KR20190048030A - Inverted pendulum type wind energy harvesting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 넓은 대지에 설치하여 에너지 그리드 방식으로 운용할 수 있는 발전 설비에 관한 것으로서, 구체적으로는 도립진자(inverted pendulum)의 쌍안정성(bistability)과 플러터(flutter)를 이용하여 바람에 의한 전기에너지를 생산하는 구조에 관한 것이다. The present invention relates to a power generation facility that can be installed in a wide area and can operate in an energy grid manner. More specifically, the present invention relates to a power plant using an inverted pendulum with bistability and flutter, As well as a structure for producing the same.
에너지 하베스터란 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지 형태로 변환하는 장치를 일컫는 것이며, 에너지 하베스터는 그 용어 자체의 사용이 비교적 근래이 이루어졌을 뿐, 인류가 고대로부터 사용하던 에너지획득 방식과 일맥상통하는 것으로, 수차(水車)나 풍차(風車)도 광의의 에너지 하비스터라 할 수 있으나, 수력발전 또는 풍력발전 등 대규모 설비를 필요로 하는 산업용 발전시설과의 구분을 위하여 비교적 간소한 구성으로 단위 장치당 소량의 전력을 생산하는 수단을 협의의 에너지 하베스터로 구분하고 있다.Energy Harvester is a device that acquires energy that is transformed or dissipated in its natural state and converts it into a form of energy that can be used. The energy harvester uses the term itself only relatively recently, But it is relatively simple to distinguish it from industrial power generation facilities that require large scale facilities such as hydroelectric power generation or wind power generation. And the energy harvester of the negotiation means for producing a small amount of electric power per unit device.
이러한 에너지 하베스터용 발전(發電)수단으로서 압전체(壓電體)를 들 수 있는데, 압전체는 물리적 변형을 전력으로 변환하는 것으로, 발전을 위한 장치 구성이 간단할 뿐 아니라 공해를 배출하지 않으므로 에너지 하베스터의 도입 취지에 가장 부합되는 발전수단이라 할 수 있다. 압전체란 외력에 의한 변형이 발생되면 분극(分極)이 유도되고 이 분극에 의하여 전기장이 형성되는 압전효과(piezoelectric effect)가 발현되는 물체를 일컫는 것으로, 대표적인 예로서 납-지르코늄-티타늄 복합산화물(PZT, lead zirconate titanate)을 들 수 있다.As a power generating means for such an energy harvester, there can be mentioned a piezoelectric body. The piezoelectric body converts physical deformation into electric power. Since the apparatus is simple in construction for generating electricity and does not discharge pollution, It can be said that it is the most suitable means of generating electricity. The piezoelectric body refers to an object in which a piezoelectric effect is generated in which a polarization is induced when an external force is deformed and an electric field is formed by the polarization. Typical examples of the piezoelectric body include a lead-zirconium-titanium composite oxide (PZT , lead zirconate titanate).
그리고, 일반적으로 항공기에서는 항공기 비행시 플러터가 일어나지 않도록 플러터 안정성을 확보하는 것이 항공기 설계 목표 중 하나이지만, 플러터를 이용한 에너지 하베스터를 설계하기 위해서는 시스템을 보다 플러터에 취약하게 불안정하게 설계하여, 보다 넓은 범위의 풍속 영역에서도 쉽게 시스템이 플러터를 일으킬 수 있도록 설계하는 것이 중요하다. 즉, 작은 바람에도 플러터가 일어날 수 있도록 할 필요가 있다. However, in order to design an energy harvester using flutter, it is necessary to design the system to be more vulnerable to flutter than unstable, so that a wider range It is important to design the system so that it can easily flutter. In other words, it is necessary to make flutter even in small winds.
본 발명에 관련되는 선행특허로는 한국특허출원번호 제10-2010-0123075호(발명의 명칭: 윈드벨트를 이용한 풍력발전 장치 및 방법)이 존재한다. 위 선행특허를 보면, 도 1과 같은 구조로서, 참조번호 2는 코일, 4는 자석, 6은 앵커, 8은 멤브레인, 10은 지지대, 12 및 14는 클램프 등의 구성을 개시하고 있으며, 바람에 의해 멤브레인(8)이 진동하게 되고, 멤브레인(8)의 진동에 따라 멤브레인(8)의 끝 부분에 있는 자석(4)이 코일(2) 사이에서 진동하여 전류를 발생시키게 되는 원리로, 공진하는 플러터 현상을 이용하여 바람의 에너지를 전기로 변환하는 방식을 개시하고 있다.Prior art related to the present invention is Korean Patent Application No. 10-2010-0123075 (entitled "WIND POWER DEVICE AND METHOD USING WIND BELT"). 1, a reference numeral 2 denotes a coil, 4 denotes a magnet, 6 denotes an anchor, 8 denotes a membrane, 10 denotes a support, 12 and 14 denote constructions such as a clamp, and the like. The membrane 8 oscillates and the magnet 4 at the end of the membrane 8 vibrates between the coils 2 due to the vibration of the membrane 8 to generate a current, Discloses a method of converting the wind energy into electricity by using the flutter phenomenon.
그러나, 선행특허는 구성이 복잡하고 추가적인 장치가 다수이고 넓은 면적의 대단지에 설치하기에는 문제가 있다.However, the prior art has a problem in that it is complicated in structure, has a large number of additional devices, and is installed in a large area of a large area.
본 발명은 도립진자(inverted pendulum)의 쌍안정성(bistability)과 플러터(flutter)를 이용하여 에너지 하베스팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며,It is an object of the present invention to provide an energy harvesting method using bistability and flutter of an inverted pendulum,
장기적으로는 갈대밭 형식으로 넓은 대지에 설치하여 에너지 그리드 방식으로 운용할 수 있는 발전 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the long term, it aims to provide a power generation facility that can be installed on a large land in the form of a reed field and operated in an energy grid manner.
본 발명은, 지면에 고정되는 베이스(B); 상기 베이스의 상면에 회전가능하게 구비되는 하우징(100); 상기 하우징의 상면에 직립하여 배치되고, 바람에 의해 플러팅 동작이 일어나는 유선형의 수직날개(110); 상기 수직날개의 상단에 배치되어 하방으로 집중하중을 가하는 집중질량(120); 및 상기 수직날개의 측면에 부착되는 압전소자(150);를 포함하는 풍력에너지 하베스팅 장치를 제공한다.The present invention relates to: a base (B) fixed to a ground; A housing (100) rotatably provided on an upper surface of the base; A streamlined vertical vane (110) disposed upright on the upper surface of the housing and having a float action by the wind; A concentrated mass (120) disposed at the top of the vertical vane and applying a concentrated load downward; And a piezoelectric element (150) attached to a side surface of the vertical blade.
상기 압전소자는 상기 수직날개의 하단에서 상측으로 부착되고, 상기 수직날개의 양측면 전체 또는 일부에 부착될 수 있다.The piezoelectric element is attached upward from the lower end of the vertical wing, and may be attached to all or part of both sides of the vertical wing.
상기 하우징의 전면에 구비되고, 상기 유선형 날개의 전방에서 불어오는 풍향을 감지하는 풍향계(160); 상기 베이스에 대해서 상기 하우징을 상대 회전시키는 모터; 및 상기 풍향계에서 감지된 풍향에 기초하여 상기 모터를 작동하여 하우징을 회전시키는 제어기를 더 포함한다.A weather vane (160) provided on a front surface of the housing and sensing wind direction blowing from the front of the streamlined vane; A motor relatively rotating the housing with respect to the base; And a controller for operating the motor based on the wind direction sensed by the weather vane to rotate the housing.
상기 수직날개의 상단의 집중질량으로 인해, 풍속이 약한 바람에도 상기 수직날개의 지속적인 진동 거동으로 에너지를 생산할 수 있도록 한다.Due to the concentrated mass of the upper end of the vertical vane, it is possible to produce energy by the continuous vibration behavior of the vertical vane even in a weak wind.
본 발명은 도립진자 방식의 장치를 고안하여 작은 바람의 풍력에너지로 전력 생산이 가능한 하베스팅 방법을 제공하는 효과가 있으며, 이를 활용하여 수 많은 개수의 이러한 장치를 넓은 대지에 설치하고 에너지 그리드 방식으로 운용하여 유용한 전력을 생산을 할 수 있는 발전 설비 제작이 가능한 효과가 발생한다.The present invention has an effect of providing a harvesting method capable of producing electric power with small wind wind energy by devising a device of an inverted pendulum type, and by using this, it is possible to install a large number of such devices on a large site, It is possible to produce a power generation facility capable of producing useful electric power.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 장치이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력에너지 하베스팅 장치이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력에너지 하베스팅 장치이다. 1 is an energy harvesting apparatus according to the prior art,
2 is a wind energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are wind energy harvesting apparatuses according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objects, particular advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. Also, terms used are terms defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user operator. Therefore, definitions of these terms should be based on the entire contents of the present specification.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력에너지 하베스팅 장치의 개략적인 모습이다. 대부분의 플러터가 일어나는 종래 구조체는 그 양 끝단을 모두 구속하는 부가적인 구조물을 필요로 하였는데, 본 발명은, 실제 항공기의 날개 구조처럼 한쪽 끝단만을 구속하여 그 지지 구조가 단순화하고 시스템의 불안정성을 높여서 플러터가 잘 일어나도록 한 점이 특징이다.2 is a schematic view of a wind energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention. Conventional structures in which most of the flutter takes place require additional structures for restraining both ends of the flutter. However, the present invention restricts only one end like an actual aircraft wing structure to simplify its supporting structure and increase instability of the system, And it is characterized by the fact that it occurs well.
본 발명의 구성을 살펴보면, 먼저 지면에 고정되는 베이스(B)와 상기 베이스의 상면에 회전가능하게 구비되는 하우징(100)과 상기 하우징의 상면에 직립하여 결합되는 유선형의 수직날개(110)을 갖는다. 상기 수직날개는 바람에 의해 플러팅 동작이 일어나는 부분으로 수직날개의 측면에는 압전소자(150)가 부착되어 이때 플러팅 동작에서 발생하는 진동 거동으로 전기를 생산하게 된다. 압전소자는 물리적 변형을 전력으로 변환하는 것으로, 그 원리나 기타 형태는 이미 알려진 기술이므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다. 상기 압전소자는 상기 수직날개의 하단에서 상측으로 부착되고, 상기 수직날개의 양측면 전체 또는 일부에 부착될 수 있다.The structure of the present invention includes a base (B) fixed to the ground, a housing (100) rotatably provided on an upper surface of the base, and a streamlined vertical vane (110) coupled to the upper surface of the housing . The vertical blade is a part where a flushing operation occurs due to wind, and a
그리고, 본 발명은 상기 수직날개의 상단에 집중하중(120)을 배치하여 하방으로 집중하중을 가하게 한다. 상기 수직날개는 상단의 집중질량으로 인해, 풍속이 약한 바람에도 상기 수직날개의 지속적인 진동 거동으로 에너지를 생산할 수 있도록 한 것이다. 집중질량은 날개 형상을 고려하여 날개 최상단에 최적화 설계된 추의 형태로 부착하며, 추 자체의 중력에 의한 하중으로 최상단에서 아래쪽으로 가함으로써, 구조체가 도립진자(inverted pendulum)가 갖는 쌍안정성(bistability) 특성을 갖게 하여 작은 외력(즉, 바람)에도 시스템의 불안정성을 극대화하여 진동 거동을 취할 수 있게 한 것이다.In the present invention, a
상기 수직날개는 땅으로부터 수직으로 설치하여 설치 공간을 절약하며, 단순한 빔 형태가 아닌 날개 익형을 적용한 형상을 갖는다. 진동 및 플러터 거동을 전기에너지로 변환하기 위해 구조체 즉 날개의 아래쪽 구속부 위쪽으로 날개의 양쪽면에 모두 압전소자를 부착하는 것이 좋다.The vertical vanes are vertically installed from the ground to save installation space, and have a shape using a blade vane instead of a simple beam vane. In order to convert vibration and flutter behavior into electrical energy, it is advisable to attach the piezoelectric elements on both sides of the wing, above the lower restraint of the structure or wing.
본 발명의 상기 하우징의 전면에는 풍향계(160)가 구비되어, 상기 유선형 날개의 전방에서 불어오는 풍향을 감지하게 되고, 상기 풍향계에서 감지된 풍향에 기초하여 상기 모터를 작동하여 하우징을 회전시키는 제어기(미도시)가 하우징 내부에 구비된다. 그리고, 상기 제어기의 명령을 받아 상기 하우징 내부에 구비된 모터가 상기 베이스에 대해서 하우징을 상대 회전시켜서 에너지 생산에 가장 효율적인 방향으로 상기 수직날개가 향하도록 한다. 상기 풍향계(160)는 상기 하우징(100)을 감싸는 형상이며 대략 평행사변형 형태의 박스형으로 구성되어서, 바람의 방향에 따라 하우징이 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 것이며, 풍향계의 모서리 중 선단부(165)가 바람이 불어오는 방향을 향하게 된다. 그리고, 하우징 회전을 자유롭게 하기 위해 하우징(100)의 하단에는 베어링(170)이 구비된다. A
또한, 상기 하우징은 압전소자로부터 생산된 전력을 받아 외부의 에너지 저장장치로 전달하기 위한 회로를 외부로부터 보호하고, 상기 베이스는 충분한 중량으로 바닥에 고정됨으로써, 장치가 의도하지 않은 외부 진동으로 흔들리지 않도록 지지한다. In addition, the housing protects a circuit for receiving power generated from the piezoelectric element from the outside, and the base is fixed to the floor with sufficient weight so that the device is not shaken by unexpected external vibration .
본 발명은 상기 구성에 의해서 상부의 집중질량에 의한 진동 거동은 플러터가 일어나기 힘든 작은 바람에도 시스템이 지속적인 진동 거동을 하며 에너지를 생성할 수 있게 하며, 플러터 안정성 약화에도 영향을 주어 보다 넓은 풍속 영역에서 플러터가 일어날 수 있도록 시스템을 최적화 설계할 수 있게 한다. According to the present invention, due to the above-described structure, the vibrational behavior due to the concentrated mass at the upper portion allows the system to generate energy with constant vibration behavior even in the case of small winds in which flutter is difficult to occur, and also affects the stability of the flutter, Allows the system to be optimally designed for flutter.
본 발명의 주요 내용을 정리하면, (1) 최상단의 집중질량을 통한 시스템 불안정성 강화 (2) 최하단만 구속(구조단순화)하고 높은 가로세로비의 유연 수직날개 구조(플러터 불안정성 강화), (3) 풍향계와 에너지 하베스팅 시스템 접목을 통한 바람 지향성 강화 등이라고 할 수 있다.(2) reinforcement of the flapper instability of the low aspect ratio (structure simplification) and high aspect ratio of the vertical flap structure (flutter instability enhancement), (3) And strengthening wind direction through the combination of weather vane and energy harvesting system.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력에너지 하베스팅 장치이다. 3 and 4 are wind energy harvesting apparatuses according to another embodiment of the present invention.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
Claims (7)
상기 베이스의 상면에 회전가능하게 구비되는 하우징;
상기 하우징의 상면에 직립하여 배치되고, 바람에 의해 플러팅 동작이 일어나는 유선형의 날개 익형 형상의 수직날개; 및
상기 수직날개의 측면에 부착되는 압전소자;를 포함하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.A base fixed to the ground;
A housing rotatably mounted on an upper surface of the base;
A vertical wing of a streamlined wing-airfoil shape arranged upright on an upper surface of the housing and having a float operation by wind; And
And a piezoelectric element attached to a side surface of the vertical blade.
상기 수직날개의 상단에 배치되어 하방으로 집중하중을 가하는 집중질량;을 더 포함하여 시스템의 불안정성을 강화하는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.The method according to claim 1,
And a concentrated mass disposed at an upper end of the vertical vane and applying a concentrated load downward to enhance instability of the system.
상기 압전소자는 상기 수직날개의 하단에서 상측으로 소정 높이 만큼 부착되는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the piezoelectric element is attached at a predetermined height upward from a lower end of the vertical vane.
상기 압전소자는 상기 수직날개의 양측면 전체에 걸쳐서 부착되는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 3,
Wherein the piezoelectric elements are attached over both sides of the vertical vanes.
상기 하우징의 전면에 구비되고, 상기 유선형 날개의 전방에서 불어오는 풍향을 감지하는 풍향계를 더 포함하고, 상기 하우징의 하단에는 하우징의 회전을 자유롭게 하는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.The method according to claim 1,
The wind energy harvesting system according to claim 1, further comprising a weather vane provided on a front surface of the housing for sensing wind direction blowing from the front of the stream vane, and a bearing is provided at a lower end of the housing to allow rotation of the housing. .
상기 베이스에 대해서 상기 하우징을 상대 회전시키는 모터; 및
상기 풍향계에서 감지된 풍향에 기초하여 상기 모터를 작동하여 하우징을 회전시키는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.6. The method of claim 5,
A motor relatively rotating the housing with respect to the base; And
And a controller for operating the motor to rotate the housing based on the wind direction sensed by the weather vane.
상기 수직날개의 상단의 집중질량으로 인해, 풍속이 약한 바람에도 상기 수직날개의 지속적인 진동 거동으로 에너지를 생산할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력에너지 하베스팅 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the wind turbine is capable of producing energy due to the continuous vibration behavior of the vertical blades even in weak winds due to the concentrated mass of the upper end of the vertical blades.
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| KR1020170142500A KR20190048030A (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Inverted pendulum type wind energy harvesting apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170142500A KR20190048030A (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Inverted pendulum type wind energy harvesting apparatus |
Publications (1)
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|---|---|
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ID=66546448
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170142500A KR20190048030A (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Inverted pendulum type wind energy harvesting apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190048030A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110176874A (en) * | 2019-06-05 | 2019-08-27 | 哈尔滨工业大学 | A kind of flutter of aerofoil is coupled with vortex-induced vibration and tunable piezoelectric harvester |
| CN111404421A (en) * | 2020-05-11 | 2020-07-10 | 北京航空航天大学 | Transition flutter energy collecting device |
-
2017
- 2017-10-30 KR KR1020170142500A patent/KR20190048030A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110176874A (en) * | 2019-06-05 | 2019-08-27 | 哈尔滨工业大学 | A kind of flutter of aerofoil is coupled with vortex-induced vibration and tunable piezoelectric harvester |
| CN110176874B (en) * | 2019-06-05 | 2020-11-24 | 哈尔滨工业大学 | Tunable piezoelectric energy harvester with flutter and vortex-induced vibration coupling of wing |
| CN111404421A (en) * | 2020-05-11 | 2020-07-10 | 北京航空航天大学 | Transition flutter energy collecting device |
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