와류를 겪는 실린더에서 압전 에너지 추출

Jul 08, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6924(2023) 이 기사 인용

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깨끗하고 지속 가능한 전력을 생산함으로써 증가하는 전 세계 에너지 수요를 해결하기 위해 내부 공진을 통해 해류/바람의 운동 에너지를 활용하는 새로운 개념이 제안되었습니다. 이 작업에서는 비선형 회전 중력 진자를 사용하여 광범위한 유속에 대해 탄성 장착 실린더를 자동 매개변수적으로 자극합니다. 이 개념은 에너지 수확을 위해 비동기화 영역에서 와류 유발 진동(VIV)으로 인한 실린더의 진동 진폭을 증가시키기 위해 채택되었습니다. 이와 관련하여, 진자가 부착된 원통으로 구성되고 바닥에 장착된 압전 변환기를 사용하여 에너지를 수확하는 VIV 기반 에너지 수확 장치가 제안됩니다. 실린더는 유체 흐름을 받을 때 VIV를 겪으며 이는 결합된 유체-다체 실린더-진자 시스템을 자동 매개변수 방식으로 여기시킵니다. 비동기화 영역에서는 와류 발산 주파수가 진자의 고유 주파수의 2배가 되면 내부 공명이 발생합니다. 이는 다른 경우에는 발생하지 않는 실린더의 더 높은 진동 진폭을 달성하는 데 도움이 됩니다. 이 연구는 실린더가 유체에 가해지는 교차 흐름 와류 유발 진동을 자유롭게 나타내는 2자유도(2-DoF) 실린더-진자 시스템에 중점을 둡니다. 이 연구의 목적은 비선형 회전 중력 진자(NRGP)가 시스템의 VIV 특성 및 압전 효율에 미치는 영향을 수치적으로 조사하는 것입니다. 수치 모델은 압전 구성 방정식과 결합된 후류 발진기 모델을 기반으로 합니다. VIV로 인한 응답 특성에 대한 NRGP 장치의 주파수 비율, 질량 비율, 비틀림 감쇠 비율 및 원통 직경 대 진자 길이 비율의 영향도 조사되었습니다. NRGP가 있는 실린더와 없는 실린더에 대해 광범위한 감소 속도를 갖는 흐름에 대해 전기 장력 및 효율 측면에서 상세한 비교 분석이 수치적으로 수행됩니다. 진자와 VIV를 겪는 실린더 사이의 내부 공명이 생성된 전기 장력에 미치는 영향에 대한 포괄적인 연구도 보고되어 있습니다.

와류 유발 진동(VIV)은 구조가 유체 흐름을 받을 때 관찰할 수 있는 실제적인 영향을 미치는 가장 일반적인 유체 역학 현상 중 하나입니다. VIV는 Roshko1, Griffin 및 Ramberg2, Bearman3과 같은 여러 연구자에 의해 자세히 연구되었습니다. Williamson과 Govardhan4, Sarpkaya5의 리뷰 기사와 Belvins6, Sumer 및 Fredsøe7의 책에서 볼 수 있습니다. 지난 수십 년 동안 많은 연구자들은 소용돌이로 인한 구조물의 움직임을 활용하여 유체 운동 에너지를 활용하고 이를 전기 에너지로 변환하는 다양한 방법에 중점을 두었습니다8,9. 구조 부품의 VIV는 정전기10, 전자기11, 압전 발전기12를 사용하여 전력으로 변환될 수 있으며, 이는 마이크로 전자 기계 시스템에 전력을 공급하거나 원격 위치에서 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 소규모 에너지 생성원은 근처의 전자 장비 및 자체 전력 공급 장치에 전력을 공급하는 데 유용합니다13. 실제 VIV 문제에서 전기 기계 시스템은 주변 소음의 영향(예: 유입 흐름의 변동 또는 시스템의 기하학적 결함)의 영향을 받으며 동적 동작에 큰 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 효율적인 에너지 수확을 위해 다양한 확률론적 소음의 효과도 다양한 연구자들에 의해 조사되고 있습니다14,15.

최근에는 압전 변환기를 사용하여 VIV에서 에너지를 추출하는 효율적인 방법에 초점을 맞춘 수많은 기여가 있었습니다. 이러한 변환기에는 변형 에너지를 전기 에너지로 변환하는 고유한 기능이 있습니다. 에너지를 추출하는 가장 일반적이고 쉬운 방법은 압전 재료를 유연/탄성 장착 구조에 부착하는 것입니다. Truitt16은 깃발 모양의 멤브레인에 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 압전 재료를 고정하여 풍력 기반 에너지 수확기를 고안했으며 최대 1.5mW의 전력을 얻었습니다. Song et al.17은 압전 막으로 캔틸레버로 연결된 두 개의 직렬 실린더의 VIV 및 후류 유발 진동(WIV)을 활용하여 에너지 하베스팅의 새로운 개념을 제안했으며 최대 21 \(\mu\)W의 전력 출력을 기록했습니다. Wang과 Ko18은 유체 흐름 채널 위에 고정된 압전 필름에서 에너지를 수확했습니다. Mehmood et al.19는 압전 재료로 고정된 탄성 장착 실린더의 진동을 결합하는 전기 기계 지배 방정식을 사용하여 수치 조사를 수행했습니다. 그들은 부하 저항으로 인해 동기화 폭과 진폭에 상당한 영향이 있음을 관찰했습니다. Franzini와 Bunzel20은 VIV를 적용한 압전 수확기에 장착된 실린더의 전력 출력에 대한 수치 조사를 수행했습니다. 해당 연구에서는 단방향(교차 흐름) 및 양방향(교차 흐름 및 인라인) VIV와 관련된 두 가지 다른 구성을 연구했습니다. 두 구성 모두에서 와류 발산 빈도가 구조적 빈도, 즉 잠금 영역에 가까울 때 전력 출력과 효율이 더 높았습니다. 단방향 및 양방향 VIV에 대해 각각 2.6mW 및 11mW의 최대 전력 출력이 보고되었습니다. Arionfard와 Nishi21은 2880~22300 범위의 레이놀즈 수(Re)에 대해 VIV를 겪는 피벗 실린더에 대해 실험 조사를 수행했으며 최대 전력 출력은 60mW라고 보고했습니다. 후속 실험 연구에서 Nishi 등22은 발전기와 VIV에 노출된 1차 실린더 사이에 2차 실린더를 배치하여 전기 장력(전압)을 최대 9V까지 증가시켜 에너지를 추출하는 효율적인 방법을 제안했습니다. , Soti et al.23은 실린더를 자석에 부착하면 \(Re = 150\)에서 최대 0.13까지 수확된 무차원 전력을 얻을 수 있다고 보고했습니다. 에너지 수확은 Lu 등의 2자유도(2-DoF) 시스템을 형성하는 2차 질량 스프링이 장착된 직교류 진동 원형 실린더에서도 조사되었습니다. 2개의 "고정" 영역이 관찰되었습니다. 이 시스템에서는 시스템의 1차 및 2차 공진에 해당합니다. 이론적 분석은 2-DoF 시스템에 대한 Hu et al.25,26의 작업에서 수행되어 질주 및 동시 공탄성 및 기저 여기의 에너지 수확 능력을 평가했습니다. 이러한 연구는 높은 질량비를 다루는 공탄성 관점에서 수행되었습니다. 그러나 일반적으로 해양 및 유체 역학 환경에서 관찰되는 낮은 질량비에 대해 흐름으로 인한 영향을 분석하는 것이 더욱 어려워지고 있습니다. 압전 에너지 수확을 위한 다양한 장치의 최근 개발에 관한 자세한 논의는 Elahi et al.27의 리뷰 기사에서 찾을 수 있습니다.