WO2013081318A1 - 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 - Google Patents

단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치 Download PDF

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WO2013081318A1
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spring
pivot
extraction device
support
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최종수
홍섭
김형우
여태경
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한국해양연구원
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device, by using the vortex induced vibration, which is a natural phenomenon caused by the interaction between the flow velocity and the vortex generating cylinder, there is no danger to aquatic organisms.
  • the present invention relates to an eco-friendly clean energy extraction device using GIV which prevents the destruction of the natural ecosystem and has no greenhouse gas emission, which is very useful for the alternative energy development method.
  • Conventional power generation includes thermal power generation using fossil fuels, hydroelectric power using positional energy, wind power using kinetic energy of wind, solar power using solar energy, nuclear power using nuclear fission, and wave energy.
  • Wave power generation as a source ocean temperature differential generation using the temperature difference according to the depth of the current, tidal power generation using the difference between tides, and current generation using the current as the energy source due to the difference of tidal currents and the topography.
  • Korean patent application No. 10-2009-0011395 has been proposed "environmental clean energy extraction device using VIV", but due to the complicated link structure, the link of the mechanism part is damaged or attached to the link due to the underwater obstacle. There is a high risk of interference and failure.
  • Simple reciprocating pivot rotating organic vibration energy extraction device is to solve the problems of the prior art, minimizing the efficiency degradation of the VIV energy extraction device due to various obstacles (garbage, net, biological carcass, etc.)
  • the aim is to minimize mechanical and hydrodynamic losses by applying a simple structure.
  • the linkage of the mechanism part due to underwater obstacles is likely to be damaged and attached to the link, which may interfere with the movement or cause a malfunction. Therefore, the number of link parts is minimized to reduce the cause of failure, reduce power loss, and insert the spring part into the support. The purpose is to improve the durability of the device.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting device is installed in the sea or a river, and the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting device is generated by water flow rate.
  • Vortex generating cylinder which vortices vibrates up and down due to vortex generation due to peeling;
  • a connecting member having one end fixed to the vortex generating cylinder;
  • a pivot shaft coupled to the other end of the connection member;
  • a power generation device connected to the pivot shaft and configured to transfer vertical motion of the vortex generating cylinder through the pivot shaft to convert kinetic energy of vortex vibration into electrical energy;
  • it characterized in that it comprises a support for fixing the power generator.
  • the vortex generating cylinder is characterized in that the cylindrical cylinder shape.
  • the pivot shaft is characterized in that a plurality of bearings are arranged on the outer circumferential surface so that the connecting member rotates and the load is supported.
  • connection member one end is connected to the connection member, the other end is characterized in that it comprises a plurality of springs connected to the support.
  • the plurality of springs are connected to the connecting member is divided into both sides around the pivot axis, when the vertical direction of the support is divided by the connecting member, located in the same vertical direction, And a spring generating a clockwise moment and a spring generating a counterclockwise moment.
  • the plurality of springs are connected in the same horizontal direction to the connection member about the pivot axis, when the vertical direction of the support is divided by the connection member, the position in the opposite vertical direction
  • a spring for generating a clockwise moment and a spring for generating a counterclockwise moment are provided.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex vibration energy extracting device is installed in the sea or a river, and the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting device is viewed from the surface by the flow rate.
  • a vortex generating cylinder in which vortices are generated due to vortex peeling and vortexing and vibrating up and down;
  • a connecting member having one end fixed to the vortex generating cylinder;
  • a pivot shaft coupled to the other end of the connection member;
  • a power generation device connected to the pivot shaft and configured to transfer vertical motion of the vortex generating cylinder through the pivot shaft to convert kinetic energy of vortex vibration into electrical energy;
  • a spring connection block slidably connected to the support; And one end connected to the connection member, and the other end includes a plurality of springs connected to the spring connection block.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex vibration energy extracting device is installed in a sea or a river, and in the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting device by water flow rate, A vortex generating cylinder in which vortices are generated due to vortex peeling to vortex organic vibration up and down;
  • a connecting member having one end fixed to the vortex generating cylinder;
  • a pivot shaft coupled to the other end of the connection member;
  • a power generation device connected to the pivot shaft and configured to transfer vertical motion of the vortex generating cylinder through the pivot shaft to convert kinetic energy of vortex vibration into electrical energy;
  • a spring connection block slidably connected to the support;
  • the spring connection block is slid along the support, characterized in that for adjusting the length of the spring by the sliding, to adjust the tension of the spring.
  • the spring connecting block is slidable along the guide fixed to the support, the driver for driving the spring connecting block up and down along the support in order to adjust the tension through the shankdong of the spring Characterized in that it comprises a.
  • the support includes a cover portion, the spring connection block, the spring, the guide, the driver is included in the support, it characterized in that the cover part is watertight and water.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex vibration energy extracting device is installed in a sea or a river, and in the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting device by water flow rate, A plurality of vortex generating cylinders in which vortices are generated due to vortex peeling, and vortices vibrate up and down; A plurality of connecting members each of which has one end fixed to the plurality of vortex generating cylinders; A plurality of pivot shafts coupled to the other ends of the plurality of connection members, respectively; A power generator connected to each of the plurality of pivot shafts, the vertical movement of the plurality of vortex generating cylinders being transmitted through each of the pivot shafts, thereby converting the kinetic energy of the vortex vibration into electrical energy; A support for fixing the power generator; The support has a plurality of spring connection blocks slidably connected; A plurality of spring connection members fixed to a plurality of said pivot shafts, respectively; And one end connected to each of the plurality of spring connection
  • the vortex vibration energy extraction method using the simple reciprocating pivot type vortex vibration vibration energy extraction device according to the present invention is a vortex generating cylinder which vortices oscillates up and down due to vortices generated by vortex peeling from the surface by the flow velocity.
  • a connecting member having one end fixed to the vortex generating cylinder;
  • a pivot shaft coupled to the other end of the connection member;
  • a power generation device connected to the pivot shaft and configured to transfer vertical motion of the vortex generating cylinder through the pivot shaft to convert kinetic energy of vortex vibration into electrical energy;
  • a spring connection block slidably connected to the support; One end is connected to the connecting member, the other end of the installation step of installing a simple reciprocating pivot rotary type organic vibration energy extraction device comprising a plurality of springs connected to the spring connection block in the sea or river;
  • a pivot axis rotating step in which the kinetic energy of the vortex oscillation in which the vortex generating cylinder moves up and down by the flow velocity of the sea or the river rotates the pivot shaft;
  • a power generation step in which the rotational motion of the pivot shaft is converted into electrical energy and generated in the power generator connected to the pivot shaft.
  • the tension adjustment step of changing the tension of the spring by sliding the spring connecting block along the support is characterized by including.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex energy extraction device uses only the pivot link in the link of the mechanism and directly connects the spring and the generator to the pivot link in the water, thereby reducing the total inertia and lowering the mass ratio. This has the effect of expanding the resonance region.
  • the number of links is minimized, reducing the hydrodynamic damping of each link in the fluid, and reducing the number of joints connected between the links, thereby reducing structural (mechanical) damping, thereby reducing power loss. It works.
  • FIG. 1 is a view illustrating an environment-friendly clean energy extracting apparatus using XIV of the prior art.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction apparatus according to the present invention.
  • 3 (a) to 3 (d) are schematic views of a spring arrangement according to the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device as another embodiment according to the present invention.
  • Figure 5 is an enlarged view showing the height adjustment principle of the spring connection block according to the present invention.
  • Figure 6 is a schematic diagram of a spring arrangement for a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device as another embodiment according to the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device as another embodiment according to the present invention.
  • FIG. 8 is a flow chart of a method for extracting eddy vibration energy using a simple reciprocating pivot rotating vortex energy vibration extraction device according to the present invention.
  • Vortex-induced vibration (VIV) phenomenon is a technology that uses the resonance phenomenon caused by the fluid vorticity separation of the flow passing through the structure, and the lifting force in the vertical direction of the flow alternates with the structure as the vortex occurs.
  • VIV vortex vibration
  • the variation frequency (fs) of lift causing the vortex vibration (VIV) is determined by the correlation with the Strouhal number (S), which is expressed by Equation 1 below.
  • the lift force FL acting on the object can be calculated by Equation 2 below.
  • ⁇ is the fluid density
  • CL is the lift factor
  • ⁇ s is 2 ⁇ fs
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex energy extraction device is a technique using a nonlinear resonance phenomenon called phase locking of a fluid flow passing through a structure.
  • FIG. 1 is a view illustrating an environment-friendly clean energy extracting apparatus using XIV of the prior art.
  • the conventional eco-friendly clean energy extraction device using the V is connected to the generator through the mechanism of the increase / deceleration of the opposite end of the lever, kinetic energy is transmitted to the generator exposed to the air through a complex link structure
  • the energy loss is large, and the weakness of the link structure damage caused by the complex link, the aquatic organisms, the garbage, and the like have various factors that can impede the movement of the complex link structure.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device according to the present invention proposed to overcome this problem.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device 1 is installed in the sea or rivers vortex due to vortex peeling generated from the surface by the flow rate of water
  • the vortex generating cylinder 100 the connecting member 200, the pivot shaft 300, the generator 400, and the support 500.
  • Vortex generating cylinder 100 is a cylindrical cylinder shape, the vortex generating cylinder 100 and the connecting member 200 is fixedly coupled.
  • One end of the connecting member 200 is fixedly coupled to the vortex generating cylinder 100, and the other end is connected to the pivot shaft 300 so that the up and down vibration of the vortex generating cylinder 100 is transmitted to the connecting member 200.
  • the pivot shaft 300 coupled with the connection member 200 is rotated.
  • a plurality of bearings are arranged at appropriate intervals so that the connecting member 200 smoothly rotates and the load is supported.
  • the up and down vibration movement of the vortex generating cylinder 100 rotates the pivot shaft 300 through the connecting member 200, and is transmitted to the power generator 400 connected to the pivot shaft 300, so that the vortex vibration movement is generated by electrical energy. Is converted.
  • the generator 400 is fixed to the support 500, the support 500 is fixed to the bottom of the sea or river, it is to fix the simple reciprocating pivot rotation type organic energy extraction device (1).
  • the vortex generating cylinder 100 is submerged in water and converts the kinetic energy transmitted through the connecting member 200, the pivot shaft 300, and the pivot shaft 300 connected to the vortex generating cylinder 100 into electrical energy. All of the power generator 400 is also submerged in water, and after the up and down vibration movement of the vortex generating cylinder 100 passes through only one connecting member 200, the pivot shaft 300 directly in the power generator 400 The conversion to electrical energy minimizes energy loss.
  • 3 (a) to 3 (d) are schematic views of a spring arrangement according to the present invention.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex energy vibration extraction device 1 includes a spring 600.
  • One end of the spring 600 is connected to the connection member 200, and the other end is connected to the support 500, and a plurality of springs 600 are installed.
  • the plurality of springs 600 are divided into both sides in the horizontal direction with respect to the connecting member 200 with respect to the pivot shaft 300, and the support of the support 500 When dividing the vertical direction with respect to the connection member 200 is located in the same vertical direction.
  • FIG. 3 (a) shows that two springs 600 are arranged on the left and right sides of the pivot axis 300, and FIG. 3 (a) shows the two springs 600 located vertically upward. 3 (b) is located below both springs 600 vertically.
  • the spring 600 located on the right side is a spring generating a moment for rotating the connecting member 200 counterclockwise, and the spring 600 located on the left side moves the connecting member 200 clockwise.
  • the moment balance is adjustable through two springs 600.
  • 3 (c) and 3 (d) are a plurality of springs 600 are connected to the connection member 200 in the same horizontal direction about the pivot axis 300, the vertical direction of the support member 500 connecting member When divided about 300, it is arranged to be located in the vertical direction opposite to each other.
  • two springs 600 are both located on the left side of the pivot shaft 300, one is positioned vertically upward with respect to the connecting member 200, and the other is the connecting member ( 200 is positioned vertically downwards.
  • the spring 600 located vertically upward generates a counterclockwise moment in the connecting member 200, and the spring 600 located vertically downward generates a clockwise moment to balance each other.
  • Spring 600 according to the present invention is applicable to various types of spring, such as tension coil spring, compression coil spring, leaf spring.
  • the simple reciprocating pivot type vortex organic vibration energy extraction device 1 has a link structure using only the connecting member 200, and connects the spring 600 and the generator 400 underwater. There is a feature directly connected to the member 200, which reduces the overall inertia, thereby lowering the mass ratio.
  • Figure 4 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device as another embodiment according to the present invention.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting apparatus 1 includes a vortex generating cylinder 100, a connecting member 200, a pivot shaft 300, and a generator 400. , Support 500, spring 600, spring connection block 700, and spring connection member 800.
  • the vortex generating cylinder 100, the connecting member 200, the pivot shaft 300, the generator 400, and the support 500 are the same as described above,
  • the spring 600 is distinguished in that it is connected to the spring connection block 700 and the spring connection member 800, not directly connected to the connection member 200 and the support 500.
  • the power generator 400 may be directly attached to the support 500, but is fixed to the frame 410 frame 410 may be fixed to the support 500, such an attachment method is not limited to this example It is not.
  • Figure 5 is an enlarged view showing the height adjustment principle of the spring connection block according to the invention of FIG.
  • the support 500 is slidably installed with a spring connection block 700 is moved along the support 500, and can be fixed at a certain height.
  • the length of the spring 600 can be varied through the vertical movement of the spring connection block 700, the variable length of the spring 600 Through the tension of the spring 600 can be adjusted.
  • Adjusting the tension of the spring 600 is to ensure that the equilibrium position can be maintained even in the weight change due to the bio-attachment during or after the installation of the simple reciprocating pivot rotating organic vibration energy extraction device (1).
  • the support 500 is provided with a guide 710 to assist the guide to slide the spring connection block 700 up and down in the longitudinal direction of the support 500
  • the spring connection block 700 is a guide 710 According to Shanghai East.
  • the driver 720 for driving the spring connection block 700 up and down is installed, it is preferable to be installed in parallel with the guide 710, but is not limited thereto.
  • the guide 710 may be a guide of various forms such as an LM guide, a ball bushing guide, etc., which can be linearly moved, and the actuator 720 may also be a mixing method of a linear actuator or a rotary actuator and a mechanism.
  • electric linear actuators include linear electric motors, linear motions by mixing rotary electric motors and screws (rolling screws), linear motions by mixing rotary electric motors and rack-pinion gears, rotary electric motors and belts / chains.
  • Linear motion by means of rotary motion, linear motion by means of rotary electric motor and slide-crank is applicable, and as hydraulic type linear actuator, linear motion through mixing of hydraulic cylinder, rotary hydraulic motor and screw (rolling screw), rotary type Linear motion by mixing hydraulic motor and rack-pinion gear, linear motion by mixing rotary hydraulic motor and belt / chain, rotary hydraulic motor and slide Linear motion or the like through mixing of the ranks is possible, but is not limited thereto.
  • the tension adjustment of the spring 600 is made by a spring connection block 700, one end of which is fixed to the spring 600 for varying the length of the spring 600, the other end of the spring 600 to the pivot shaft 300 It is connected to the fixed spring connection member 310.
  • the spring connecting member 310 formed on the pivot shaft 300 spaced apart from the connecting member 200 by a predetermined interval is positioned closer to the support 500 than the connecting member 200.
  • the simple reciprocating pivot rotating vortex vibration energy extraction device 1 includes a vortex generating cylinder 100, a connecting member 200, a pivot shaft 300, a power generating device 400, and a support base. 500, a spring 600, and a spring connection block 700, one end of the spring 600 is connected to the spring connection member 310 in FIG. 4, and the other end is connected to the spring connection block 700.
  • a vortex generating cylinder 100 a connecting member 200
  • a pivot shaft 300 a power generating device 400
  • a support base 500
  • a spring 600, and a spring connection block 700 one end of the spring 600 is connected to the spring connection member 310 in FIG. 4, and the other end is connected to the spring connection block 700.
  • One end of the spring 600 may be connected to the spring connection member 310 and the other end may be directly connected to the connection member 200.
  • the spring connecting member 310 is separately provided to the pivot shaft 300 at a position closer to the support 500. Forming and connecting the spring 600 to the spring connection member 310 is advantageous for placing the spring 600 inside the support 500 and for watertight so that the spring 600 does not come into contact with water and thereby the underwater spring motion Since it is possible to prevent the fluid damping loss to be generated in advance, it is preferable to form the spring connection member 310 on the pivot shaft 300.
  • the support 500 includes a cover 510, and a storage space is provided to install the spring connection block 700, the spring 600, the guide 710, the driver 720, and the like in the support 500. It is secured.
  • the water does not directly contact the spring connection block 700, the spring 600, the guide 710, the driver 720, and the like.
  • Figure 6 is a schematic diagram of a spring arrangement for a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device as another embodiment according to the present invention.
  • a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extracting apparatus 1 includes a plurality of vortex generating cylinders 100, a plurality of connecting members 200, and a plurality of pivot shafts 300. ), A plurality of power generation device 400, the support 500, a plurality of springs 600, a plurality of spring connection block 700, and a plurality of spring connection member 800, a plurality of springs 600
  • the arrangement of can be arranged in various forms as shown in FIG.
  • the power generation using the vortex generation vibration principle of the vortex generating cylinder 100 and install a plurality of vortex generating cylinder 100 in the vertical direction of the support 500, and connected to correspond
  • the member 200, the pivot shaft 300, the generator 400, the spring 600, the spring connection block 700, and the spring connection member 800 are also provided in plural, respectively, to improve the power generation efficiency.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device according to another embodiment of the present invention.
  • the generator 400 is located outside the support 500. It is shown that 400 is located inside the support 500.
  • FIG. 8 is a flow chart of a method for extracting eddy vibration energy using a simple reciprocating pivot rotating vortex energy vibration extraction device according to the present invention.
  • the vortex vibration energy extraction method using a simple reciprocating pivot rotation type vortex vibration energy extraction device is the vortex generated by the vortex peeling from the surface by the flow rate up and down Vortex generating cylinder 100 for vortexing organic furnace;
  • a connection member 200 having one end fixed to the vortex generating cylinder 100;
  • a pivot shaft 300 coupled to the other end of the connection member 200;
  • a power generation device 400 connected to the pivot shaft 300 and configured to transfer a vertical motion of the vortex generating cylinder 100 through the pivot shaft 300 to convert kinetic energy of the vortex vibration into electrical energy;
  • Spring support block 700 is slidably connected to the support 500;
  • one end is connected to the connecting member 200, the other end is a simple reciprocating pivot rotating vortex organic vibration energy extraction device (1) comprising a plurality of springs 600 connected to the spring connection block 700 or Installation step for installing in the river (S100);
  • a pivot shaft rotating step (S200) in which the kinetic energy of the vortex
  • the spring connecting block 700 to the support 500 so that the equilibrium position can be maintained even in the weight change due to the biological attachment after the installation of the simple reciprocating pivot rotating organic vibration energy extraction device (1) It may include a tension adjustment step (S400) to change the tension of the spring 600 by sliding along.
  • S400 tension adjustment step
  • the tension adjustment step (S400) may be performed for the static equilibrium in the installation step (S100) of the initial simple reciprocating pivot rotating type organic vibration energy extraction device 1, the installation step (S100) and pivot axis rotation step It may be located between (S200).
  • It can be used in the field of the system for converting fluid flow energy, such as tidal current, current, river flow, etc. into energy, such as electric, hydraulic, mechanical energy, as well as similar and related fields, including the field of tidal power generation and current generation.
  • fluid flow energy such as tidal current, current, river flow, etc.
  • energy such as electric, hydraulic, mechanical energy, as well as similar and related fields, including the field of tidal power generation and current generation.

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Abstract

본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치
본 발명은 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 관한 것으로서, 유속과 와류발생실린더간의 상호작용에 의한 자연현상인 와유기진동(Vortex Induced Vibration)을 이용함으로써, 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.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 장애물(쓰레기, 그물, 생물사체 등)에 기인한 VIV에너지추출장치의 효율저하를 최소화하고, 단순한 구조를 적용하여 기계적/유체역학적 손실이 최소화하는데 그 목적이 있다.
또한, 여러 가지 정적평형이 변동될 요인에도 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 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 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 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 지지대에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 양 쪽으로 분할되어 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌때, 동일 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 동일 수평방향에 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌때, 서로 반대의 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 상기 피봇축에 고정된 스프링연결부재; 상기 스프링연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고, 상기 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 구동기는 상기 지지대 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 한다.
한편, 설치 위치나 조건에 따라 수밀이 아닌 외부의 큰 이물질의 유입만 방지하는 단순히 덮개기능만을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서, 상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 복수개의 와류발생실린더; 복수개의 상기 와류발생실린더에 일단이 각각 고정된 복수개의 연결부재; 복수개의 상기 연결부재의 타단과 각각 결합된 복수개의 피봇축; 복수개의 상기 피봇축과 각각 연결되고, 복수개의 상기 와류발생실린더의 상하운동이 각각의 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 복수개의 스프링 연결블록; 복수개의 상기 피봇축에 각각 고정된 복수개의 스프링연결부재; 및 복수개의 상기 스프링연결부재의 각각에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 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; 및 상기 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 기구의 링크중 피봇링크만 사용하고 스프링과 발전기를 수중에서 피봇링크에 직결하므로, 전체 관성이 줄어들어, 질량비(Mass ratio)를 낮출 수 있고 이를 통해 공진영역이 확대되는 효과가 있다.
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 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스프링 연결블록의 높이 조절 원리를 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 대한 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
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.
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.
수학식 1
Figure PCTKR2012009645-appb-M000001
여기서, S : Strouhal 수, U: 유속, D: 구조물 단면 직경
또한, 물체에 작용하는 양력(FL)은 아래의 수학식 2로 산출 가능하다.
수학식 2
Figure PCTKR2012009645-appb-M000002
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 공진이되는 비선형 공진현상이 발생하고, 이러한 비선형 공진현상을 위상잠김(Lock-in)이라고 한다.
본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치는 구조물을 지나가는 유체 유동의 위상잠김이라는 비선형 공진현상을 이용하는 기술인 것이다.
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.
도 2는 이러한 문제점을 극복하기 위해 제안된 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기 진동 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), 발전장치(400), 및 지지대(500)를 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(400)로 전달되어 와유기 진동운동은 전기 에너지로 변환된다.
발전장치(400)는 지지대(500)에 고정되고, 지지대(500)는 바다 또는 하천의 저면부에 고정설치되어, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기 진동 에너지추출 장치(1)를 고정하게 된다.
와류발생실린더(100)가 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 상태이고, 와류발생실린더(100)의 상하진동운동이 연결부재(200) 하나만을 거친후, 피봇축(300)을 통해 곧바로 발전장치(400)에서 전기 에너지로 변환되므로 에너지 손실이 최소화된다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 스프링(600)을 포함한다.
스프링(600)은 연결부재(200)에 그 일단이 연결되고, 타단은 지지대(500)에 연결되며, 복수개 설치된다.
복수개의 스프링(600)은 도 3(a) 및 도 3(b)와 같이, 피봇축(300)을 중심으로 연결부재(200)에 수평방향으로 양 쪽으로 분할되어 연결되고, 지지대(500)의 수직방향을 연결부재(200)를 중심으로 나눌때는 동일 수직방향에 위치한다.
즉, 도 3(a)는 두개의 스프링(600)이 피봇축(300)을 중심으로 왼쪽, 오른쪽에 배열되고, 도 3(a)는 두개의 스프링(600) 모두 수직 상방에 위치하며, 도 3(b)는 두 개의 스프링(600) 모두 수직 하방에 위치된다.
도 3(a)에서 오른쪽에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)를 반시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시키는 스프링이고, 왼쪽에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)를 시계방향으로 회전시키는 모멘트를 발생시켜, 모멘트 균형을 두 개의 스프링(600)을 통해 조절가능하다.
도 3(b)의 경우에는 오른쪽에 위치한 스프링(600)이 시계방향 모멘트를 발생시키고, 왼쪽에 위치한 스프링(600)이 반시계방향 모멘트를 발생시켜 균형을 이루게 된다.
도 3(c) 및 도 3(d)는 복수개의 스프링(600)이 피봇축(300)을 중심으로 연결부재(200)에 동일 수평방향에 연결되고, 지지대(500)의 수직방향을 연결부재(300)를 중심으로 나눌 때, 서로 반대의 수직방향에 위치되도록 배열된다.
즉, 도 3(c)는 두 개의 스프링(600)이 피봇축(300)의 왼편에 둘 다 위치되고, 하나는 연결부재(200)를 기준으로 수직 상방에 위치하며, 다른 하나는 연결부재(200)를 기준으로 수직 하방에 위치한다.
수직 상방에 위치한 스프링(600)은 연결부재(200)에 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 수직하방에 위치한 스프링(600)은 시계방향 모멘트를 발생시켜 서로 균형을 형성하도록 한다.
반대로 도 3(d)와 같이 두 개의 스프링(600)이 피봇축(600)의 오른편에 위치한 경우는 수직하방에 위치한 스프링(600)이 반시계방향 모멘트를 발생시키고, 수직상방에 위치한 스프링(600)이 시계방향 모멘트를 발생시킨다.
본 발명에 따른 스프링(600)은 인장코일스프링, 압축코일스프링, 판스프링 등 다양한 형태의 스프링이 적용가능하다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 링크 구조가 연결부재(200)만을 사용하고, 스프링(600)과 발전기(400)를 수중에서 연결부재(200)에 직결하는 특징이 있고, 이로 인해 전체 관성이 줄어들어, 질량비(Mass ratio)를 낮출 수 있다.
스프링(600)의 고유진동주파수(fn)와 와류발생실린더(100)의 양력의 변동주파수(fs)가 서로 비슷할 경우, 공진현상을 보이게 되어 운동에너지를 증가시킬 수 있는데, 결과적으로 질량비의 감소를 통해 공진영역이 확대됨으로써, 운동에너지의 증가를 기대할 수 있다.
질량비의 감소를 통한 공진영역 확대에 대해서는 R. Govardhan and C. H. K. Williamson, 2000, Modes of vortex formation and frequency response of a freeely vibrating cylinder, J. of Fluid Mech. V.420, pp.85-130.에 기재되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 지지대(500), 스프링(600), 스프링 연결블록(700), 및 스프링연결부재(800)를 포함한다.
와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 및 지지대(500)는 이미 설명한 바와 동일하고,
스프링(600)이 연결부재(200) 및 지지대(500)에 직접 연결되는 방식이 아닌 스프링 연결블록(700)과 스프링연결부재(800)에 연결된다는 점에서 구별된다.
또한 발전장치(400)는 지지대(500)에 직접 부착될 수도 있으나, 프레임(410)에 고정되어 프레임(410)이 지지대(500)에 고정될 수도 있고 이러한 부착방식은 예시에 지나지 않으므로 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 도 4의 본 발명에 따른 스프링 연결블록의 높이 조절 원리를 나타내는 확대도이다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 지지대(500)에는 슬라이딩 가능하게 스프링 연결블록(700)이 설치되어 지지대(500)를 따라 상하이동되고, 일정 높이에서 고정가능하다.
이와 같이, 스프링(600)의 일단을 스프링 연결블록(700)에 고정시킴으로써, 스프링 연결블록(700)의 상하 이동을 통해 스프링(600)의 길이를 가변할 수 있고, 스프링(600) 길이의 가변을 통해 스프링(600)의 장력을 조절할 수 있다.
스프링(600)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(500)에는 스프링 연결블록(700)을 상하 슬라이딩하는데 가이드를 도와주는 가이드(710)가 지지대(500)의 길이방향으로 설치되고, 스프링 연결블록(700)은 가이드(710)를 따라 상하이동한다.
또한, 스프링 연결블록(700)을 상하로 구동하기 위한 구동기(720)가 설치되며, 가이드(710)와 평행하게 설치되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
가이드(710)는 LM가이드, 볼부싱 가이드 등 선형운동이 가능한 다양한 형태의 가이드가 사용될 수 있으며, 구동기(720) 또한, 선형액츄에이터 또는 회전형액츄에이터와 기구의 혼합방식이 가능하며, 예를 들어, 전기방식 선형액츄에이터로서는 선형전기모터, 회전형전기모터와 스크류(전조나사)의 혼합을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 랙-피니언기어의 혼합을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 벨트/체인을 통한 선형운동, 회전형전기모터와 슬라이드-크랭크를 통한 선형운동방식이 적용가능하고, 유압방식 선형액츄에이터로서는 유압실린더, 회전형유압모터와 스크류(전조나사)의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 랙-피니언기어의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 벨트/체인의 혼합을 통한 선형운동, 회전형유압모터와 슬라이드-크랭크의 혼합을 통한 선형운동 등이 가능하고 이에 한정되는 것은 아니다.
스프링(600)의 장력조절은 스프링(600)의 길이를 가변시키는 스프링(600)의 일단이 고정된 스프링 연결블록(700)에 의해 이루어지고, 스프링(600)의 타단은 피봇축(300)에 고정된 스프링연결부재(310)에 연결된다.
연결부재(200)와 일정간격 이격되어 피봇축(300)에 형성된 스프링연결부재(310)는 연결부재(200)보다 지지대(500)에 근접하여 위치하게 된다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 와류발생실린더(100), 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 지지대(500), 스프링(600), 및 스프링 연결블록(700)을 포함하고, 도 4에서 스프링(600)의 일단이 스프링연결부재(310)에 연결되고, 타단이 스프링 연결블록(700)에 연결된 것과는 달리,
스프링(600)의 일단은 스프링연결부재(310)에 연결되고, 타단은 직접 연결부재(200)에 연결하여도 된다.
다만, 도 4의 실시예에서와 같이, 연결부재(200)에 직접 스프링(600)을 연결하지 않고, 지지대(500)와 보다 근접한 위치에서 피봇축(300)에 스프링연결부재(310)를 별도로 형성하고, 스프링연결부재(310)에 스프링(600)을 연결하는 것이 스프링(600)을 지지대(500) 내부에 위치시키고 스프링(600)이 물과 접촉하지 않도록 수밀시키는데 유리하고 이를 통해 수중 스프링 운동시 발생될 유체댐핑손실을 미연에 방지할 수 있으므로 스프링연결부재(310)를 피봇축(300)에 형성하는 것이 바람직하다.
지지대(500)는 커버부(510)를 포함하고, 지지대(500)의 내부에 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등을 설치가능하도록 수납공간이 확보되어 있다.
이러한 지지대(500)의 수납공간에 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등을 설치한 후, 커버부(510)로 지지대(500)를 수밀시킴으로써, 물과 스프링 연결블록(700), 스프링(600), 가이드(710), 구동기(720)등이 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이는 스프링(600)을 지지대(500) 내부에 설치하여 커버부(510)로 수밀하는 것은 외부와 접촉을 차단하여 외부영향을 최소화하고 내구성을 향상시키고 수중 운동시 발생될 유체댐핑손실을 방지하기 위함이다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 대한 스프링 배열에 관한 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)는 복수개의 와류발생실린더(100), 복수개의 연결부재(200), 복수개의 피봇축(300), 복수개의 발전장치(400), 지지대(500), 복수개의 스프링(600), 복수개의 스프링 연결블록(700), 및 복수개의 스프링연결부재(800)를 포함하며, 복수개의 스프링(600)의 배열은 도 3에서와 같이 다양한 형태로 배열가능하다.
와류발생실린더(100)의 와유기진동 원리를 이용하여 발전을 한다는 점에서는 이미 설명한 바와 동일하고, 지지대(500)의 수직방향을 따라 복수개의 와류발생실린더(100)를 설치하고, 이에 대응되도록 연결부재(200), 피봇축(300), 발전장치(400), 스프링(600), 스프링 연결블록(700), 및 스프링연결부재(800)도 각각 복수개로 설치하여 발전효율을 향상시키는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 개략도로서, 도 2에서는 발전기(400)가 지지대(500)의 외측에 위치했으나, 그 변형으로서, 발전기(400)가 지지대(500)의 내측에 위치하는 것을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법의 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법은 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)과 연결되고, 상기 와류발생실린더(100)의 상하운동이 상기 피봇축(300)을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치(400); 상기 발전장치(400)를 고정지지하는 지지대(500); 상기 지지대(500)에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록(700); 및 상기 연결부재(200)에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록(700)에 연결된 복수개의 스프링(600)을 포함하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)를 바다 또는 하천에 설치하는 설치단계(S100); 바다 또는 하천의 유속에 의해 상기 와류발생실린더(100)가 상하운동하는 와유기진동의 운동에너지가 상기 피봇축(200)을 회전시키는 피봇축 회전단계(S200); 및 상기 피봇축(300)에 연결된 상기 발전장치(400)에서 상기 피봇축(300)의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계(S300)를 포함한다.
또한, 추가적으로, 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 설치이후의 생물부착으로 인한 무게변화에도 평형위치가 유지될 수 있도록 상기 스프링 연결블록(700)을 상기 지지대(500)를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링(600)의 장력을 변화시키는 장력조절단계(S400)을 포함할 수도 있다.
또한, 장력조절단계(S400)는 초기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치(1)의 설치단계(S100)에서 정적 평형을 위해 수행될 수도 있으므로, 설치단계(S100)와 피봇축 회전단계(S200) 사이에 위치할 수도 있다.
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.
조류발전 분야 및 해류발전 분야를 포함하여, 조류, 해류, 하천유동 등의 유체 유동에너지를 전기, 유압, 기계 에너지와 같은 에너지로 변환하는 시스템 분야는 물론, 이와 유사 내지 연관된 분야에서 이용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 및
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와류발생실린더는 원통형 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재가 회전운동되고 하중이 지지되도록 상기 피봇축은 외주면에 복수개의 베어링이 배열된 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 지지대에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 양 쪽으로 분할되어 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌 때, 동일 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 스프링은 상기 피봇축을 중심으로 상기 연결부재에 동일 수평방향에 연결되되, 상기 지지대의 수직방향을 상기 연결부재를 중심으로 나눌 때, 서로 반대의 수직방향에 위치하여, 시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링과 반시계방향 모멘트를 발생시키는 스프링이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  7. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및
    상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  8. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 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 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록;
    상기 피봇축에 고정된 스프링연결부재;
    상기 스프링연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 스프링 연결블록이 상기 지지대를 따라 슬라이딩되고,
    상기 슬라이딩에 의해 상기 스프링의 길이를 조절하여, 상기 스프링의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  10. 제9항에 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 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 지지대는 커버부를 포함하여,
    상기 스프링 연결블록, 상기 스프링, 상기 가이드, 상기 구동기는 상기 지지대 내부에 포함되고, 상기 커버부에 의해 물과 수밀되는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  12. 바다 또는 하천에 설치되어 물의 유속에 의해 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치에 있어서,
    상기 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 복수개의 와류발생실린더;
    복수개의 상기 와류발생실린더에 일단이 각각 고정된 복수개의 연결부재;
    복수개의 상기 연결부재의 타단과 각각 결합된 복수개의 피봇축;
    복수개의 상기 피봇축과 각각 연결되고, 복수개의 상기 와류발생실린더의 상하운동이 각각의 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치;
    상기 발전장치를 고정지지하는 지지대;
    상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 복수개의 스프링 연결블록;
    복수개의 상기 피봇축에 각각 고정된 복수개의 스프링연결부재; 및
    복수개의 상기 스프링연결부재의 각각에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치.
  13. 유속에 의해 표면에서 보오텍스(vortex) 박리에 따라 와류가 발생하여 상하로 와유기진동하는 와류발생실린더; 상기 와류발생실린더에 일단이 고정된 연결부재; 상기 연결부재의 타단과 결합된 피봇축; 상기 피봇축과 연결되고, 상기 와류발생실린더의 상하운동이 상기 피봇축을 통해 전달되어 와유기진동의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치; 상기 발전장치를 고정지지하는 지지대; 상기 지지대에는 슬라이딩 가능하여 연결된 스프링 연결블록; 및 상기 연결부재에 일단이 연결되고, 타단은 상기 스프링 연결블록에 연결된 복수개의 스프링을 포함하는 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 피봇축에 연결된 상기 발전장치에서 상기 피봇축의 회전운동이 전기에너지로 변환되어 발전되는 발전단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치의 정적 평형을 조절하기 위해, 상기 스프링 연결블록을 상기 지지대를 따라 슬라이딩시켜 상기 스프링의 장력을 변화시키는 장력조절단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치를 이용한 와유기진동 에너지 추출방법.
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