In this study, the development of a rotational energy harvester whose natural frequency is able to manually adjust the resonance frequency of structures is discussed. The proposed energy harvesters are based upon a spiral spring also called a coiled spring. The device is the combination of the rotational energy harvester and the suspended weight. Thus, it can harvest the electrical power by the electric generator from the translational base excitation associated with low frequency and large amplitude of vibrational energy induced from the civil engineering structures and the ocean. Its resonance frequency can be changeable by manipulating the size of a reel (i.e., geometrical tunability). Two newly invented architectures are proposed and fabricated in order to validate the proposed energy harvester after the study for rotational energy harvester. The proposed energy harvester can be modelled as a single degree-of-freedom system. To this end, the characteristics of the proposed device are investigated through analytical estimation and experimental test. In the analytical estimation, the electromechanical model is established from impedance method of mechanical to electrical system. To evaluate the performance of the proposed system, the prototypes are set on a vertical shaking table, the in-service bridge, and the water tank and then a series of experimental tests are performed.
본 연구에서는 구조물의 공진 주파수에 수동적으로 동조를 할 수 있는 회전형 에너지 하베스터 개발에 대해 논의한다. 제안된 에너지 하베스팅 시스템은 나선형 스프링을 기반으로 하여 회전형 에너지 하베스터와 질량을 결합하였다. 따라서 토목 구조물이나 해양에서 발생하는 진동에너지의 낮은 주파수와 큰 진폭을 가지는 수직방향의 가진으로부터 전기적 에너지를 수확할 수 있다. 시스템의 공진 주파수는 릴의 사이즈를 변경하는 기하학적 방법을 통해 조절이 가능하다. 회전 에너지 하베스터의 연구를 진행하고, 제안 시스템의 검증을 위해 새로 개발된 형태의 시스템을 제안하고 제작하였다. 회전 에너지 하베스터는 단자유도 시스템으로 모델링 하였으며, 수치해석과 실험을 통해 제안 시스템의 특성에 대한 연구를 수행하였다. 수치해석에서는 임피던스 기법을 통해 기계-전자 통합 시스템을 모델링하였다. 제안 시스템의 성능을 평가하기 위해 기본적으로 진동대 실험을 수행하였으며, 토목 구조물 및 해양에 적용하기 위해 실제 운용중인 교량과 수조에서 실험을 수행하였다.
