STEAM R&E 연구결과보고서
(팽이를 본뜬 소형 풍력발전기 개발)
2017. 11. 30.
서울대성고등학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 피젯 스피너를 이용한 휴대용 소형 풍력 발전기 개발
연구목표 휴대용 소형 풍력 발전기 개발
연구개요 및 내용~
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 장시간 트레킹을 할 때, 부족한 보조 배터리를 보충하기 위해 휴대가 가능한 풍력발전 기 Micro Wind Turbine이 제작되어있다. 출력은 바람이 5m/s로 불고 있는 경우 5w의 일정한 출력을 발생한다.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 기존의 휴대용 발전기의 경우 태양광 발전기가 대부분이다. 하지만 태양광 발전기의 경우 낮에만 발전이 가능하다는 단점이 있다. 그에 반에 풍력 발전기는 낮밤 상관없이 발전이 가능하다는 장점이 있어 휴대용 풍력 발전기를 개발하고자 한다.
□ 연구방법
○ 처음에 벤추리관, 마그누스 효과, 새로운 모터 개발 등 너무 많은 방법으로 풍력 발전기를 개발하려다보니 연구가 심화되고 진행이 매우 늦어졌다. 그 결과 중간 평가에서 연구를 단순화하라는 피드백을 받았고, 우리의 처음 풍력 발전기 개발 목적이었던 휴대용에 초점을 맞춰 연구를 재 진행하였다.
○ 사용 장비
고속 카메라 (FASTCAM SA3 60K C1)
연기 발생 장치 (voga s-400w)
3D 프린터 (3DISON Multi)
rpm 측정 장치 (testo 465)
풍동 발생 장치 (발생 가능 최대 풍속 17.0±0.2)
풍속 측정기 (MT 4615)
□ 연구 활동 및 과정
○ 발전기 설계 및 제작
발전기를 설계하고 모델링을 하여 3D 프린터로 출력을 한 후, 출력물에 자석과 코일을 설치하여 발전기를 제작한다.
○ 바람의 흐름 확인 실험
연기 발생 장치로 연기를 발생시킴과 동시에 풍동 장치로 바람을 가해 발전기 주변에서 바람의 흐름을 관찰하는 실험
① 발전기와 연기 발생 장치, 풍동 장치를 수평선상에 위치시킨다.(풍동 장치와 발전기 사이의 간격은 50cm로 한다.)
② 연기 발생 장치로 연기를 발생시키고, 풍동 장치를 통해 바람을 가한다.
③ 고속 카메라를 통해 발전기 주변에서의 연기의 흐름을 관찰해본다.
○임계 풍속 측정 실험
발전기가 회전하기 위해서 가해져야하는 최소 바람의 세기를 측정하는 실험
① 바람의 흐름 확인 실험과 같이 장치(연기 발생 장치 제외)를 설치한다.
② 풍동 장치로 풍속을 증가시키면서 발전기가 회전하기 시작하는 풍속을 찾는다.
③ 해당 풍속을 풍속 측정 장치를 통해 측정한다. (10초간의 풍속의 평균값)
④ rpm 측정 장치로 풍동 장치 프로펠러의 rpm을 측정한다.
⑤ 위 과전을 5회 반복 측정한다.
○ 풍속에 따른 회전수 측정 실험
풍속이 변함에 따라 발전기의 회전수가 어떻게 변하는지 측정하는 실험
① 바람의 흐름 확인 실험과 같이 장치(연기 발생 장치 제외)를 설치한다.
② 풍속이 6.0m/s일 때, rpm 측정 장치를 동해 발전기의 회전수를 측정한다.(rpm 측정 장치에서 30±1초간 측정한 발전기의 rpm의 평균, 최댓값, 최솟값을 구한다.)
③ 위 과정을 풍속이 7.0m/s, 8.0m/s, 9.0m/s, 10.0m/s일 때도 반복하여 실험한다.
○ LED 불 밝히기 실험
발전기와 LED를 연결하여 불을 밝혀보는 실험
① 발전기와 LED를 연결한다.
② 풍속을 바꿔가며 LED에 들어오는 빛의 세기를 확인해본다.
○ 다용도 측정 장치를 통한 생산 전력 측정 실험
다용도 측정 장치를 통해 각기 다른 풍속에서의 발전기의 발전량을 측정하는 실험
① 발전기와 다용도 측정 장치를 연결한다.
② 풍속이 6.0m/s일 때, 생산 전압과 생산 전류를 측정한다.
③ 과정②를 10회 반복 측정한다.
④ 위 과정을 풍속이 7.0m/s, 8.0m/s, 9.0m/s, 10.0m/s일 때도 반복하여 실험한다.
⑤ 생산 전압과 생산 전류를 곱하여 생산 전력을 구한다.
연구성과
□ 연구 결과
○ 발전기 제작 및 설계
○ 바람의 흐름 확인 실험
- 두 번째 사진에서 발전기 주변의 연기가 세 번째 사진에서 일부 사라진 것을 볼 수 있다. 이를 통해 바람이 발전기의 날개에 힘을 제대로 전달하고 있음을 알 수 있다.
○임계 풍속 측정 실험
*평균과 표준편차는 대표값으로 계산함
- 발전 가능한 최소 풍속이 4.76m/s임을 알 수 있다.
○ 풍속에 따른 회전수 측정 실험
- 풍속이 1m/s 증가할 때마다 발전기의 회전수는 50rpm씩 증가하는 경향을 띈다.
○ LED 불 밝히기와 다용도 측정 장치를 통한 생산 전력 측정 실험을 진행함.
□ 시사점
○ 저희가 개발한 발전기는 출력이 낮지만 그 크기가 매우 작아 하나의 기둥에 여러 개 배치할 수 있다. 따라서 하나의 작은 발전기가 일종의 세포로 하나의 큰 발전기를 이룬다.
그리고 분리하면 휴대하기 간편하다는 장점이 있어 새로운 휴대용 발전기로써 사용 가능하다.
모델링 과정 프린트 과정 자석 및 코일 설치
풍동 장치 프로펠러 rpm 풍속(m/s)
1회 5282 4.8±0.2
2회 4564 4.6±0.4
3회 5255 5.0±0.4
4회 4969 4.6±0.3
5회 4513 4.8±0.2
평균 4916.6 4.76
표준편차 366.7415 0.167332
풍속(m/s) 6.0±0.2 7.0±0.1 8.0±0.2 9.0±0.2 10.0±0.2 Max rpm 302.6 555.9 464.8 497.1 539.9
Min rpm 247.2 269.9 405.4 421.0 466.3 Avg rpm 280.7 332.2 432.7 468.5 590.9
□ 향후 계획
○ 큰 발전기의 세포 역할을 하는 하나의 표준 풍력 발전기를 제작했기 때문에 이를 여러 개 더 제작하고 하나의 기둥에 연결하여 하나의 큰 발전기로써 발전시켜보는 실험을 진행할 것이다. 그리고 소형 풍력 발전기의 효율을 높이기 위해 지금과는 다른 형태의 날개를 가진 소형 풍력 발전기도 개발해 볼 계획이다.
주요어
(Key words) 휴대용 풍력 발전기, 소형 풍력 발전기, 피젯 스피너
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 태양광 발전기는 휴대하기 편하다는 장점 때문에 휴대용 발전기의 대부분은 태양광 발전기가 차지하고 있다. 그러나 태양광 발전기는 밤이나 흐린 날에는 생산량이 급격히 준다는 단점이 있다. 그에 반해 풍력 발전기는 밤이나 흐린 날에도 지속적인 발전이 가능하다는 장점이 있다. 때문에 우리는 밤이나 흐린 날에도 발전이 가능한 휴대용 소형 풍력 발전기를 만들고자 한다.
□ 연구범위
○ 연구 분야는 물리 및 에너지이다.
○ 진행순서는 크게 팽이-압전소자-풍속계형 발전기이다. 각각의 단계는 연구동기(주제선정 이유, 연구 과정, 연구 결과(한계, 등 포함)이로 구성되어 있다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경 및 선행연구는 크게 네 가지로 구성되어 있다. 베츠 법칙 학습, 풍력 발전의 특징 분석, Micro Wind Turbin 조사, Vortex Bladeless 조사가 그것이다.
- 베츠의 법칙:
일률 시간
일
일 에너지 정리
단위 시간당 지나는 바람의 질량
∴단위 시간당 공기 질량의 운동에너지
⋯ 식①
⋯ 식②
날개로 들어오는 바람의 속도
날개에서의 바람의 속도
날개를 통과한 후 바람의 속도 연속방적식 을 보면 단면적이 클수록 속력이 작아지므로
≻ ≻
날개 앞뒤에서 시간당 운동량의 변화율 에 속력 을 곱하면 일률이 되므로
∵
∙
∙ ⋯
∙
단위 시간당 지나가는 바람 공기 의 질량
단위 시간당 운동량의 변화율 가해지는 힘 ∵
∙
⋯ 식③ 식②와 식③은 같은 식이므로
∴ ⋯
발전기의 효율
를 변형하여
를 에 대하여 미분하면
′
일 때 극값을 가지며≥ 범위에서 이 값은 최대값이 된다
≒
이 때의 비율
바람
발전기 지날 떄 바람 속도
⇒베츠의 법칙 바람을 에너지로 변환할 때 효율의 한계치가 약 로 그 이상의 효율수준을 이루기 어렵다
- 풍력발전의 특징
1) 장점
⑴ 무공해의 무한 에너지 ⑵ 무인화 가능, 발전단가 저렴
⑶ 설비비, 유지보수비 외에 추가의 비용 필요치 않음 ⑷ 입지조건이 좋을 경우 효율 높고 폐기물 비용 없다.
⑸ 건설기간이 짧다.
2) 단점
⑴ 높은 추기 투자비가 요구
⑵ 바람이 간헐적이고, 전기가 필요한 곳에 바람이 항상 불지 않는다.
⑶ 회전자 블레이드에 의한 소음발생 ⑷ 회전자의 조류 충돌 발생
⑸ 풍력발전설비의 건설로 인한 미관저해 ⑹ 입지선정 제한적
⑺ 발전의 비연속으로 전력저장장치 필요
-Micro Wind Turbine
장시간 트레킹을 할 때, 부족한 보조 배터리를 보충하기 위해 휴대가 가능한 풍력발전기 Micro Wind Turbine이 제작되어 있다. 출력은 바람이 5m/s로 불고 있는 경우 5w의 일정한 출력을 발생한다.
이렇게 생산된 전기는 USB로 직접 충전할 수도 있고, 내장된 24Wh 배터리팩에 저장할 수도 있다.
-Vortex Bladless:
Voltex Bladeless는 기존의 풍력 발전기와 다르게 날개를 가지고 있지 않다. 그럼으로써 발전효 율은 기존의 30% 떨어지지만 Voltex Bladeless와 같은 전력을 만들 수 있는 기존의 풍력 발전기 대비 건설 및 유지 보수에 드는 비용은 절반 수준에 불과하고, 소음 공해 문제와 야생 조류의 충돌 문제를 해결해냈다. 처음 이 아이디어를 제안한 엔지니어인 데이빗 야네즈(David Yanez)는 1940년 대 있었던 유명한 다리 붕괴사고인 ‘타코마 다리 붕괴 사고’에서 영감을 얻었다. 당시 이 다리는 강 풍에 의해 부서졌는데, 공학자들은 이 사고가 바람에 의한 공탄성 플러터(aeroelastic flutter) 현상 에 의한 것이라는 사실을 밝혀냈다. 이는 강풍에 의해 발생한 작은 소용돌이가 다리 상판 주변에 발생하여 다리를 심하게 아래위로 흔드는 현상이다. 때문에 보통 엔지니어들은 이를 없애기 위해서 노력하지만 Voltex Bladeless는 반대로 이를 이용한 것이다. 즉, 바람이 부는 지역에 긴 막대기 내 지는 기둥 같은 구조물을 만들고 바람에 흔들리는 것을 에너지로 전환하는 방식이다. Voltex Bladeless는 공탄성 플러터(aeroelastic flutter) 현상에 의해 발생하는 진동을 이용하여 발전한다.
Voltex Bladeless도 아직 연구가 진행 중인 프로젝트이기 때문에 해당 진동을 가지고 어떻게 전력 을 생산해내는 지는 공식적으로 발표된 자료가 없다.
□ 연구주제의 선정
○ 처음 이 연구를 기획할 때에는 모티브를 약한 바람에서도 잘 도는 날개형 팽이인 Zephyr 팽이에서 얻었다. 그래서 팽이형 풍력발전기에 대해서 연구를 하고자 하였고 여러 가지 기술적 물리적 한계 때문에 주제를 풍력발전기로 확장하여 다양한 연구를 진행하였다. 각 소재의 선정 이유는 이후 기술하겠다.
□ 연구 방법
○ 가장 먼저 3D 프린터를 사용하기 위해 3D 모델링 연습부터 진행하였다. 팽이 연구를 진행하던 당시 제퍼팽이의 절판과 고등학생의 직관적인 설계로 연구를 진행하는 것도 나쁘지 않다는 전문가의 자문으로 팽이를 처음부터 직접 설계하기로 하였다. 이후의 연구 방법은 풍력발전기의 설계, 제작, 측정의 단계로 진행된다.
□ 연구 활동 및 과정 ○. 팽이 연구
ⅰ. 연구 동기
처음 이 연구를 기획하던 당시 인터넷을 조사하던 중 Zephyr라는 팽이를 보게 되었다. 이 팽이는 Dalton이라는 3D 전문 디자이너가 개발한 팽이로 아주 약한 바람(입김일지라도)으로 굉장히 잘 돈 다. 우리는 이 팽이를 본떠서 풍력발전기를 만들어 보기로 하였다.
ⅱ. 연구 과정
일단 처음에는 물건들을 모델링 해봄으로써 모델링 기술을 익혔다.
머그컵 (모델링 및 출력물) 주사위 (모델링 및 출력물)
일반 팽이 날개형 팽이 1 날개형 팽이 2 날개형 팽이 3
ⅲ. 연구 결과
이렇게 팽이를 제작하여 회전속도 측정을 시작하였다. 측정은 잘 돌지 않는 날개형 팽이 2를 제 외하고 진행하였다. 실험 방법은 다음과 같다. 팽이를 돌리고 날개형 팽이의 경우 손 선풍기로 바람 을 불어주며 rpm 측정기로 회전수를 측정해 보았다.
일반팽이 일반팽이 최고 속도(rpm) 평균 속도(rpm)
1 1268 683.2
2 956.7 473.3
3 881 538.5
4 1279 555.2
5 1362 711.3
평균 1149.14 592.3
표준편차 215.1934 101.0639
날개형 팽이 1 날개형
팽이 1 최고 속도(rpm) 평균 속도(rpm)
1 1256 647
2 890 641.5
3 968 812.8
4 1280 712.4
5 1297 795.4
평균 1018.2 723.62
표준편차 193.5025 80.35771
날개형 팽이 3 날개형
팽이 3 최고 속도(rpm) 평균 속도(rpm)
1 898 658
2 1219 644
3 1297 792
4 1009 712.4
5 1018 795.4
평균 1088.2 721.82
표준편차 164.3797 71.66985
날개형 팽이의 경우 어떤 장애물에 부딪히지 않는 이상 계속 돌았고 일반 팽이의 경우 금방 중심 을 잃고 쓰러졌다. 최고속도의 경우 일반 팽이가 날개형 팽이보다 높게 나왔지만(근소한 차이로) 평균속도 면에서는 날개형 팽이가 일반팽이를 압도한다는 것을 볼 수 있다.
다음은 연기실험을 진행하였다. 이 실험은 팽이 주변의 공기의 흐름을 보기 위함이다. 팽이를 돌 리고 연기를 뿌린 다음 고속카메라로 촬영하였다.
일반 팽이의 연기 실험
날개형 팽이의 연기 실험
위 사진을 보면 일반팽이의 경우 주변 공기가 팽이의 회전과 거의 관계가 없음을 알 수 있다. 반 면에 날개형 팽이의 경우 연기가 지나가다 팽이 위에서 팽이 밑으로 빨려 들어가는 것을 볼 수 있 다. 이는 팽이가 공기를 아래로 약하게나마 밀어 주고 있다는 것으로 우리의 의도대로 설계되었다 는 것을 의미했다.
하지만 이후에 많은 문제점들이 생겼다. 자연 상태에서 바람은 위에서 아래로가 아니라 수평방향 으로 흐른다. 이는 자연 상태의 바람은 팽이를 돌릴 수 없다는 것을 의미한다. 효율성을 높이기 위 해 팽이를 자석을 통해 공중에 띄우려는 계획 또한 실패하였다. 팽이를 공중에 띄우려면 팽이가 회 전을 시작하고 안정화 된 다음 자기력이 작용해야 하는데 발전기는 이렇게 작동하도록 만들기가 우 리 수준에서는 매우 힘들다는 것을 알게 되었다. 따라서 우리는 새로운 발전기를 연구하기 위해 소 재를 모색했다.
○. 압전소자 발전기 연구
ⅰ. 연구동기
압전소자를 첫 발전 방식으로 선택한 이유는 다음과 같다. 팽이 발전기 개발에 실패한 이후 고민해 본 결과 대형발전기를 만들지 못하는 우리는 최대한 에너지의 손실을 줄여야 한다고 생각했고 따라서 바람의 운동에너지를 날개의 회전에너지로 전환하여 전기에너지를 생산하는 기존의 방법은 비효율적인 것처럼 보였다. 그래서 우리는 바람의 힘을 압력으로 해석하여 압전소자를 이용하게 되었다.
ⅱ. 연구 방법
1. 모델 구상하기
|모델 1 구상도
선행연구에서 본 Voltex Bladeless의 형태를 많이 모방 하여 구상했다. 그러나 공탄성 플러터(aeroelastic flutter) 현상을 이용한 발전이 아닌 바람의 힘을 이용하여 발전하기 위해서 단순한 기둥을 세우지 않고 날개를 만들었다. 기존의 풍력 발전기와 같은 날개가 아닌 중심축을 세우고 얇은 판 또는 천을 고정한 구조의 날개라서 강풍에 의해 날개가 손상 되는 일은 없게 했다. 날개가 바람의 힘에 의해 압력을 받고, 그에 따라 중심축이 기울어지면 하단부에 설치된 압전소자에 압력이 가해져 발전하는 방식이다. 쉽게 설명해서 하단부와 중심축이 접하는 부분을 받침점으로 두면 바람으로부터 힘을 받는 날개는 힘점, 바람으로부터 받은 힘을 압전소자에 가하 는 중심축 하단은 작용점으로 보아 모델1을 하나의 지렛대로 이해할 수 있다.
|모델 2 구상도
모델2의 형태는 바닷가나 강가의 도로에서 흔히 볼 수 있 는 풍향 깃발을 보고 떠올렸다. 깃발은 바람의 방향에 따라 움직이므로 바람의 방향이 시시각각 바뀌더라도 아무런 문제 없이 발전할 수 있다는 장점이 있다. 또한 압전소자는 압력으 로 인한 형태 변화를 통해 전력을 생산하기 때문에 깃발을 줄을 통해 압전소자와 연결한다면 줄의 장력으로 인해 압전 소자가 전기를 생산해낼 것이라고 생각했다.
|모델 3 구상도
압전소자에 강한 압력을 가하는 방법 중 하중으로 누르는 방법을 제외하고 어떤 물체를 일정 높이에서 떨어뜨려 압전 소자와 충동할 때 발생하는 압력이 가장 강하다고 생각했다.
그래서 바람의 힘으로 어떤 물체를 들어 올렸다가 다시 중력 으로 떨어뜨려 압전소자에 압력을 가하는 방법에 무엇이 있 을까 고민하다가 속이 빈 통 안에 압전소자와 물체를 놓고 통을 바람의 힘으로 돌린다면 통 내부에서는 물체가 중력에 의해 계속 움직이며 압전소자에 반복적으로 압력을 가할 것 이라고 생각했다. 모델3 또한 날개가 요구되는 구조를 가졌 지만 풍력 발전기의 몸체 자체가 날개가 되어 마찬가지로 강 풍에 의해 손상되는 일을 없을 것이다. 그리고 물체가 떨어지 면서 압전소자에 가하는 압력을 키우기 위해 물체에 가시 형 태의 구조물을 추가했다.
2. 하드보드지로 예상 결과물 제작하기
|모델 1 예상 결과물
선풍기 바람을 통해 모의실험 결과 바람의 힘을 충분히 하단 부에 전달한다. 그러나 그 힘을 온전히 압전소자에 가하지 못한 다는 단점이 있다.
|모델 2 예상 결과물
바람의 힘을 충분히 원형의 접합부에 전달한다. 하지만 우리가 구입한 압전소자가 누르는 압력이 아닌 당기는 압력에도 전기를 생산해 낼 수 있는지가 불확실하다.
|모델 3 예상 결과물
선풍기 바람만으로도 기대하던 것 이상의 회전수를 보였다.
그러나 내부에서 물체가 예상한대로 상하로만 움직이지 않고 뒤 집히는 상황이 종종 발생하는 문제점이 있다.
3. 최종 결정된 모델 3D 모델링 및 프린팅
하드 보드지를 통한 모의실험에서 날개가 받은 바람의 힘을 온전히 압전소자도 전달 하지 못한다는 문제점을 해소하기 위해 모 델링 과정에서 하단부 압전소자가 설치될 위치에 가시 모형의 구조물을 추가함으로써 중심축이 압전소자를 누르는 힘을 늘렸다.
모델1의 기본 날개 모형은 Voltex Bladeless 와 너무 유사한 면이 있어 천을 이용한 다 른 형태의 날개도 제작했다. 위 모델링된 물체에서 ‘T’자 형의 중심축 양 옆 빈 공간 이 나중에 프린트 후에 천이 달려 날개로서 의 역할을 할 것이다. 기본 날개보다 두 번 째 날개는 더 가볍고 바람의 힘을 더 잘 받 아들인다는 장점이 있다.
|모델 1 모델링 파일
|모델 2 모델링 파일
모델2의 형태는 앞전에 설명했던 것처럼 풍향 깃발에서 착안되었다. 위 그림을 보면 작은 원 4개가 있는데, 각 원마다 압전소자 가 하나씩 설치될 것이다. 그리고 작은 원 안에 뚫려 있는 구멍을 통해 깃발의 역할을 할 비닐봉지와 연결된 줄을 단다. 바람이 비닐봉지 안으로 불어 들어가면 비닐봉지와 함께 연결되어 있는 줄을 밀어낼 것이다.
그러면 연쇄적으로 줄은 설치된 압전소자를 당기게 되고, 이 방법을 통해 전기를 생산 해내는 것이다.
|모델 3 모델링 파일
통 내부에서 물체가 뒤집히는 일이 발생 하지 않도록 하기 위해 물체가 통 내부에 걸리지 않게 하는 범위 내에서 통 내부와 물체 사이의 거리를 최소화했다.(약 0.1mm) 내부에 압전소자와 물체를 설치해야하는 후 과정이 필요하기 때문에 통은 반으로 나누 어 모델링했다.
4. 회로와 압전소자를 모두 설치한 뒤 LED에 연결하여 켜지는지 확인한다.
모델 1 실험 장면 모델 2 실험 장면 모델 3 실험 장면
관찰 해본 결과 모델 1은 불빛이 거의 보이지 않았으며 모델 2는 가끔 불이 깜빡거리는 정도였 다. 모델 3의 경우 객관적이진 않지만 상대적으로 밝은 빛을 보였다.
ⅲ. 연구 결과
제작한 결과물로 측정한 전압은 다음과 같다.
전압단위 (mV) 모델2 모델2(강화) 모델3
1회 측정 37.0 85.8 171.6
2회 측정 115.5 89.0 161.3
3회 측정 40.6 68.2 53.1
4회 측정 13.6 45.5 88.6
5회 측정 60.0 90.3 105.5
6회 측정 131.7 29.7 108.6
7회 측정 64.0 33.1 102.8
8회 측정 17.5 27.0 145.3
9회 측정 14.2 79.8 115.6
10회 측정 53.8 65.3 138.7
평균 54.79 61.39 119.11
표준 편차 40.77901 25.46082 35.69483
장 점
구조가 매우 간단하고, 날개의 구조를 다양하게 제작할 수 있다. 모든 방향에서 불어오는 바람을 모두 이용하여 발 전할 수 있다.
단 점
날개가 받은 바람의 힘을 압전소자에 그대로 전달해 주 지 못해 전력 생산량이 너무 작다.
모델 1
장 점
바람의 방향이 바뀌어도 지속적인 발전이 가능하다. 넓 은 범위의 바람을 이용하여 발전한다. 구조가 간단하고 압 전소자를 제외하면 재활용품으로도 만들 수 있고 개발비용 역시 저렴하다
단 점
발전이 가능하기 위해서는 비교적 강한 바람이 필요하 고, 전력 생산량이 일정하지 못하다. 그리고 발전을 할 때 바람에 의해 비닐이 감기는 현상이 발생한다.
모델 2 (강화)
장 점
전력 생산량이 위 두 모델에 비해 많고, 비교적 약한 바 람에서도 발전이 가능하다. 바람이 아닌 물을 이용하여 발 전이 가능하다.(수력을 통해 발전할 경우 더 큰 전력을 생 산할 수 있을 것으로 예상함.)
단 점
바람의 세기가 강해져 본체의 회전수가 증가하면 원심력 에 의해 물체가 통 내부의 중심으로 향하지 않아 발전이 불 가능하다. 바람이 본체의 옆으로 불면 발전이 되지 않기 때 문에 풍향의 변화에 따라 모델3가 움직이게 하는 추가적인 장치가 요구된다.
모델 3
결과적으로 다시 살펴보면 압전소자가 에너지의 전환단계가 적다고 생각했던 것은 오산이었다.
압전소자는 입자의 운동에너지를 자신의 퍼텐셜에너지로 변환 시키는 단계를 거쳤다. 또한 생산 전 력이 불균일한 문제는 어쩔 수 없이 생겼다. 또한 구슬이 떨어지며 너무 큰 소음을 만드는 문제점 이 생겼다. 사실 반쯤은 성공했다고 볼 만 하지만 우리가 목표한 바에는 미치지 못했기에 이번에는 또 다른 풍력발전기를 만들기로 하였다.
○. 풍속기형 풍력발전기 연구
ⅰ. 연구 동기
이번에는 독특한 발전기보다는 기존의 풍력발전기를 소형화하는 형식으로 사고를 진행시켰다. 기 존의 풍력발전기는 머리가 돌아가지 않아 한 방향만을 바라본다. 여기서 우리는 수직축 풍력발전기 를 만들어 보기로 하였다. 수직축 풍력 발전기는 구조상 모든 방향의 바람을 이용할 수 있기 때문 이다. 물론 수직축은 수평축에 비해 공기가 미는 날개의 단면적이 작아져 효율은 떨어질 거라 예상 했지만 그에 대한 해답은 연구를 진행해 나가며 생각해 보기로 하였다.
ⅱ. 연구 과정
일단 날개를 우선 제작하였다. 처음에는 발전기 자체를 제작해 볼 생각이었기에 발전기를 포함하 여 모델링을 하여 프린트를 하였다. 아래의 그림과 같이 원통 내부의 벽면에 자석을 끼워 넣고 바 닥에 베어링을 부착하고 그 위에 모터를 분해하여 얻은 코일을 넣어 고정시켰다.
말로 하면 쉽지만 이 과정이 굉장히 고역이었다. 제작 후 바람 발생장치로 돌려 보았지만 LED조 차 키지 못했다. 결국 날개를 키워야 했다. 여기서 발전기 제작은 포기하였다. 그 이유는 우리가 만 든 발전기가 독창적인 무언가가 있는 것이 아니라 베어링을 탑재했다는 것인데 기술력 부족으로 오 히려 기존 발전기보다 마찰이 더 강해지는 결과를 초래했을 뿐이었다. 그 후 날개는 총 3번 개량하 며 제작하였다. 우리가 소지하고 있는 발전기의 경우 회전속도가 1400rpm을 넘어야 LED가 켜졌는 데 이에 도달하기 위해 노력하였다.
위 사진에서 오른쪽으로 갈수록 날개 한 개의 단면적이 커진다. 특히 중간사진의 모델이 이미 프 린터가 출력할 수 있는 최대 사이즈를 도달하여 날개를 3개를 줄여 날개 1개의 사이즈를 키웠다.
맨 왼쪽의 경우 17m/s의 바람에서 최대 회전속도 약 800rpm, 중간의 경우 약 900rpm, 마지막의 경우 약 1100rpm을 기록하였다. 이렇게 하더라도 1400rpm에는 미치지 못하였다. 다시 우리는 수
모델링 과정 프린트 과정 자석 및 코일 설치
직축 발전기의 장점을 생각해 보았다. 그 결과 소형 발전기에 딱 알맞은 수직축 발전기의 장점이 떠올랐다. 우리가 세포 프로젝트라고 부르게 된 프로젝트이다. 1개의 스탠드에 발전기를 여러 개 단 다고 생각해 보자. 수평축의 경우 모두 한 방향을 바라보아야하기 때문에 달 수 있는 개수가 제한 적이다. 회전하도록 해주는 장치를 덧붙인다면 방향을 잡아주는 꼬리가 걸려 문제가 된다. 반면 수 직축 발전기의 경우 한 대의 발전기가 획기적으로 세포로서의 역할을 한다. 1개의 스탠드에 더 많 은 세포를 달 수 있다는 것이다. 모델링으로 예상도를 그려 보았다.
왼쪽의 경우 6개의 세포가, 오른쪽의 경우 3개의 세포가 달려 있다. 이것을 분명히 강조하는데 수직축 발전기 2개가 들어갈 자리에 수평축 발전기는 1개밖에 들어가지 못한다. 수직축 발전기는 축과의 연결부위가 어디에 있던 상관없지만 수평축의 경우 연결 부위는 발전기의 뒷부분에 있을 수 밖에 없다. 바로 날개에 연결부위가 걸리기 때문이다. 따라서 수평축의 경우 위 그림과 같은 배치도 가 나올 수밖에 없다. 따라서 우리가 증명해야 할 것은 수직축 발전기 2대가 수평축 1대의 발전기 를 능가하느냐의 여부이다.
ⅲ. 연구 결과
우리는 우리의 연구 성과를 확인 해보기 위해 몇 가지 실험을 해 보았다.
1. 바람의 흐름 확인 실험
연기 발생 장치로 연기를 발생시킴과 동시에 풍동 장치로 바람을 가해 발전기 주변에서 바람의 흐름을 관찰하는 실험
① 발전기와 연기 발생 장치, 풍동 장치를 수평선상에 위치시킨다.
(풍동 장치와 발전기 사이의 간격은 50cm로 한다.)
② 연기 발생 장치로 연기를 발생시키고, 풍동 장치를 통해 바람을 가한다.
③ 고속 카메라를 통해 발전기 주변에서의 연기의 흐름을 관찰해본다.
<관찰 결과>
두 번째 사진에서 발전기 주변의 연기가 세 번째 사진에서 일부 사라진 것을 볼 수 있다. 이를 통해 바람이 발전기의 날개에 힘을 제대로 전달하고 있음을 알 수 있다.
2. 임계 풍속 측정 실험
발전기가 회전하기 위해서 가해져야하는 최소 바람의 세기를 측정하는 실험
① 바람의 흐름 확인 실험과 같이 장치(연기 발생 장치 제외)를 설치한다.
② 풍동 장치로 풍속을 증가시키면서 발전기가 회전하기 시작하는 풍속을 찾는다.
③ 해당 풍속을 풍속 측정 장치를 통해 측정한다. (10초간의 풍속의 평균값)
④ rpm 측정 장치로 풍동 장치 프로펠러의 rpm을 측정한다.
⑤ 위 과전을 5회 반복 측정한다.
<측정 결과>
풍동 장치 프로펠러 rpm 풍속(m/s)
1회 5282 4.8±0.2
2회 4564 4.6±0.4
3회 5255 5.0±0.4
4회 4969 4.6±0.3
5회 4513 4.8±0.2
평균 4916.6 4.76
표준편차 366.7415 0.167332
*평균과 표준편차는 대표값으로 계산함
- 발전 가능한 최소 풍속이 4.76m/s임을 알 수 있다.
3. 풍속에 따른 회전수 측정 실험
풍속이 변함에 따라 발전기의 회전수가 어떻게 변하는지 측정하는 실험
① 바람의 흐름 확인 실험과 같이 장치(연기 발생 장치 제외)를 설치한다.
② 풍속이 6.0m/s일 때, rpm 측정 장치를 동해 발전기의 회전수를 측정한다.(rpm 측정 장치에서 30±1초간 측정한 발전기의 rpm의 평균, 최댓값, 최솟값을 구한다.)
③ 위 과정을 풍속이 7.0m/s, 8.0m/s, 9.0m/s, 10.0m/s일 때도 반복하여 실험한다.
<측정 결과>
풍속(m/s) 6.0±0.2 7.0±0.1 8.0±0.2 9.0±0.2 10.0±0.2
Max rpm 302.6 555.9 464.8 497.1 539.9
Min rpm 247.2 269.9 405.4 421.0 466.3
Avg rpm 280.7 332.2 432.7 468.5 590.9
- 풍속이 1m/s 증가할 때마다 발전기의 회전수는 50rpm씩 증가하는 경향을 띈다.
다음 두 실험은 결과의 정확성을 위해서 세포 프로젝트를 진행 한 뒤 실행하였다.
4. LED 밝히기 실험 / 전압&전류 측정 실험 발전기와 LED를 연결하여 불을 밝혀보는 실험
① 발전기와 LED를 연결한다.
② 풍속을 바꿔가며 LED에 들어오는 빛의 세기를 확인해본다.
분류 제작한 발전기 대조군
사진
전류(mA)
전압(V)
3.91 V 1.97 V
- 위 실험에서 제작한 발전기의 경우 4개의 날개가 받는 바람의 풍속이 모두 다르다. 하지만 불어오는 바람이 멀리서부터 불어오는 자연풍일 경우 앞날개와 뒷날개가 받는 바람의 풍속차이가 없으므로 생산 전력이 다소 증가할 것이다.
대조군으로 사용한 ‘CatchTheWind’가 ‘Shimano Capreo DH-F703 6v 3.0w Dynamo QR Front Hub’라는 발전기를 사용했을 때 최대 생산 전압이 15v이므로 최대 생산 전력은 7.5w이고, 대조군 을 직접 3D 프린터로 축소하여 출력하고, 모터로 ‘AX7575X Motor 370 (28-turn) (assembled with bullet connectors)’을 사용했을 때, 10m/s 기준 날개 회전수는 1580rpm이고, 생산 전압과 생 산 전류는 각각 1.8±0.02v, 300mA로 생산 전력은 0.54w이다.
우리가 제작한 풍력 발전기는 동일 발전기를 사용했을 때, 10m/s 기준 날개 회전수는 550rpm이 고, 생산 전압과 생산 전류는 각각 1±0.01v, 100mA로 생산 전력은 0.1w이다.
휴대폰을 충전하기 위한 최소 전압, 최소 전류는 5v, 500mA로 최소 전력 2.5w이다.
우리가 개발한 풍력 발전기는 시중 제품에 비해 그 출력이 작다. 하지만 풍력 발전기를 소형화시
의 작은 발전기를 설치할 수 있도록 만들었는데, 여기서 우리가 개발한 발전기의 방식인 수직축 발 전기의 장점이 나타난다. 위 그림을 보면 알 수 있다시피 수평축 발전이의 경우 한 개의 축에 발전 기를 3대밖에 연결할 수 없다. 하지만 수직축의 경우 세포간 거리를 줄여 보다 더 많은 개수의 발 전기를 연결할 수 있다. 또한 기존의 풍력 발전기의 경우 손상이 생기면 풍력 발전기 전체를 교체 해야하는 반면에 우리는 손상된 하나의 세포만 교체를 하면 된다. 그리고 하나의 세포인 풍력 발 전기를 분리하여 휴대용으로 가지고 다닐 수 있고, 축대만 있다면 손쉽게 다시 하나의 큰 발전기로 만드는 것이 가능하다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 비록 날개형 팽이와 압전소자 발전기는 효율이 낮아 발전기로서의 역할을 하진 못했지만 새로 운 발전 방식의 가능성을 탐구했다는 데에 의의를 두고 있다. 밑에 서술하겠지만 압전소자 발 전기의 경우 수평축 발전기와 결합 가능성도 있다. 수평축 발전기에 대한 결론은 다음과 같다.
○ 수평축 발전기는 공간 활용도를 높이려면 방향을 고정시켜야 한다. 방향을 자유화 하려면 공 간 활용도가 낮아진다. 그러나 수직축 발전기는 그 부분을 매우 효과적으로 해결해 준다. 세포 간 거리를 축소시켜 공간활 용도를 높일 수 있고 방향에 제한이 없는 것이 매우 큰 장점이다.
풍속기형 풍력발전기 연구의 연구 과정에 나와 있는 세포 배치 모델링 파일을 보면 알 수 있 든 수평축 발전기를 저렇게 배치하면 한 쪽 방향의 바람만 활용할 수 있다. 한 가지 방향의 자유화 방안이 있다면 축 자체를 움직이게 하는 방법인데 그렇게 되면 지면과 축과의 고정이 약해서 파손의 위험이 있다. 수직축 발전기의 단점에는 날개자체가 발전의 방해하는 힘이 작 용한다는 점, 그리고 대형화에는 적합하지 않다는 점이다. 대형화를 한다면 그 만큼 날개 자체 가 바람이 흐르는 방향으로 힘을 받게 되는데 발전기의 축에 돌림힘이 작용하여 파손의 위험 이 있다. 첫 번째 단점은 날개를 접을 수 있도록 하는 것인데 기술력 부족으로 실현화 하지는 못했다. 날개가 바람을 거스르는 방향으로 진행할 때 날개를 접어 최대한 저항을 줄이는 방식 이다. 정리하자면, 대형풍력발전기는 현재 가동 중인 수평축 발전기의 방식이 수직축보다 좋아 보인다.(대형화 해보지는 않았기 때문에 추측으로 남겨둔다. 근거는 위에서 서술한 수직축 발 전기의 단점이다.) 하지만 소형 풍력발전기의 입장에서 추가 무게를 늘리는 장치 없이 모든
방향의 바람을 발전의 대상으로 삼을 수 있다는 점(지표면의 바람은 불규칙해서 매우 큰 장점 임.) 공간 활용도가 높다는 점에서 수직축 발전기가 더욱 유리하다.
□ 시사점
○ 이번 연구를 통해 유체역학이나, 돌림힘, 등 여러 가지 물리 현상 및 법칙에 대해 깊은 탐구를 하게 되었다. 하지만 가장 크게 얻은 것은 데이터 수집에 대한 것이다. 데이터 수집을 할 때에 는 원하는 데로 데이터 측정해 놓고 조건에 맞게 데이터를 계산하는 것이 아니다. 위에서 수 평축 발전기 1개와 수직축 발전기 2대를 비교하려면 이 개수대로 데이터를 측정해야 하지 진 행한 것처럼 수직축 4대의 전압을 측정해 놓고 4개 직렬이 2V이니 2개는 1V 정도이겠지라고 계산하면 안 된다는 것이다. 이 수치들이 이론대로 계산된다면 애초에 측정 차체가 필요 없었 을 것이다.
○ 향후 연구 과제는 수직축 발전기에 압전소자 발전기를 더하는 것이다. 아이디어만 생각나 고 민해 본 것인데 작동 방식은 이렇다. 구조는 수직축 발전기를 기반으로 하고 축과 세포의 연 결부위가 만나는 부분에 압전소자를 설치하는 것인데, 수직축 발전기의 세포의 날개가 회전을 하면 진동이 생긴다. 그 이유는 날개에 바람이 가하는 힘이 일정하지 않아서인데 이 진동을 압전소자로 전기로 전환시키는 것이다. 실험적 데이터가 없어 확신하긴 어렵지만 날개의 개수 가 적을수록 진동은 강해질 것으로 추측된다. 축과 연결부위의 고정이 약해진다는 우려가 생 겼지만 소형 풍력발전기이기에 큰 문제가 없을 것으로 추측된다. 이 하이브리드 발전기는 소 형 발전기로서 연구 가능성이 보인다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 학교 논문집에 게재 예정, 가능하다면 zooniverse에 등록, 휴대용 풍력발전기 개발을 완성하여 특허신청, 풍동실험장치와 3D프린터, 고속카메라 사용법을 후배들에게 전수할 계획임.
5. 참고문헌
○ 권경범, 꿈돌이의 라이노5, 청담북스
○ 경희대 논술고사 (자연계) 수시 2차 (2013.11.10.)
○ 데이비드 그리피스, 기초전자기학(4판), 진샘미디어
○ 성균관대 논술고사 자연2. (2009.11.14.)
○ 안상준, 3D 프린터 101, 한빛미디어
○ 하백현, 최신 에너지공학개론(개정판), 청문각
○ Alex Kalmikov and Katherine Dykes(2011.01.14.), Wind Power Fundamentals, MIT Wind Energy Projects in Action
○ Det Norske Veritas(2002). Guidelines for Design of Wind Turbines. Riso National
○ NAVER, “Micro Wind Turbine”,
http://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=4845355&memberNo=11510683&v Type=VERTICAL
○ Thingivers, “wind turbine”, https://www.thingiverse.com/thing:911735
○ YouTube, “wind turbine”, https://www.youtube.com/watch?v=KThadVf36ZU
