[논문 리뷰] Energy harvesting using vortex-induced vibrations of tensioned cables

Clément Grouthier, Sébastien Michelin외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 01.

Vibration and Dynamic Analysis인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 긴장된 케이블에서 비틀림 진동(VIV)을 이용한 에너지 수확을 배경 진동 모델을 사용하여 연구하며, 케이블의 진동과 배경의 진동 사이에 주파수 락인 상태에 도달할 경우 연속형 및 이산형 수확 구성 모두에서 최대 효율 약 0.2(20%)를 달성함을 보여준다. 이 방법은 스케일러블하고 유동 적응형 에너지 추출이 가능하며, 대규모 적용 가능성이 있음.

ABSTRACT

The development of energy harvesting systems based on fluid/structure interactions is part of the global search for innovative tools to produce renewable energy. In this paper, the possibility to harvest energy from a flow using vortex-induced vibrations (VIV) of a tensioned flexible cable is analyzed. The fluid loading on the vibrating solid and resulting dynamics are computed using an appropriate wake-oscillator model, allowing one to perform a systematic parametric study of the efficiency. The generic case of an elastically-mounted rigid cylinder is first investigated, before considering an infinite cable with two different types of energy harvesting : a uniformly spanwise distributed harvesting and then a periodic distribution of discrete harvesting devices. The maximum harvesting efficiency is of the same order for each configuration and is always reached when the solid body and its wake are in a frequency lock-in state.

연구 동기 및 목표

• 긴장된 유연한 케이블에서 비틀림 진동(VIV)을 이용한 에너지 수확의 실현 가능성과 효율성을 분석하는 것.
• 최적의 전력 추출을 위한 케이블에 따른 에너지 수확 장치의 연속형 대비 이산형 분포를 비교하는 것.
• 특히 주파수 락인 상태에 초점을 맞춰 최대 에너지 수확 효율이 달성되는 조건을 규명하는 것.
• 대규모 유동 구동 시스템에서 VIV 기반 수확의 스케일러비리티와 적응 가능성 평가

제안 방법

• Facchinetti 등(2004b)과 de Langre(2006)의 배경 진동 모델을 기반으로 유체-구조 상호작용 및 VIV 역학을 시뮬레이션하는 데 사용함.
• 무한한 긴장된 케이블로 모델링하며, 선형화된 배경 진동 모델을 사용하여 분포형 또는 주기적 에너지 수확 장치를 적용함.
• 감쇠 밀도, 긴장력, 수확 장치 간격이 에너지 수확 효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 정량적 연구를 수행함.
• 락인 조건은 배경 주파수와 구조 모드 주파수 간의 동기화로 정의되며, 주요 매개변수들은 차원 분석을 통해 유도됨.
• 정규화된 출력 전력을 사용하여 수확 효율을 계산하며, 탄성 지지된 강체 실린더와 같은 알려진 구성과의 비교를 통해 결과를 검증함.
• 실제 성능을 추정하기 위해 체계적 척도 조정을 적용하였으며, 1.5 m/s 유속에서 100 m 길이의 케이블에 대한 총 출력 전력도 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 긴장된 케이블이 비틀림 진동을 겪을 때 도달 가능한 최대 에너지 수확 효율은 얼마인가요?
• RQ2 동일한 유속 조건에서 연속형 대비 이산형 에너지 수확 구성의 효율은 어떻게 비교되나요?
• RQ3 케이블의 구조 모드와 배경 진동 사이의 주파수 락인이 에너지 추출을 최대화하는 조건은 무엇인가요?
• RQ4 유속 변화에 대응하여 탄성 긴장 제어를 통해 시스템이 높은 효율을 유지할 수 있나요?
• RQ5 감쇠 밀도, 수확 장치 간격, 케이블 긴장력과 같은 핵심 매개변수들이 전체 수확 성능에 미치는 영향은 어떻게 되나요?

주요 결과

• 연속형 및 이산형 수확 구성 모두에서 최대 에너지 수확 효율은 약 0.2(20%)이며, 이는 시스템이 주파수 락인 상태에 도달했을 때 도달됨.
• 탄성 지지 강체 실린더의 경우 최적 효율은 δ = 0.89 및 ξ = 0.18에서 발생하며, 이는 특정 무차원 주파수 및 감쇠 비율에 해당함.
• 국소화된 수확 장치를 갖춘 긴장된 케이블의 경우 최적 효율은 π/l = 0.92 및 ξ = 3.65에서 달성되며, 이는 다른 그러나 유사한 성능 영역임을 시사함.
• 긴장력이 유속에 따라 스케일링될 경우(Θ ∼ U²), 최적 감쇠 장치 간격 L ≈ 4 m는 유속에 영향을 받지 않게 되어 다양한 유속 조건에서 안정된 성능을 유지함.
• 0.04 m 지름, 1.5 m/s 유속, 100 m 길이의 케이블에 25개의 수확 장치를 4m 간격으로 배치하고 최적 튜닝을 적용할 경우 약 1215 W의 전력을 수확할 수 있음.
• 수평 방향 운동 및 선형 케이블 역학에 대한 가정에 대해 결과가 강인하며, 배경 진동 모델이 핵심적인 락인 및 효율 추세를 잘 반영함.