웨이크 갤로핑 현상을 이용한 에너지 수확 시스템

Abstract

에너지 수확 시스템은 진동, 햇빛, 바람, 온도차와 같은 외부환경에 산재해 있는 에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 여러 가지 에너지원 중에서도 바람 에너지는 효율과 경제성과 같은 매력으로 인해 가장 촉망 받는 에너지원의 하나로 생각할 수 있다. 그런데, 일반적인 형태의 풍력 터빈 방식을 구조물의 건전도 평가용 무선 센서와 같은 저전력 장치의 전원 공급용으로 사용할 경우 발전 효율이 매우 나빠지게 된다. 최근, 플러터, 갤로핑, 와류진동과 같은 공기역학적 불안정 현상을 이용한 풍력 발전 시스템에 대한 연구가 새롭게 시도되고 있다. 본 연구에서는 바람에 의한 진동을 이용한 새로운 에너지 수확 시스템을 심도 깊게 연구하였다. 이를 위해 다양한 공기역학적 불안정 현상의 특성과 메커니즘을 조사하였고, 웨이크 갤로핑이 에너지 수확에 가장 적합한 진동 현상의 하나임을 확인하였다. 웨이크 갤로핑 현상의 발생 조건을 보다 명확하게 파악하기 위해 풍동실험을 수행하였다. 풍동 실험에 의하면, 원주 간격을 4~5D로 종렬 배치하고 Scruton 수를 낮게 하면, 저풍속에서 진동이 발현하며 넓은 풍속 범위에서 진동이 발생하게 된다. 이러한 특징은 바람 에너지를 전기에너지로 전환하는데 효과적이다. 풍동실험 결과를 토대로, 병렬 원주를 이용한 전자기 유도식 에너지 수확 장치를 처음으로 제안하였다. 에너지 수확 시스템의 효율을 예측하기 위해 에너지 수확 시스템의 해석 모델을 유도하였다. 제안된 에너지 수확 시스템의 효율을 검증하기 위해 일련의 풍동실험을 수행하였다. 또한, 풍동실험 결과와 비교를 통해 해석 모델의 적정성을 확인하였다. 실험 결과에 의하면, 제안된 에너지 수확 시스템이 풍속 4.5 m/s에서 370 mW정도의 전력을 생산할 수 있다. 해석 모델을 이용하여 에너지 수확 시스템의 최적화 방안을 고찰하였다. 또한, 제안된 시스템의 토목 공학 분야로의 적용 가능성이 검토되었다. 최종적으로, 웨이크 갤로핑을 이용한 에너지 수확 시스템이 효율적이고, 안정적이며 토목 구조물에 적용 가능한 에너지 수확 시스템이 될 수 있다고 결론지었다.