍의 제1,2지지축을 갖는 회동대; 상기 회동대의 제1,2지지축 사이의 단부에 회전가능하게 회전축에 고정된 회전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 아주 간단한 구조이면서 소규모 설치가 가능한 자가발전장치를 구현하여 효과적인 대체 에너지 개발이 가능하고, 초기 설치 및 관리 유지비용이 적어 개발하기 용이한 효과를 얻을 수 있다.

Description

카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치{SELF GENERATOR USING KARMAN VORTEX}

본 발명은 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천이나 해양에서 관측되는 카르만볼텍스를 이용하여 자가발전 가능하게 함으로써 천연 자연에너지를 얻을 수 있도록 한 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치에 관한 것이다.

화석연료의 고갈은 전인류의 생존을 위협할 것으로 예측되어 많은 나라에서는 수많은 대체 에너지 개발에 집중하고 있다.

이러한 대체 에너지 개발은 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 방식으로 진행되고 있다.

하지만, 태양광, 풍력, 조력 모두 거대 발전단지를 필요로 한다는 점에서 개발상 한계에 부딪혀 있는 상태이고, 더구나 효율이 매우 낮다는 단점도 있다.

이와 관련하여, 우리나라의 지리적 특성상 조수간만의 차가 크다는 점을 고려하여 최근에는 조력발전에 많은 관심이 집중되고 있다.

한편, 종래에도 자가 발전과 관련하여, 공개특허 제2010-0006508호, 공개특허 제2011-0108485호, 공개특허 제2013-0080495호 등을 통해 압축공기를 이용한 자가발전시스템, 자기 발전형 모터를 구비한 풍력발전시스템, 압전소자를 활용한 자가발전시스템 등이 개시되어 왔다.

그럼에도 불구하고, 이들의 효율은 매우 낮고, 또한 대규모 설비를 구비해야 하는 등 많은 문제로 인해 아직까지 효과적인 자가발전시스템이 구축되고 있지는 못하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 한계점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 하천이나 해양에서 흔히 관측되는 카르만볼텍스 현상을 응용하여 자가발전시스템으로 접목 전환함으로써 효과적이면서 효율적인 발전장치를 구현하고, 이를 통해 대체 에너지로서 충분히 활용할 수 있도록 한 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 하천이나 해양에서 발생되는 카르만볼텍스를 이용하여 자가발전 가능한 발전 장치를 구현함에 있어; 하천이나 해양에 세워 고정되는 고정대; 상기 고정대의 길이 일부에 설치되는 발전기; 상기 발전기를 감싸는 몸체, 상기 몸체로부터 수평하게 연장되고 상하로 서로 간격을 둔 한 쌍의 제1,2지지축을 갖는 회동대; 상기 회동대의 제1,2지지축 사이의 단부에 회전가능하게 회전축에 고정된 회전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치를 제공한다.

이때, 상기 회전체는 유선형상을 갖고 좌우 비대칭형이며, 중앙을 중심으로 외측으로 볼록한 형태인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 회전체는 회전축을 중심으로 좌우 중량이 서로 다르게 구성된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 제1,2지지축의 각 단부에는 상기 회전축을 동축으로 하고, 상기 제1,2지지축과 동일한 형태를 갖는 다수의 지지축들이 연속적으로 동일한 구조로 더 연장 배열되고, 배열된 수만큼 회전체도 대응개수로 더 설치되며, 상기 회전축 상에는 회전식발전기가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 회전체의 표면에는 압전소자가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

나아가, 상기 제1,2지지축을 포함한 다수의 지지축들은 분절되고, 분절된 부분에는 링크된 관절부가 형성되며, 상기 관절부에는 압전소자가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 아주 간단한 구조이면서 소규모 설치가 가능한 자가발전장치를 구현하여 효과적인 대체 에너지 개발이 가능하고, 초기 설치 및 관리 유지비용이 적어 개발하기 용이한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자가발전장치의 제1실시예를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가발전장치의 제2실시예를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자가발전장치의 제3실시예를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

잘 알려진 바와 같이, 하천이나 해양에서는 카르만볼텍스(Karman Vortex)가 자주 관측되고 있는데, 이러한 카르만볼텍스는 유체의 밀도가 높기 때문에 발전설비를 만드는데 매우 유리하므로 본 발명자는 이를 착안점으로 하여 본 발명을 완성하게 되었다.

특히, 해양의 조류를 이용할 경우에는 하천과 달리 사계절에 따른 수위 변화가 적고 시간에 따른 조류방향에 맞춰 방향성만 유지된다면 지속적인 발전이 가능한 장점이 있다.

보통, 일정한 레이놀드수(Reynolds Number) 범위가 되면 흐르는 유체 중에 놓인 원통형의 물체로부터 와류 유출에 의해 주기적인 섭동 유동이 하류로 발달하는데, 이러한 와류시스템을 카르만 와열이라고 하며, 통상 카르만볼텍스란 흐름 안의 물체의 유역 뒤쪽 양끝에 규칙적이며 서로 반대방향인 소용돌이가 방출되고, 여기에 수반되어 물체에 대해 양력이 플러스 또는 마이너스로 되풀이 작용하는 현상이 발생하는 소용돌이를 말한다.

이때, 카르만볼텍스는 반복성을 갖고 후류로 갈수록 지속적으로 성장하기 때문에 이러한 규칙성과 성장 구조를 응용하여 발전설비를 제작할 수 있다.

후술되는 본 발명에 따른 제1,2,3실시예는 이와 같은 사항들을 총체적으로 파악하여 최적의 발전시스템을 갖출 수 있도록 구성된 것이다.

[제1실시예]

본 발명에 따른 자가발전장치의 제1실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 고정대(100)를 포함한다.

상기 고정대(100)는 하천 또는 해양에 수직하게 설치 고정되는 것으로, 일종의 축(Shaft)을 구성한다.

그리고, 상기 고정대(100)의 길이 일부에는 발전기(200)가 설치된다.

상기 발전기(200)는 내부에 전자기유도코일(210)과 영구자석(220)이 구비된 통상적인 구조이고, 회전에 따라 전기를 생산하는 수단이며, 도시하지는 않았지만 발전된 전기를 모을 수 있는 집전기 혹은 축전기가 연결될 수 있다.

아울러, 상기 발전기(200)의 외주면에는 회동대(300)가 구비된다.

상기 회동대(300)는 대략 'ㅑ' 형상으로 형성되는데, 상기 발전기(200)를 감싸는 형태로 고정되는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)의 일측으로부터 상하로 간격을 두고 뻗어 있는 한 쌍의 제1,2지지축(320,330)이 구비된다.

또한, 상기 제1,2지지축(320,330)의 단부에는 이들 사이에 배치되고, 회전될 수 있도록 축고정되는 회전체(400)가 마련된다.

이때, 상기 회전체(400)는 유선형상을 갖고 좌우 비대칭형이며, 중앙을 중심으로 외측으로 볼록한 형태를 갖는다.

특히, 상기 회전체(400)는 그 회전축(410)을 중심으로 좌우 중량이 서로 다르게 구성되게 하여 카르만볼텍스 발생시 신속하면서 민감하게 반응하도록 하여 쉽고 빠른 회동력이 발생하도록 구성된다.

다시 말해, 중량이 편심되어 있기 때문에 조그마한 외력이 가해져도 쉽게 균형이 무너지면서 회동가능한 상태를 유지하게 되어 발전 효율을 높이는데 매우 효과적이다.

이에 따라, 상기 회전체(400)가 카르만볼텍스에 의해 회전되면 이의 영향을 받는 제1,2지지축(320,330)이 회전하려고 하고, 이에 따라 몸체(310)가 고정대(100)를 축으로 하여 회전되게 된다.

그러면, 상기 몸체(310)가 고정된 발전기(200)가 회전되면서 결국 발전기능을 수행하게 되면, 이를 통해 전기를 생산하게 된다.

이를 자가발전기능이라고 보면 된다.

이후, 생산된 전기는 집전하여 활용처로 배전할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 제1실시예는 아주 간단하고 소규모의 발전설비를 카르만볼텍스에 응용하여 자가발전이 가능하게 구현될 수 있으며, 해양과 같은 곳에서는 상시 발전이 가능하므로 효율도 우수하다.

[제2실시예]

본 발명 제2실시예에 따른 자가발전장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1실시예에서 설명한 제1,2지지축(320,330)과 회전체(400)를 더 연결하여 다수개 구성한 것으로, 이를 테면 상기 제1,2지지축(320,330)에 회전가능하게 조립되는 회전체(400)의 회전축(410, 도 1 참조) 상에 회전식발전기(RB)를 설치하고, 동 회전축(410) 상에 제3,4지지축(322,332)을 더 연결하여 설치하며, 또한 상기 제3,4지지축(322,332) 상에 또 하나의 회전체(400')를 더 설치하고, 이와 동일한 방식으로 제5,6지지축(324,334) 및 회전체(400")를 더 설치하며, 이들의 각 회전축(410)에는 각각 회전식발전기(RB)를 설치하여 발전 가능한 유닛을 다수개로 구비하여 발전효율을 더욱 더 높일 수 있도록 변형할 수 있다.

이에 더하여, 상기 회전체(400,400',400")의 표면, 바람직하게는 양면에 압전소자(PR)를 다수개 설치하여 유체의 흐름에 의해 압전소자(PR)가 압을 받는 순간 전기를 생산하고, 생산된 전기를 집전하는 구성을 더 할 수 있다.

이와 같은 본 발명 제2실시예에 따른 제1실시예의 효율에 비해 전기를 얻는 유닛이 다수개 더 추가되기 때문에 발전효율이 더 향상되며, 제1실시예의 구조와 병행설치가 가능하다.

[제3실시예]

본 발명 제3실시예에 따른 자가발전장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2실시예에서 설명한 제1,2,3,4,5,6지지축(320,322,324,330,332,334)의 길이 일부를 절단하고 이를 관절운동 가능하게 관절부(500)를 구성하고, 이 관절부(500)에 압전소자(PR) 혹은 전자기유도부재를 설치하여 전기를 더 생산할 수 있도록 변형할 수도 있다.

이러한 제3실시예는 상술한 제1실시예 또는 제2실시예와 병행하여 설치할 수 있다.

때문에, 개시된 실시예들이 병합되게 되면 최상의 발전효율을 갖는 발전장치를 구현할 수 있고, 이러한 자가발전장치는 규모면에서 설치 및 유지 관리 측면에서 경쟁력이 매우 높기 때문에 활용성이 매우 클 것으로 기대된다.

100: 고정대 200: 발전기
300: 회동대 400: 회전체
500: 관절부

Claims (6)

1. 하천이나 해양에서 발생되는 카르만볼텍스를 이용하여 자가발전 가능한 발전 장치를 구현함에 있어;
   하천이나 해양에 세워 고정되는 고정대;
   상기 고정대의 길이 일부에 설치되는 발전기;
   상기 발전기를 감싸는 몸체, 상기 몸체로부터 수평하게 연장되고 상하로 서로 간격을 둔 한 쌍의 제1,2지지축을 갖는 회동대;
   상기 회동대의 제1,2지지축 사이의 단부에 회전가능하게 회전축에 고정된 회전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 회전체는 유선형상을 갖고 좌우 비대칭형이며, 중앙을 중심으로 외측으로 볼록한 형태인 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 회전체는 회전축을 중심으로 좌우 중량이 서로 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.
   
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 제1,2지지축의 각 단부에는 상기 회전축을 동축으로 하고, 상기 제1,2지지축과 동일한 형태를 갖는 다수의 지지축들이 연속적으로 동일한 구조로 더 연장 배열되고, 배열된 수만큼 회전체도 대응개수로 더 설치되며, 상기 회전축 상에는 회전식발전기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.
   
5. 청구항 4에 있어서;
   상기 회전체의 표면에는 압전소자가 더 설치된 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.
   
6. 청구항 4에 있어서;
   상기 제1,2지지축을 포함한 다수의 지지축들은 분절되고, 분절된 부분에는 링크된 관절부가 형성되며, 상기 관절부에는 압전소자가 더 설치된 것을 특징으로 하는 카르만볼텍스를 이용한 자가발전장치.

Images