KR20210078962A - Energy harvesting apparatus by using collision - Google Patents

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KR20210078962A KR1020190170953A KR20190170953A KR20210078962A KR 20210078962 A KR20210078962 A KR 20210078962A KR 1020190170953 A KR1020190170953 A KR 1020190170953A KR 20190170953 A KR20190170953 A KR 20190170953A KR 20210078962 A KR20210078962 A KR 20210078962A
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김대겸
김준영
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Abstract

The present invention relates to an energy harvesting apparatus using collision, and more particularly, to a device that harvests energy by using the phenomenon in which a vibrating object collides with other objects around it due to flow-induced vibration. In the related are, a structure connected through a complicated link of converting kinetic energy of a cylinder into rotational energy through a link connected to a cylinder or a crankshaft and collecting electric energy through a power generation unit. However, the present invention provides energy harvesting apparatus having a simplified structure of only a vibrating cylinder and a fixed wall, so that it is advantages from a management and maintenance point of view. In addition, in the prior art, energy is collected through a beam that deforms when the cylinder vibrates by connecting a beam with a piezoelectric element attached to the cylinder. However, the present invention exploits the collision of the cylinder with the wall to enables energy to be collected through various elements such as compression-based piezoelectric elements and triboelectric generator elements, in addition to bending-based piezoelectric elements. In addition, unlike the general cylinder model, which shows the lock-in phenomenon, in which the vibration frequency of the cylinder shows great vibration only at a flow rate similar to the resonant frequency, according to the present invention, the feature, in which vibration is conducted at a wide range of flow rates when a wall is placed around the cylinder, is used, so that energy capture by vibration is facilitated over a wider range of flow rates.

Description

충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치{Energy harvesting apparatus by using collision}Energy harvesting apparatus by using collision

본 발명은 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동 유기 진동에 의해 진동하는 물체가 주위에 있는 다른 물체와 충돌하는 현상을 이용하여 에너지를 수확(harvesting)하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting apparatus using collision, and more particularly, to an apparatus for harvesting energy using a phenomenon in which an object vibrating by flow induced vibration collides with another object around it. .

기존의 와유기 진동(vortex-induced vibration, VIV)을 활용한 에너지 하베스팅 장치들은 실린더에 연결된 링크 혹은 크랭크 축을 통해 실린더의 운동에너지를 회전에너지로 전환시켜 발전부를 통해 전기 에너지를 포집하거나, 실린더에 빔을 연결하여 실린더가 진동할 때 변형하는 빔에 압전소자를 부착하여 전기 에너지를 포집하는 방법을 채택하고 있다. 일반적인 실린더 모델이 실린더의 진동 주파수가 공진 주파수와 비슷한 유속에서만 큰 진동을 보이는 Lock-in 현상을 보이게 되어, 진동이 일어나는 유속 범위가 매우 좁은 문제점이 있었다.Energy harvesting devices using the existing vortex-induced vibration (VIV) convert the kinetic energy of the cylinder into rotational energy through a link or crankshaft connected to the cylinder to collect electrical energy through the power generation unit, or A method of collecting electrical energy by attaching a piezoelectric element to a beam that deforms when a cylinder vibrates by connecting a beam is adopted. The general cylinder model exhibits a lock-in phenomenon in which the vibration frequency of the cylinder shows a large vibration only at a flow rate similar to the resonance frequency, so there is a problem that the flow velocity range in which the vibration occurs is very narrow.

KRUS 10-106182410-1061824 B1B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종래 실린더에 연결된 링크 혹은 크랭크 축을 통해 실린더의 운동에너지를 회전에너지로 전환시켜 발전부를 통해 전기 에너지를 포집하는 방식과 같이 복잡한 링크를 통해 연결된 구조가 아니라, 진동하는 실린더와 고정된 벽만의 단순화된 구조이므로 관리 및 유지보수 관점에서 장점이 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve such a problem, and a structure connected through a complex link, such as a method of converting kinetic energy of a cylinder into rotational energy through a link or a crankshaft connected to a conventional cylinder and collecting electric energy through a power generation unit. It is an object of the present invention to provide an energy harvesting device that is advantageous in terms of management and maintenance because it is a simplified structure of only a vibrating cylinder and a fixed wall.

또한 종래 기술에서는 실린더에 압전 소자가 부착된 빔을 연결하여 실린더가 진동할 때 변형하는 빔을 통해 에너지를 포집하는데 반해, 본 발명은 실린더와 벽의 충돌을 이용함으로써, 굽힘 기반의 압전소자 뿐만 아니라 압축 기반의 압전소자, 그리고 마찰전기 발전소자 등의 다양한 소자를 통해 에너지를 포집할 수 있게 하며, 또한 일반적인 실린더 모델이 실린더의 진동 주파수가 공진 주파수와 비슷한 유속에서만 큰 진동을 보이는 Lock-in 현상을 보이는 것과 달리, 실린더 주위에 벽이 배치되었을 때는 넓은 범위의 유속에서 진동하는 특징을 이용하여, 진동에 의한 에너지 포집을 더욱 넓은 범위의 유속에서 가능하게 하는데 다른 목적이 있다.In addition, in the prior art, energy is collected through a beam that deforms when the cylinder vibrates by connecting a beam with a piezoelectric element attached to the cylinder, whereas the present invention uses the collision between the cylinder and the wall, so that not only the bending-based piezoelectric element but also the It enables energy to be collected through various elements such as compression-based piezoelectric elements and triboelectric generator elements, and also prevents the lock-in phenomenon in which the general cylinder model shows large vibration only at a flow rate where the vibration frequency of the cylinder is similar to the resonance frequency. Contrary to what it seems, another purpose is to enable energy capture by vibration at a wider range of flow rates by using the property of vibrating at a wide range of flow rates when the wall is placed around the cylinder.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치는, 유체 유동에 의해 진동하는 실린더; 상기 실린더와 충돌하는 충돌 벽; 및, 상기 실린더를 유체의 유동과 수직한 방향으로 주기적으로 진동시켜 주기 위한 상부 플랫폼을 포함한다.In order to achieve the above object, an energy harvesting apparatus using a collision according to the present invention includes: a cylinder vibrating by a fluid flow; an impingement wall colliding with the cylinder; and an upper platform for periodically vibrating the cylinder in a direction perpendicular to the flow of the fluid.

본 발명에 의하면, 종래 실린더에 연결된 링크 혹은 크랭크 축을 통해 실린더의 운동에너지를 회전에너지로 전환시켜 발전부를 통해 전기 에너지를 포집하는 방식과 같이 복잡한 링크를 통해 연결된 구조가 아니라, 진동하는 실린더와 고정된 벽만의 단순화된 구조이므로 관리 및 유지보수 관점에서 장점이 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 효과가 있다. 또한 실린더와 벽의 충돌을 이용함으로써, 종래 기술과 같은 굽힘 기반의 압전소자 뿐만 아니라 압축 기반의 압전소자, 그리고 마찰전기 발전소자 등의 다양한 소자를 통해 에너지를 포집할 수 있게 하며, 또한 종래 기술에서는 실린더에 압전 소자가 부착된 빔을 연결하여 실린더가 진동할 때 변형하는 빔을 통해 에너지를 포집하는데 반해, 본 발명은 실린더와 벽의 충돌을 이용함으로써, 굽힘 기반의 압전소자 뿐만 아니라 압축 기반의 압전소자, 그리고 마찰전기 발전소자 등의 다양한 소자를 통해 에너지를 포집할 수 있게 하며, 또한 일반적인 실린더 모델이 실린더의 진동 주파수가 공진 주파수와 비슷한 유속에서만 큰 진동을 보이는 Lock-in 현상을 보이는 것과 달리, 실린더 주위에 벽이 배치되었을 때는 넓은 범위의 유속에서 진동하는 특징을 이용하여, 진동에 의한 에너지 포집을 더욱 넓은 범위의 유속에서 가능하게 하는 효과가 있다.According to the present invention, it is not a structure connected through a complicated link, such as a method of converting kinetic energy of a cylinder into rotational energy through a link or a crankshaft connected to a conventional cylinder and collecting electric energy through a power generation unit, but a fixed structure with a vibrating cylinder. Since it is a simplified structure of only the wall, there is an effect of providing an energy harvesting device with advantages in terms of management and maintenance. In addition, by using the collision between the cylinder and the wall, energy can be collected through various elements such as a compression-based piezoelectric element as well as a bending-based piezoelectric element as in the prior art, and a triboelectric generator element, and also in the prior art Whereas energy is collected through a beam that deforms when the cylinder vibrates by connecting a beam with a piezoelectric element attached to the cylinder, the present invention uses the collision between the cylinder and the wall, so that not only the bending-based piezoelectric element but also the compression-based piezoelectric element is used. It allows energy to be collected through various elements such as elements and triboelectric generator elements, and unlike the general cylinder model, which exhibits a lock-in phenomenon in which the vibration frequency of the cylinder shows great vibration only at a flow rate similar to the resonance frequency, When the wall is disposed around the cylinder, it has the effect of enabling energy collection by vibration at a wider range of flow rates by using the characteristic of vibrating at a wide range of flow rates.

도 1은 본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치에서의 실린더의 진동에 의한 충돌을, 위에서 내려다 본 형태로 도시한 모식도 및, 이러한 충돌에 의해 발생되는 전류 신호를 나타내는 도면.
도 3은 종래 에너지 하베스팅 장치와 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치에서의 유속에 따른 진동 특성을 비교하여 도시한 도면.1 is a view showing an energy harvesting apparatus using a collision according to the present invention.
2 is a schematic diagram showing a collision caused by vibration of a cylinder in an energy harvesting apparatus using collision according to the present invention in a top down view, and a diagram showing a current signal generated by such collision.
3 is a view showing a comparison of vibration characteristics according to flow rate in the conventional energy harvesting device and the energy harvesting device according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all of the technical spirit of the present invention, so at the time of the present application, various It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1은 본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅(harvesting) 장치(100)를 도시한 도면이다.1 is a view showing an energy harvesting (harvesting) apparatus 100 using a collision according to the present invention.

도 1(a)는 본 발명의 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)를 위에서 내려다본 사시도이고, 도 1(b)는 본 발명의 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)를 아래에서 올려다본 사시도이다.Figure 1 (a) is a perspective view of the energy harvesting apparatus 100 using the collision of the present invention looking down from above, Figure 1 (b) is the energy harvesting apparatus 100 using the collision of the present invention looking up from the bottom is a perspective view.

실린더가 유체 유동 내에 배치되게 되면, 실린더 후류에 와류가 발생하게 되며 실린더는 유체로부터 주기적인 힘을 받아 진동하게 된다.When the cylinder is placed in the fluid flow, a vortex is generated in the wake of the cylinder, and the cylinder vibrates under periodic force from the fluid.

본 발명의 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)는, 이와 같은 유체 유동에 의해 직접적으로 진동하는 실린더(110), 실린더와 충돌하는 벽과 같은 물체(이하, 이와 같은 물체를 통칭하여 '충돌 벽'이라 칭한다)(120) 및 실린더(110)를 유체의 유동과 수직한 방향으로 주기적으로 진동시켜 주기 위한 상부 플랫폼(130)을 포함한다. The energy harvesting apparatus 100 using the collision of the present invention is an object such as a cylinder 110 directly vibrating by such a fluid flow and a wall colliding with the cylinder (hereinafter, such an object is collectively referred to as a 'collision wall'). ') 120 and an upper platform 130 for periodically vibrating the cylinder 110 in a direction perpendicular to the flow of the fluid.

본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)는, 충돌 벽(120)을 진동하는 실린더와 충분히 가까이 배치시킴으로써 실린더(110)가 충돌 벽(120)과 충돌하게 하고, 이로써 발생하는 유체의 운동 에너지를 충돌 에너지로 변환하도록 한다. 이때 충돌 벽(120)과 충돌하는 실린더(110) 사이에 에너지 포집을 위한 장치를 배치시킴으로써 실린더(110)와 충돌 벽(120)의 충돌 에너지를 전기 에너지의 형태로 포집할 수 있게 된다.The energy harvesting apparatus 100 using collision according to the present invention causes the cylinder 110 to collide with the collision wall 120 by arranging the collision wall 120 sufficiently close to the vibrating cylinder, and the resulting fluid Convert kinetic energy into collision energy. At this time, by disposing a device for collecting energy between the collision wall 120 and the colliding cylinder 110 , it is possible to collect the collision energy between the cylinder 110 and the collision wall 120 in the form of electrical energy.

즉, 본 발명의 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)는, 다양한 유체 유동의 에너지를 1차적으로 실린더(110)의 진동 에너지로 변환하고, 그 후 진동하는 기둥형 구조체(실린더)(110) 측면에 적절히 에너지 하베스팅 소자가 부착된 충돌 벽(120)을 배치함으로써 충돌 벽(120)과 실린더(110)의 충돌을 통해 유체 유동 에너지를 최종적으로 전기에너지로 변환할 수 있다.That is, the energy harvesting apparatus 100 using the collision of the present invention primarily converts the energy of various fluid flows into vibration energy of the cylinder 110 and then vibrates the columnar structure (cylinder) 110 . By disposing the collision wall 120 to which the energy harvesting element is appropriately attached to the side surface, the fluid flow energy can be finally converted into electrical energy through the collision between the collision wall 120 and the cylinder 110 .

상부 플랫폼(130)은, 실린더(110)의 진동 방향을 제한하기 위한 샤프트(131), 진동시 실린더(110)의 마찰을 최소화 시켜주기 위한 베어링부(132) 및 스프링(133)을 구비한다. 베어링부(132)는 일 실시예로서 에어부싱(air bushing) 방식의 블럭일 수 있으며, 진동 판(134)의 진동시 진동 판(134)과 샤프트(131)의 마찰을 감소시켜 주는 역할을 수행한다. 샤프트(131)는 샤프트 고정부(135)에 의해 고정되어 있다.The upper platform 130 includes a shaft 131 for limiting the vibration direction of the cylinder 110 , a bearing part 132 for minimizing friction of the cylinder 110 during vibration, and a spring 133 . The bearing part 132 may be an air bushing type block as an embodiment, and serves to reduce friction between the vibration plate 134 and the shaft 131 when the vibration plate 134 vibrates. do. The shaft 131 is fixed by the shaft fixing part 135 .

실린더(110)의 상단은 진동 판(134)에 부착되어 있으며, 실린더(110)의 진동시 진동 판(134)은 함께 진동하게 된다. 진동 판(134)의 양측면에는 도시된 바와 같이 스프링(133)이 부착되어 있다. 스프링(133)의 탄성계수를 변화시키면, 실린더(110)의 진동 특성 역시 변화하므로, 스프링(133)은 실린더(110)의 진동 특성을 결정하게 된다. 즉, 다양한 강성을 갖는 스프링을 사용하여, 단순히 스프링을 교체하는 것만으로도 실린더의 진동 특성을 변화시킬 수 있다.The upper end of the cylinder 110 is attached to the vibration plate 134 , and when the cylinder 110 vibrates, the vibration plate 134 vibrates together. A spring 133 is attached to both sides of the vibration plate 134 as shown. When the elastic modulus of the spring 133 is changed, the vibration characteristics of the cylinder 110 also change, so the spring 133 determines the vibration characteristics of the cylinder 110 . That is, it is possible to change the vibration characteristics of the cylinder by simply replacing the spring by using a spring having various rigidity.

또한 실린더(110)와 충돌 벽(120) 사이의 간격도 유동적으로 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 다양한 유동에 대해 최적의 에너지 하베스팅 효율을 얻을 수 있다.In addition, the distance between the cylinder 110 and the collision wall 120 can also be changed fluidly, and through this, the optimum energy harvesting efficiency can be obtained for various flows.

실린더(110) 또는 충돌 벽(120)은 에너지를 포집하기 위한 에너지 하베스팅 소자(미도시)를 포함하며 이는 압전소자 혹은 마찰전기 발전소자(TENG) 등 다양한 소자를 사용할 수 있다.The cylinder 110 or the collision wall 120 includes an energy harvesting element (not shown) for collecting energy, and various elements such as a piezoelectric element or a triboelectric generator (TENG) may be used.

도 2는 본 발명에 따른 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)에서의 실린더(110)의 진동에 의한 충돌 벽(120)과의 충돌을, 위에서 내려다 본 형태로 도시한 모식도(a) 및, 이러한 충돌에 의해 발생되는 전류 신호(b)를 나타내는 도면이다.2 is a schematic diagram (a) showing the collision with the collision wall 120 due to the vibration of the cylinder 110 in the energy harvesting apparatus 100 using collision according to the present invention in a top-down form; It is a diagram showing a current signal (b) generated by such a collision.

전술한 바와 같이, 실린더(110) 또는 충돌 벽(120)은 충돌에 의한 에너지를 포집하기 위한 에너지 하베스팅 소자(미도시)를 포함하며, 이러한 에너지 하베스팅 소자에는 압전소자 혹은 마찰전기 발전소자(TENG) 등 다양한 소자를 사용할 수 있는데, 이러한 소자에 의하여, 충돌에 의한 진동이 전류 신호(b)로 바뀌게 된다. 즉, 이러한 에너지 하베스팅 소자를 이용하여 실린더(110)와 충돌 벽(120)의 충돌 에너지를 전기 에너지의 형태로 변환하여 포집할 수 있게 된다.As described above, the cylinder 110 or the collision wall 120 includes an energy harvesting element (not shown) for collecting energy due to the collision, and the energy harvesting element includes a piezoelectric element or a triboelectric power generating element ( TENG), etc., can be used, and by these elements, the vibration caused by the collision is changed to the current signal (b). That is, it is possible to convert the collision energy of the cylinder 110 and the collision wall 120 into the form of electric energy and collect it using such an energy harvesting element.

도 3은 종래 에너지 하베스팅 장치와 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)에서의 유속에 따른 진동 특성을 비교하여 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a comparison of vibration characteristics according to flow rate in the conventional energy harvesting apparatus and the energy harvesting apparatus 100 according to the present invention.

도 3(a)와 같이, 일반적인 실린더 모델이 실린더의 진동 주파수가 공진 주파수와 비슷한 유속에서만 큰 진동을 보이는 Lock-in 현상을 보이는 것과 달리, 본 발명의 에너지 하베스팅 장치(100)와 같이 실린더(110) 주위에 충돌 벽(120)이 배치되었을 때는 도 3(b)에서처럼 넓은 범위의 유속에서 진동하는 특징을 나타낸다. 이로써, 진동에 의한 에너지 포집을 더욱 넓은 범위의 유속에서 가능하게 하는 장점이 있게 된다.As shown in Fig. 3(a), unlike the general cylinder model showing the lock-in phenomenon in which the vibration frequency of the cylinder shows large vibration only at a flow rate similar to the resonance frequency, the cylinder ( When the collision wall 120 is disposed around 110), it exhibits a characteristic of vibrating at a wide range of flow rates as in FIG. 3(b). Thereby, there is an advantage of enabling energy capture by vibration at a wider range of flow rates.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치(100)는, 수력, 풍력 등의 유체 유동에너지를 통해 전기 에너지를 포집할 수 있다.The energy harvesting apparatus 100 using the collision of the present invention as described so far may collect electrical energy through fluid flow energy such as hydraulic power or wind power.

이 과정에서 추가적인 오염원 발생이 없으므로, 친환경에너지를 얻을 수 있으며 이전부터 사용되어 온 터빈을 사용한 풍력 및 수력 발전에 비해 작은 스케일의 유동에도 적용하여 에너지를 얻을 수 있다. 이를 활용하여 상대적으로 적은 에너지를 필요로 하는 무선통신, 센서의 전력 공급 등에도 사용할 수 있다.Since there is no additional pollution source in this process, eco-friendly energy can be obtained, and energy can be obtained by applying it to a small-scale flow compared to wind and hydroelectric power using turbines that have been used before. By using this, it can be used for wireless communication, which requires relatively little energy, and to supply power to sensors.

특히 해양 오염을 판별하는데 사용되는 다양한 센서를 위한 발전 시스템 및 수중 통신에도 적용이 가능하다.In particular, it can be applied to power generation systems and underwater communications for various sensors used to determine marine pollution.

100: 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치
110: 실린더
120: 충돌 벽
130: 상부 플랫폼
131: 샤프트
132: 베어링부
133: 스프링
134: 진동 판
135: 샤프트 고정부100: energy harvesting device using collision
110: cylinder
120: collision wall
130: upper platform
131: shaft
132: bearing part
133: spring
134: vibration plate
135: shaft fixing part

Claims (1)

충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치로서,
유체 유동에 의해 진동하는 실린더;
상기 실린더와 충돌하는 충돌 벽; 및,
상기 실린더를 유체의 유동과 수직한 방향으로 주기적으로 진동시켜 주기 위한 상부 플랫폼
을 포함하는 충돌을 이용한 에너지 하베스팅 장치.An energy harvesting device using collision, comprising:
a cylinder vibrating by the fluid flow;
an impingement wall colliding with the cylinder; and;
An upper platform for periodically vibrating the cylinder in a direction perpendicular to the flow of the fluid
Energy harvesting device using a collision comprising a.
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