Energy harvesting system converts ambient energy from environment, such as vibration, sunlight, wind, temperature gradient, etc. into electrical energy. Among several ambient energy sources, wind energy could be considered as one of the most promising sources because of its attractive features such as efficiency and economic merit. However, it might be too inefficient if an ordinary type of wind turbine is used for providing the electricity to low-power equipment (e.g., wireless sensors for structural health monitoring, etc.). Recently, alternative (or innovative) approaches for wind power systems have been investigated by focusing on the aerodynamic instability phenomena, such as flutter, galloping, and vortex-induced vibration. A new energy harvesting system using wind-induced vibration is thoroughly investigated in this study. The character-istics and mechanisms of various aerodynamic instability phenomena are examined and it is confirmed that wake galloping is one of the most appropriate phenomenon for energy harvesting. The wind tunnel tests are carried out in order to gain a better understanding of the occurrence condition of the wake galloping phenom-enon. According to the wind tunnel tests, in the case of 4D to 5D spacing of the cylinders in tandem arrange-ment with low Scruton number, the onset wind speed of vibration is very low and the range of wind speeds is considerably wide. These properties enable the system to convert wind energy into electrical energy effective-ly. Based on the results of wind tunnel tests, an electromagnetic energy harvesting device using the parallel cylinders is first proposed. The analysis models of the proposed system are derived for estimating the effec-tiveness of the energy harvesting system. A series of wind tunnel tests are performed to verify the effective-ness of the proposed energy harvesting system. Also, assessment of the analysis models is confirmed by com-paring with the results of wind tunnel tests. Based on the test results, the electric power of about 370 mW could be generated at the wind speed of 4.5 m/s by the proposed energy harvesting system. Optimization of energy harvesting system is considered by the analysis model. Also, application possibility of the proposed system in the field of civil engineering is discussed. It is concluded that the proposed energy harvesting system using wake galloping could be an efficient and stable system and applied to civil engineering structures.
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.
