KR20200110486A - Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure - Google Patents

Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure Download PDF

Info

Publication number
KR20200110486A
KR20200110486A KR1020190028486A KR20190028486A KR20200110486A KR 20200110486 A KR20200110486 A KR 20200110486A KR 1020190028486 A KR1020190028486 A KR 1020190028486A KR 20190028486 A KR20190028486 A KR 20190028486A KR 20200110486 A KR20200110486 A KR 20200110486A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluid
bluff body
cantilevers
energy
cantilever
Prior art date
Application number
KR1020190028486A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
석종원
손만
조수환
Original Assignee
중앙대학교 산학협력단
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 중앙대학교 산학협력단 filed Critical 중앙대학교 산학협력단
Priority to KR1020190028486A priority Critical patent/KR20200110486A/en
Publication of KR20200110486A publication Critical patent/KR20200110486A/en

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
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D5/00—Other wind motors
    • F03D5/06—Other wind motors the wind-engaging parts swinging to-and-fro and not rotating
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • 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
    • Y02E10/70—Wind energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

The present invention relates to a fluid-induced energy harvester having a nested structure, including: a pair of outer cantilevers that are arranged in parallel at intervals from each other, each installed on a moving path through which fluid moves, and have an outer fixed end fixed to one side of the structure, and an outer free end tilted within a certain angle range around the outer fixed end by a flow of the fluid; an outer bluff body that has a friction surface that rubs against the fluid so that at least one movement of vortex-induced vibration or galloping operation can be implemented, and is coupled to the outer free end side of the outer cantilevers; an inner cantilever that is disposed in the inner space between the outer bluff body and the outer cantilevers, and has an inner fixed end fixed to the structure, and an inner free end tilted around the inner fixed end; an inner bluff body disposed in the inner space and coupled to the inner cantilever; and an energy generating member that is coupled to the outer cantilevers and the inner cantilever, and generates electric energy by deformation due to the tilting of the cantilevers.

Description

네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기{Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure}Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure

본 발명은 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 풍력을 통해 에너지 수확을 가능하게 하고 에너지 수확 시 효율을 극대화시킬 수 있도록, 구조가 개선된 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기에 관한 것이다. The present invention relates to a fluid-induced energy harvester having a nested structure, and more particularly, a fluid having a nested structure with an improved structure to enable energy harvesting through wind power and maximize efficiency during energy harvesting. It relates to the induced energy harvester.

세계적으로 에너지 소비가 급격하게 증가함에 따라, 열에너지, 태양 에너지, 풍력 에너지 등과 같이 재생 가능한 에너지의 수확 기술이 연구되고 있다. 많은 연구 기관들은 새로운 에너지 변환 및 전환 기술, 에너지 재충전과 저장 기술을 포함하는 다양한 에너지 수확 기술의 개발에 전념하고 있다.As energy consumption increases rapidly around the world, techniques for harvesting renewable energy such as thermal energy, solar energy, and wind energy are being studied. Many research institutions are devoted to the development of a variety of energy harvesting technologies, including new energy conversion and conversion technologies, energy recharge and storage technologies.

재생 가능한 에너지 중 풍력 에너지는 가장 보편적이고 지속 가능하며 믿을 수 있는 에너지원들 중 하나로서 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 널리 사용되고 있다. Among renewable energies, wind energy is one of the most common, sustainable and reliable energy sources and is widely used to convert mechanical energy into electrical energy.

일반적으로 풍력을 이용한 에너지 수확기는 갤로핑(Galloping) 현상을 통해 에너지를 수확한다. 갤로핑 현상은 구조물의 불안정성에 기인하는 자려 진동의 일종이다. 이러한 갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확기는, 정사각형 단면의 사각기둥을 캔틸레버 부재 끝단에 부착하며, 유체의 흐름과 나란하게 배치하여 갤로핑 현상이 유발되도록 구성된다.In general, an energy harvester using wind power harvests energy through a galloping phenomenon. The galloping phenomenon is a type of self-excited vibration caused by the instability of the structure. The energy harvester using the galloping phenomenon is configured to cause a galloping phenomenon by attaching a square pillar of a square cross section to the end of the cantilever member, and arranging it in parallel with the flow of fluid.

이러한 에너지 수확기의 캔틸 레버 보에는 압전소자가 부착되어 있어서, 캔틸레버 보의 진동에너지를 전기에너지로 변환하고 에너지 저장부에서 전기에너지를 저장한다. 이와 같은 종래의 에너지 수확기는 전기 에너지 수확 효율이 낮고 에너지 수확 시 높은 유지비용이 발생되는 문제점을 가진다. A piezoelectric element is attached to the cantilever beam of such an energy harvester, so that the vibration energy of the cantilever beam is converted into electric energy and the electric energy is stored in the energy storage unit. Such a conventional energy harvester has a problem in that electric energy harvesting efficiency is low and high maintenance costs are generated during energy harvesting.

종래기술로는 한국등록특허 제10-1063370호 “웨이크갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확장치”가 있다. As a prior art, there is Korean Patent Registration No. 10-1063370 "Energy harvesting device using wake galloping".

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기 에너지 생성 및 수확 효율을 증대시킬 수 있도록 하고, 유지보수가 용이하여 유지비용을 낮출 수 있고 기계 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 제공하고자 한다. The present invention was conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to increase electric energy generation and harvesting efficiency, and to facilitate maintenance, thereby lowering maintenance costs and extending machine life. It is intended to provide a fluid-induced energy harvester with a nested structure that enables it.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.The problem of the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는, 서로 간격을 두고 평행하게 배치되고, 각각 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되며, 구조물의 일측에 고정되는 외측 고정단부와 상기 유체의 흐름에 의해 상기 외측 고정단부를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅되는 외측 자유단부를 가지는 한 쌍의 외측 캔틸레버들; 와유기 진동 또는 갤로핑 동작 중 적어도 하나의 움직임이 구현될 수 있도록 상기 유체와 마찰되는 마찰면을 구비하며, 상기 외측 캔틸레버들의 외측 자유단부 측에 결합되는 외측 블러프 바디; 상기 외측 블러프 바디와 외측 캔틸레버들 사이의 내측 공간에 배치되고, 상기 구조물에 고정되는 내측 고정단부와, 그 내측 고정단부를 중심으로 틸팅되는 내측 자유단부를 가지는 내측 캔틸레버; 상기 내측 공간에 배치되고, 상기 내측 캔틸레버에 결합되는 내측 블러프 바디; 및 상기 외측 캔틸레버들과 내측 캔틸레버에 결합되는 것으로, 캔틸레버들의 틸팅에 따른 변형에 의해 전기에너지를 생성시키는 에너지 발생부재;를 포함하여 이루어진다.The fluid-induced energy harvester having a nested structure according to the present invention for achieving the above object, is disposed in parallel at intervals from each other, is installed on a moving path through which the fluid moves, and is fixed to one side of the structure. A pair of outer cantilevers having an end portion and an outer free end that is tilted within a predetermined angle range around the outer fixed end by the flow of the fluid; An outer bluff body having a friction surface that rubs against the fluid so that at least one movement of a wave organic vibration or a galloping operation can be implemented, and coupled to an outer free end side of the outer cantilevers; An inner cantilever disposed in an inner space between the outer bluff body and the outer cantilevers and having an inner fixed end fixed to the structure and an inner free end tilted around the inner fixed end; An inner bluff body disposed in the inner space and coupled to the inner cantilever; And an energy generating member that is coupled to the outer cantilevers and the inner cantilever and generates electric energy by deformation according to the tilting of the cantilevers.

상기 에너지 발생부재는 압전소자로 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the energy generating member is made of a piezoelectric element.

본 발명은 상기 외측 블러프 바디와 내측 블러프 바디 간의 척력을 발생시킬 수 있게 하는 한 쌍의 마그넷들을 더 포함하여 이루어질 수 있다. The present invention may further include a pair of magnets capable of generating a repulsive force between the outer bluff body and the inner bluff body.

상기 한 쌍의 마그넷들 중 어느 하나는 상기 외측 블러프 바디에 설치되고, 다른 하나는 상기 내측 블러프 바디에 설치되되 상기 어느 하나의 마그넷과 대향하는 위치에 설치되는 것이 바람직하다. It is preferable that one of the pair of magnets is installed on the outer bluff body, and the other is installed on the inner bluff body, but is installed at a position opposite to the one of the magnets.

본 발명은, 상기 외측 블러프 바디의 상기 외측 캔틸레버의 길이방향과 직교하는 방향을 따라 형성되는 양측에 각각 권회되는 한 쌍의 코일들; 및 상기 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확이 가능하도록, 상기 구조물의 타측에 설치되는 자석들;을 포함하여 이루어질 수 있다. The present invention includes a pair of coils wound on both sides of the outer bluff body formed along a direction orthogonal to the longitudinal direction of the outer cantilever; And magnets installed on the other side of the structure so that energy can be harvested by electromagnetic induction through interaction with the coil.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는 유체가 이동하는 이동로상에 구조물과 연결된 한 쌍의 외측 캔틸레버들이 구비되고, 외측 블러프 바디가 외측 캔틸레버들의 외측 자유단부에 체결되고, 내측 캔틸레버의 내측 자유단부와 연결된 내측 블러프 바디가 외측 블러프 바디가 외측 캔틸레버들 사이의 내측 공간에 배치되며, 에너지 발생부재가 외측 캔틸레버들과 내측 캔틸레버들에 마련되어 유체와의 마찰로 인해, 외측 블러프 바디와 내측 블러프 바디에 진동 발생 시 외측 캔틸레버들과 내측 캔틸레버의 변형에 의해 전기 에너지를 생성시킴으로써, 낮은 속도의 유체 이동에도 전기 에너지 생성이 가능하고 전기 에너지 수확 효율을 증대시키며, 간소한 구조로 인해 유지보수가 용이하여 유지비용을 낮추고 기계 수명을 연장시키는 효과를 가진다. The fluid-induced energy harvester having a nested structure according to the present invention having the configuration as described above A pair of outer cantilevers connected to the structure are provided on the moving path through which the fluid moves, the outer bluff body is fastened to the outer free ends of the outer cantilevers, and the inner bluff body connected to the inner free end of the inner cantilever is an outer blur. The f body is disposed in the inner space between the outer cantilevers, and the energy generating member is provided in the outer cantilevers and the inner cantilevers, and the outer cantilevers when vibration occurs in the outer and inner bluff bodies due to friction with the fluid. By generating electric energy by the deformation of the inner cantilever and the inner cantilever, it is possible to generate electric energy even at low speed fluid movement and increase the efficiency of electric energy harvesting. The simple structure makes it easy to maintain, lowering maintenance costs and reducing machine life. It has the effect of prolonging.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다. The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 측면도.
도 3은 본 발명 일실시예의 평면도.
도 4는 본 발명 일실시예에 의해 전기 에너지가 생성되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명 일실시예에 의해 생성된 전기 에너지의 출력(풍속에 따라 수확되는 전기 에너지의 출력)을 설명하기 위한 실험 데이터에 관한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 측면도.
도 7은 본 발명 다른 실시예에 의해 전기 에너지가 생성되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명 다른 실시예에 의해 생성된 전기 에너지의 출력(풍속에 따라 수확되는 전기 에너지의 출력)을 설명하기 위한 실험 데이터에 관한 도면.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 사시도.1 is a perspective view illustrating a fluid-induced energy harvester with a nested gujo ne in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a side view of an embodiment of the present invention.
3 is a plan view of an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a process of generating electrical energy according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram of experimental data for explaining the output of electric energy (output of electric energy harvested according to wind speed) generated according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a side view illustrating a fluid-induced energy harvester with a nested structure in accordance with another embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a process in which electrical energy is generated according to another embodiment of the present invention.
8 is a diagram of experimental data for explaining an output of electric energy generated according to another embodiment of the present invention (output of electric energy harvested according to a wind speed).
9 is a perspective view for explaining a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 측면도이며, 도 3은 본 발명 일실시예의 평면도이고, 도 4는 본 발명 일실시예에 의해 전기 에너지가 생성되는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명 일실시예에 의해 생성된 전기 에너지의 출력(풍속에 따라 수확되는 전기 에너지의 출력)을 설명하기 위한 실험 데이터에 관한 도면이다. 1 is a perspective view for explaining a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a side view of an embodiment of the present invention, Figure 3 is a plan view of an embodiment of the present invention, 4 is a diagram for explaining a process of generating electric energy according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating an output of electric energy generated by an embodiment of the present invention (output of electric energy harvested according to wind speed). It is a diagram of experimental data for explanation.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는 한 쌍의 외측 캔틸레버들(100), 외측 블러프 바디(200), 내측 캔틸레버(300), 내측 블러프 바디(400), 에너지 발생부재(500)를 포함하여 이루어진다. As shown in these drawings, the fluid-induced energy harvester having a nested structure according to an embodiment of the present invention includes a pair of outer cantilevers 100, an outer bluff body 200, an inner cantilever 300, It comprises an inner bluff body 400 and an energy generating member 500.

상기 외측 캔틸레버들(100)은, 한 쌍으로 이루어지고 서로 간격을 두고 평행하게 배치되며 각각 유체가 이동하는 이동로 상에 설치된다. 상기 외측 캔틸레버들(100)은 바(bar)형태로 이루어져 양측에 외측 고정단부(101)와 외측 자유단부(102)를 가지며 틸팅이 가능한 금속 소재나 합성수지로 이루어진다. The outer cantilevers 100 are formed in a pair, are arranged in parallel with each other at intervals, and are respectively installed on a moving path through which fluid moves. The outer cantilevers 100 are formed in a bar shape, have outer fixed ends 101 and outer free ends 102 on both sides, and are made of a tiltable metal material or synthetic resin.

상기 외측 캔틸레버들(100)에서 외측 고정단부(101)는, 유체의 이동경로 상에 배치된 구조물(S)의 일측에 다양한 결합 방식에 의해 결합됨으로써, 그 구조물(S)에 대해 외측 캔틸레버들(100)이 지지될 수 있게 한다. In the outer cantilevers 100, the outer fixed end 101 is coupled to one side of the structure S disposed on the movement path of the fluid by various coupling methods, so that the outer cantilevers with respect to the structure S ( 100) can be supported.

상기 외측 캔틸레버들(100)의 외측 자유단부(102)는, 상기 외측 고정단부(101)의 반대쪽에 마련되어, 유체의 흐름에 의해 상기 외측 고정단부(101)를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅되고, 외측 블러프 바디(200)와 다양한 방식에 의해 결합되어 그 외측 블러프 바디(200)가 지지될 수 있게 한다. The outer free end 102 of the outer cantilever 100 is provided on the opposite side of the outer fixed end 101 and tilts within a certain angle range around the outer fixed end 101 by the flow of fluid. It is combined with the outer bluff body 200 in various ways so that the outer bluff body 200 can be supported.

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. Here, the fluid (流体) is a term for both gas and liquid, and includes all of air, hydrogen, and oxygen. In this specification, the flow of fluid means the flow of air, that is, wind.

상기 외측 블러프 바디(200)는 유체와 마찰되는 마찰면(201)을 구비하며 상기 외측 캔틸레버들의 외측 자유단부(102) 측에 결합됨으로써, 와유기 진동(vortex induced vibration) 또는 갤로핑(Galloping) 동작(진동) 중 적어도 하나의 움직임이 구현될 수 있게 한다. The outer bluff body 200 has a friction surface 201 that rubs against the fluid, and is coupled to the outer free end 102 side of the outer cantilevers, thereby vortex induced vibration or galloping. At least one of the motions (vibration) can be implemented.

상기 외측 블러프 바디(200)는, 다각 기둥 형태나 원기둥 형태로 이루어지고 알루미늄과 같은 금속이나 합성수지 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 외측 자유단부(102)와 착탈 가능하게 결합될 수 있다. The outer bluff body 200 may have a polygonal column shape or a cylindrical shape, may be made of a metal such as aluminum or a synthetic resin, and may be detachably coupled to the outer free end 102.

상기 외측 블러프 바디(200)는, 마찰면(201)과 바람이 마찰될 때 외측 캔틸레버들(100)에 연결된 상태로 진동하며, 상기 한 쌍의 외측 캔틸레버들(100)에 결합된 에너지 발생부재(500)가 변형될 수 있게 하여 전기 에너지 생성을 가능하게 한다. The outer bluff body 200 vibrates in a state connected to the outer cantilevers 100 when the friction surface 201 is rubbed against the wind, and an energy generating member coupled to the pair of outer cantilevers 100 Allows 500 to be deformed to enable electrical energy generation.

상기 내측 캔틸레버(300)는, 외측 캔틸레버들(100)과 외측 블러프 바디(200) 사이의 내측 공간에 배치되고, 바(bar)형태로 이루어져 양쪽에 내측 고정단부(301)와 내측 자유단부(302)를 가지며 에너지 발생부재(500)와 결합된다. The inner cantilever 300 is disposed in an inner space between the outer cantilevers 100 and the outer bluff body 200, and is formed in a bar shape, so that the inner fixed end 301 and the inner free end ( It has 302 and is coupled to the energy generating member 500.

상기 내측 캔틸레버(300)의 내측 고정단부(301)는 상기 구조물(S)에 다양한 방식으로 결합되어 내측 캔틸레버(300)가 지지될 수 있게 한다. 또한 내측 캔틸레버(300)의 내측 자유단부(302)는 상기 내측 고정단부(301)의 반대편에 위치하며 내측 블러프 바다(400)와 체결되어 그 내측 고정단부(301)를 중심으로 틸팅됨으로써, 에너지 발생부재(500)의 변형이 가능해질 수 있도록 한다. The inner fixed end 301 of the inner cantilever 300 is coupled to the structure S in various ways so that the inner cantilever 300 can be supported. In addition, the inner free end 302 of the inner cantilever 300 is located on the opposite side of the inner fixed end 301 and is fastened with the inner bluff sea 400 to tilt around the inner fixed end 301, thereby energy The generation member 500 can be deformed.

상기 내측 블러프 바디(400)는 내측 캔틸레버의 내측 자유단부(302)에 착탈 가능하게 결합되어 외측 캔틸레버들(100)과 외측 블러프 바디(200) 사이의 내측 공간에 배치된다. 상기 내측 블러프 바디(400)는 다각기둥 형태 또는 원기둥 형태로 이루어질 수 있으며 금속소재나 합성수지 등으로 이루어질 수 있다. The inner bluff body 400 is detachably coupled to the inner free end 302 of the inner cantilever and is disposed in an inner space between the outer cantilevers 100 and the outer bluff body 200. The inner bluff body 400 may be formed in a polygonal column shape or a cylindrical shape, and may be formed of a metal material or synthetic resin.

상기 내측 블러프 바디(400)는, 유체와의 마찰로 인해 외측 블러프 바디(200)에 갤로핑 진동이 발생될 경우(도 4의 (b) 참조), 그 외측 블러프 바디(200)의 마찰면(201)과 마찰되지 않고 유체 이동방향을 따라 그대로 이동되는 유체와 마찰되어 갤로핑 진동이나 와유기 진동을 구현한다(도 4의 (c) 및 (d)). The inner bluff body 400, when galloping vibration occurs in the outer bluff body 200 due to friction with the fluid (refer to FIG. 4(b)), the outer bluff body 200 It is not rubbed against the friction surface 201, but is rubbed with the fluid that is directly moved along the fluid moving direction, thereby implementing galloping vibration or vortex vibration (Fig. 4(c) and (d)).

이때, 내측 블러프 바디(400)는 외측 블러프 바디(200)와 상이한 방향이나 동일한 방향으로 갤로핑 진동하게 되어, 전기 에너지 발생 효율을 증대시키는 장점을 도출한다.At this time, the inner bluff body 400 is galloping and vibrated in a different direction or in the same direction as the outer bluff body 200, resulting in an advantage of increasing electric energy generation efficiency.

상기 에너지 발생부재(500)는, 외측 캔틸레버들(100)과 내측 캔틸레버(300)에 결합되는 것으로, 상기 외측 캔틸레버들(100)과 내측 캔틸레버(300)의 틸팅에 따른 외형 변형에 의해 전기 에너지를 생성시킨다. 상기 에너지 발생부재(500)는 전기활성고분자 소재나 압전소자 등과 같이 전기 에너지 생성을 가능하게 하는 다양한 소재로 이루어질 수 있다(도 4 참조). The energy generating member 500 is coupled to the outer cantilevers 100 and the inner cantilever 300, and generates electrical energy by external deformation due to tilting of the outer cantilevers 100 and the inner cantilever 300. Create. The energy generating member 500 may be made of various materials that enable electric energy generation, such as an electroactive polymer material or a piezoelectric element (see FIG. 4 ).

상기 에너지 발생부재(500)는, 유체의 이동 시 그 유체와 마찰되어 외측 블러프 바디(200) 및 내측 블러프 바디(400)에 진동이 발생될 경우, 외측 캔틸레버들(100)과 내측 캔틸레버(300)의 굽힘이나 휘어짐에 의한 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. When the energy generating member 500 rubs against the fluid when the fluid moves, and vibration is generated in the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400, the outer cantilevers 100 and the inner cantilever ( 300) converts mechanical energy by bending or bending into electrical energy.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는, 유체가 이동하는 이동로상에 구조물과 연결된 한 쌍의 외측 캔틸레버들(100)이 구비되고, 외측 블러프 바디(200)가 외측 캔틸레버들(100)의 외측 자유단부(102)에 체결되고, 내측 캔틸레버(300)의 내측 자유단부(302)와 연결된 내측 블러프 바디(400)가 외측 블러프 바디(200)가 외측 캔틸레버들(100) 사이의 내측 공간에 배치되며, 에너지 발생부재(500)가 외측 캔틸레버들(100)과 내측 캔틸레버들(300)에 마련되어 유체와의 마찰로 인해, 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400)에 진동 발생 시 외측 캔틸레버들(100)과 내측 캔틸레버(300)의 변형에 의해 전기 에너지를 생성시킴으로써, 낮은 속도의 유체 이동에도 전기 에너지 생성이 가능하고 전기 에너지 수확 효율을 증대시키며, 간소한 구조로 인해 유지보수가 용이하여 유지비용을 낮추고 기계 수명을 연장시키는 효과를 가진다. The fluid-induced energy harvester having a nested structure according to an embodiment of the present invention having the configuration as described above is provided with a pair of outer cantilevers 100 connected to a structure on a moving path through which the fluid moves, The outer bluff body 200 is fastened to the outer free end 102 of the outer cantilever 100, and the inner bluff body 400 connected to the inner free end 302 of the inner cantilever 300 is an outer bluff The body 200 is disposed in the inner space between the outer cantilevers 100, and the energy generating member 500 is provided in the outer cantilevers 100 and the inner cantilevers 300 due to friction with the fluid, resulting in an outer blur. When vibration occurs in the F body 200 and the inner bluff body 400, electrical energy is generated by deformation of the outer cantilevers 100 and the inner cantilever 300, so that electric energy can be generated even at low speed fluid movement. It increases the efficiency of electric energy harvesting, and has the effect of lowering the maintenance cost and prolonging the machine life by easy maintenance due to its simple structure.

본 실시예는 도 5를 통해 알 수 있듯 이, 풍속(Wind velocity)이 6에서 10으로 높아짐에 따라 종래의 에너지 수확장치(하나의 블러프 바디를 채용한 에너지 수확장치; Reference case)에 비해 전기 에너지 출력(RMS power)이 높아지는 효과를 도출한다. 여기서, 전기 에너지 출력 효율이 가장 높을 때는, 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400)의 사이 간격(실험을 위해 구현된 블러프 바디들의 사이 간격)이 20mm일 때로 나타났다.As can be seen from FIG. 5 in this embodiment, as the wind velocity increases from 6 to 10, electricity compared to the conventional energy harvesting device (energy harvesting device employing one bluff body; Reference case). It leads to an effect of increasing the energy output (RMS power). Here, when the electrical energy output efficiency is the highest, it was found that the interval between the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400 (the interval between the bluff bodies implemented for the experiment) was 20 mm.

이상 본 발명의 일실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하였다. 이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기로 한다. The fluid-induced energy harvester having a nested structure according to an embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 측면도이고, 도 7은 본 발명 다른 실시예에 의해 전기 에너지가 생성되는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명 다른 실시예에 의해 생성된 전기 에너지의 출력(풍속에 따라 수확되는 전기 에너지의 출력)을 설명하기 위한 실험 데이터에 관한 도면이다. 6 is a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention. It is a side view for explanation, and FIG. 7 is a view for explaining a process in which electric energy is generated according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an output (harvesting according to wind speed) of electric energy generated by another embodiment of the present invention. It is a diagram of experimental data for explaining the output of electric energy that is used.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는 앞서 설명한 실시예와 대부분의 구성이 유사하나 한 쌍의 마그넷들(M)을 더 포함한다는 점에서 차이점을 가진다. As shown in these drawings, the fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention is similar in most configurations to the embodiment described above, but further includes a pair of magnets (M). Has a difference in

즉, 본 실시예에 채용된 한 쌍의 마그넷들(M)은 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400)에서 서로 마주하는 각각의 외면에 구비된다. 즉, 상기 한 쌍의 마그넷들(M) 중 어느 하나는 상기 외측 블러프 바디(200)에 설치되고, 다른 하나는 상기 내측 블러프 바디(400)에 설치되되 상기 어느 하나의 마그넷과 대향하는 위치에 설치됨으로써, 상기 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400) 사이에 척력을 발생시킨다. That is, the pair of magnets M employed in this embodiment are provided on the outer surfaces of the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400 facing each other. That is, any one of the pair of magnets (M) is installed on the outer bluff body 200, and the other is installed on the inner bluff body 400, but is a position opposite to any one of the magnets By being installed in, a repulsive force is generated between the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400.

상기 마그넷들(M)은, 유체와 마찰된 외측 블러프 바디(200)의 갤로핑 진동 시, 상기 외측 블러프 바디(200)와 마찰되지 않고 그대로 통과한 유체와 마찰되어 내측 블러프 바디(400)가 갤로핑 진동할 때, 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400) 사이에 척력을 발생시켜 블러프 바디를 서로 밀어냄(도 7의 (b) 및 (c) 참조)으로써, 유체의 이동 속도가 낮을 경우에도 블러프 바디에 갤로핑 진동을 발생시킴은 물론 그 진동을 지속시킬 수 있고 전기 에너지 발생 효율을 증대시키는 효과를 도출한다. The magnets M are rubbed with the fluid passing through the outer bluff body 200 without being rubbed against the outer bluff body 200 when the galloping vibration of the outer bluff body 200 rubbed against the fluid. ) When galloping vibrates, by generating a repulsive force between the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400 to push the bluff bodies to each other (see FIGS. 7(b) and (c)) In addition, even when the moving speed of the fluid is low, galloping vibration is generated in the bluff body, and the vibration can be sustained, resulting in an effect of increasing the efficiency of electric energy generation.

본 실시예는 도 8에 나타난 바와 같이, 상기 한 쌍의 마그넷들(M)이 외측 블러프 바디(200)와 내측 블러프 바디(400)에 각각 구비된 경우, 유체의 이동 속도(Wind speed)가 저속(5 내지 7m/s)일 때도 척력으로 인해 전기 에너지가 발생되는 것을 알 수 있다. In this embodiment, as shown in FIG. 8, when the pair of magnets M are provided on the outer bluff body 200 and the inner bluff body 400, respectively, the fluid movement speed (Wind speed) It can be seen that electrical energy is generated due to the repulsive force even when is low speed (5 to 7 m/s).

또한, 본 실시예는 도 8에 나타난 바와 같이 외측 블러프 바디(200)의 갤로핑 진동으로 인한 고유주파수(외측 블러프 바디와 연결된 외측 캔틸레버들(Outer beam)의 진동에 의한 고유주파수인 5.8㎐)가, 내측 블러프 바디(400)와 연결된 내측 캔틸레버(Inner beam)(300)에서도 나타나며 전기 에너지를 생성함으로써, 전기 에너지 생성 효율을 증대시킨다. In addition, this embodiment is a natural frequency due to the galloping vibration of the outer bluff body 200 (a natural frequency of 5.8 Hz due to the vibration of the outer cantilevers connected to the outer bluff body 200) as shown in FIG. ) Appears in the inner cantilever 300 connected to the inner bluff body 400 and generates electric energy, thereby increasing electric energy generation efficiency.

이상 본 발명의 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하였다. 이하에서는 도 9를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기로 한다. In the above, a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention has been described. Hereinafter, a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기를 설명하기 위한 사시도이다. 9 is a perspective view for explaining a fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기는, 앞서 설명한 실시예와 대부분의 구성이 유사하나 외측 블러프 바디(200)의 구조에 있어서 차이점이 있고, 자석들(700)을 더 포함한다는 점에서 차이점을 가진다. As shown in FIG. 9, the fluid-induced energy harvester having a nested structure according to another embodiment of the present invention is similar in most configurations to the above-described embodiment, but differs in the structure of the outer bluff body 200 There is a difference in that it further includes the magnets 700.

즉, 본 실시예는 외측 블러프 바디(200)에 설치되는 한 쌍의 코일들(600)을 더 포함하고, 그 코일들(600)과 마주하는 위치에 설치되는 자석들(700)을 더 포함하는 것이 바람하다. That is, this embodiment further includes a pair of coils 600 installed on the outer bluff body 200, and further includes magnets 700 installed at positions facing the coils 600 It is windy to do.

상기 한 쌍의 코일들(600)은 외측 블러프 바디(200)의 상기 외측 캔틸레버(100)의 길이방향과 직교하는 방향을 따라 형성되는 양측에 각각 권회된다. 또한 상기 자석들(700)은 구조물의 타측(코일들과 마주하는 타측)에 설치됨으로써, 상기 코일들(600)과의 상호작용으로 전자기 유도에 의해 에너지 수확을 가능하게 하는 효과를 가진다. The pair of coils 600 are respectively wound on both sides of the outer bluff body 200 formed along a direction orthogonal to the longitudinal direction of the outer cantilever 100. In addition, the magnets 700 are installed on the other side of the structure (the other side facing the coils), so that energy can be harvested by electromagnetic induction through interaction with the coils 600.

본 실시예는 코일들(600)이 설치된 외측 블러프 바디(200)에 갤로핑 진동이 발생될 경우, 그 코일들과 자석들(700) 사이에 전자기 유도 현상을 발생시키며 이 과정에서 전기 에너지를 생성시킴으로써, 외측 캔틸레버들(100) 및 내측 캔틸레버(300)에 마련된 에너지 발생부재(500)와 함께 전기 에너지를 생성시켜 에너지 수확 효율을 높이는 장점을 도출한다. In this embodiment, when galloping vibration occurs in the outer bluff body 200 in which the coils 600 are installed, an electromagnetic induction phenomenon is generated between the coils and the magnets 700, and electrical energy is generated in this process. By generating electric energy together with the energy generating member 500 provided in the outer cantilevers 100 and the inner cantilever 300, the advantage of increasing energy harvesting efficiency is derived.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은, 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개발을 할 수 있음은 자명하다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the embodiments described above, but is defined by what is described in the claims, and various modifications and developments can be made in the technical field to which the present invention belongs. It is self-evident.

S: 구조물 M: 마그넷들
100: 외측 캔틸레버들 101: 외측 고정단부
102: 외측 자유단부 200: 외측 블러프 바디
201: 마찰면 300: 내측 캔틸레버
301: 내측 고정단부 302: 내측 자유단부
400: 내측 블러프 바디 500: 에너지 발생부재
600: 코일들 700: 자석들S: Structure M: Magnets
100: outer cantilevers 101: outer fixed end
102: outer free end 200: outer bluff body
201: friction surface 300: inner cantilever
301: inner fixed end 302: inner free end
400: inner bluff body 500: energy generating member
600: coils 700: magnets

Claims (5)

서로 간격을 두고 평행하게 배치되고, 각각 유체가 이동하는 이동로 상에 설치되며, 구조물의 일측에 고정되는 외측 고정단부와 상기 유체의 흐름에 의해 상기 외측 고정단부를 중심으로 하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅되는 외측 자유단부를 가지는 한 쌍의 외측 캔틸레버들;
와유기 진동 또는 갤로핑 동작 중 적어도 하나의 움직임이 구현될 수 있도록 상기 유체와 마찰되는 마찰면을 구비하며, 상기 외측 캔틸레버들의 외측 자유단부 측에 결합되는 외측 블러프 바디;
상기 외측 블러프 바디와 외측 캔틸레버들 사이의 내측 공간에 배치되고, 상기 구조물에 고정되는 내측 고정단부와, 그 내측 고정단부를 중심으로 틸팅되는 내측 자유단부를 가지는 내측 캔틸레버;
상기 내측 공간에 배치되고, 상기 내측 캔틸레버에 결합되는 내측 블러프 바디; 및
상기 외측 캔틸레버들과 내측 캔틸레버에 결합되는 것으로, 캔틸레버들의 틸팅에 따른 변형에 의해 전기에너지를 생성시키는 에너지 발생부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기.
Arranged in parallel at intervals from each other, each installed on a moving path through which the fluid moves, and within a certain angle range with the outer fixed end fixed to one side of the structure and the outer fixed end by the flow of the fluid. A pair of outer cantilevers having a tilted outer free end;
An outer bluff body having a friction surface that rubs against the fluid so that at least one movement of a wave organic vibration or a galloping operation can be implemented, and coupled to an outer free end side of the outer cantilevers;
An inner cantilever disposed in an inner space between the outer bluff body and the outer cantilevers and having an inner fixed end fixed to the structure and an inner free end tilted around the inner fixed end;
An inner bluff body disposed in the inner space and coupled to the inner cantilever; And
A fluid-induced energy harvester having a nested structure, comprising: an energy generating member coupled to the outer cantilevers and the inner cantilever and generating electrical energy by deformation according to the tilting of the cantilevers.
 제1항에 있어서,
상기 에너지 발생부재는 압전소자인 것을 특징으로 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기.
The method of claim 1,
The energy generating member is a fluid-induced energy harvester having a nested structure, characterized in that the piezoelectric element.
 제1항에 있어서,
상기 외측 블러프 바디와 내측 블러프 바디 간의 척력을 발생시킬 수 있게 하는 한 쌍의 마그넷들을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기.
The method of claim 1,
A fluid-induced energy harvester having a nested structure, characterized in that it further comprises a pair of magnets capable of generating a repulsive force between the outer bluff body and the inner bluff body.
 제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 마그넷들 중 어느 하나는 상기 외측 블러프 바디에 설치되고, 다른 하나는 상기 내측 블러프 바디에 설치되되 상기 어느 하나의 마그넷과 대향하는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기.
The method of claim 3,
A nested structure, characterized in that one of the pair of magnets is installed on the outer bluff body, and the other is installed on the inner bluff body, but is installed at a position opposite to the one of the magnets. With fluid-induced energy harvester.
 제1항에 있어서,
상기 외측 블러프 바디의 상기 외측 캔틸레버의 길이방향과 직교하는 방향을 따라 형성되는 양측에 각각 권회되는 한 쌍의 코일들; 및
상기 코일과의 상호작용으로 전자기 유도에 의한 에너지 수확이 가능하도록, 상기 구조물의 타측에 설치되는 자석들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 네스티드 구조를 가진 유체유발 에너지 수확기.The method of claim 1,
A pair of coils wound on both sides of the outer bluff body formed along a direction orthogonal to the longitudinal direction of the outer cantilever; And
A fluid-induced energy harvester having a nested structure, comprising: magnets installed on the other side of the structure to enable energy harvesting by electromagnetic induction through interaction with the coil.
KR1020190028486A 2019-03-13 2019-03-13 Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure KR20200110486A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190028486A KR20200110486A (en) 2019-03-13 2019-03-13 Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190028486A KR20200110486A (en) 2019-03-13 2019-03-13 Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200110486A true KR20200110486A (en) 2020-09-24

Family

ID=72706393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190028486A KR20200110486A (en) 2019-03-13 2019-03-13 Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200110486A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2613278A (en) * 2022-04-22 2023-05-31 Univ Jiangsu Fluid-induced vibration energy harvesting apparatus with non-rotating bluff body

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2613278A (en) * 2022-04-22 2023-05-31 Univ Jiangsu Fluid-induced vibration energy harvesting apparatus with non-rotating bluff body
US20230396191A1 (en) * 2022-04-22 2023-12-07 Jiangsu University Fluid-induced vibration energy harvesting apparatus with non-rotating bluff body
US11979099B2 (en) * 2022-04-22 2024-05-07 Jiangsu University Fluid-induced vibration energy harvesting apparatus with non-rotating bluff body

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20160356265A1 (en) Non-rotating wind energy generator
AU2012288359B2 (en) Dynamo
US8519554B2 (en) Device and method for harvesting energy from flow-induced oscillations
GB2464482A (en) Oscillating mass fluid energy converter
CN109312713B (en) Generator
US20160013737A1 (en) Electrical Energy Generator and Method of Generating Electrical Energy
JP4923245B2 (en) Vibration generator with fluid
JP2014510877A (en) Non-rotating wind energy generator
KR100691796B1 (en) Vibration generator using permanent magnet and piezoelectric ceramics and generating method using thereof
KR20200110487A (en) Flow induced vibration energy harvester of velocity flow type
KR20200110486A (en) Flow induced vibration energy harvester with a nested bluff-body structure
JP2007016756A (en) Wind power generation device
RU2292106C2 (en) Magnetoelectric generator
WO2017148019A1 (en) Miniature nuclear battery and energy conversion method therefor
KR101478446B1 (en) Energy harvester using large-amplitude vibration
KR20210107209A (en) Permanent magnet generator and wingless wind generator using the same
KR102072921B1 (en) Efficient wind energy harvesting system with bulb sectional shape bluff body
CN114731092A (en) Electric power generator
CN112737411A (en) Piezoelectric power generation device
RU2340069C1 (en) Magnetoelectric generator
CN114039507B (en) Multidirectional nonlinear broadband piezoelectric energy collection device utilizing spring snap effect
KR102402974B1 (en) Wind energy utilization type energy harvesting apparatus
CN220421679U (en) Low-frequency multidirectional magnetic coupling piezoelectric-electromagnetic hybrid energy collector
JP7083546B2 (en) Vortex-excited resonance combined cycle
CN112392661B (en) Oscillating wind power generation equipment with adjustable frequency

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E601 Decision to refuse application