< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속학교

책임 지도교사

참여학생

과 제 명 가정에서의 수력 발전에 관한 연구

연구목표

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 수력발전은 높은 위치에 있는 하천이나 저수지의 유량(Q)을 유도하여 위치 에너지인 낙차(H)를 이용, 수차에 회전력을 발생시키고 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전방식이다. 낙차(H)는 상부에서 하부로 이용 가능 한 최대 수직거리이며, 손실로 인하여 감속한 낙차를 정격낙차(Net Head)라 하고, 유량(Q)

은 초당 지나가는 물의 양( sec

^

)으로 수차를 회전시키는 물의 유량이 많고, 낙차가 클수록

발전 설비 용량이 커지고 전력량도 그만큼 많아진다. P[kW] =  × sec

^

×   × 

○ 비압축성 유체의 연속 방정식

비압축성 유체의 경우 각 지점의 단면을 같은 시간 동안 통과한 유체의 부피(V)는 같다.

따라서 다음의 식이 성립한다.





 



○ 전력과 전력량

전력은 단위시간 동안 전기장치에 공급되는 전기에너지, 또는 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지를 말한다. 전력의 단위는 흔히 와트(W) 또는 킬로와트(kW) 를 사용하며, 1W는 1A(암페어)의 전류가 1V(볼트)의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다. 전력(P)과 전압(V), 전류(I)의 관계는 P = V·I를 만족한다. 이는 옴의 법칙(V

= I·R)에 따라 P = I2·R 또는 P = V2/R 로 변형할 수 있다.

전력량은 일정 시간 동안 전류가 행한 일 또는 공급되는 전기에너지의 총량이고 전력량은 전력과 시간의 곱으로 계산할 수 있다. 전력은 전압과 전류의 곱이므로, 전압이 V, 전류가 I, 사용시간이 t일 때 소비되는 전력량은 V·I·t이다.

○ 자료조사

마산 인근 지역 3개의 아파트의 관리비를 조사하여 우리나라 평균적인 4인 가정에서 소비 하는 월별 수도 사용량을 분석했다. 평균 16.7t 사용한다. 마산용마고등학교의 9월 물 소비 량을 조사했다. 상수도 1033t, 지하수 85t 사용했다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

○ 우리나라가 물 부족 국가라는 사실에만 이목을 집중해 대부분의 사람들은 단순히 물을 아끼기만 하는 경우가 다반사이다. 아래의 그림과 같이 많은 가정에서는 화장실 변기에 벽돌이나 플라스틱 병을 채우기도 하고, 심지어는 목욕한 물을 청소하는데 사용하기도 한다. 그만큼 물이 많이 낭비되기도 한다. 따라서 낭비되는 물을 이용하여 전기 에너지를 만들 수 없을까? 하는 생각을 하게 되었다.

○ 생활용수로 전기가 생산될지, 어떻게 하면 많은 전기를 생산할 수 있을지의 의문을 갖고 생활용수로 전기 생산을 극대화 시키는 조건을 찾는 것이 연구의 목적이다.

□ 연구 방법

○소형 발전기를 수도관에 연결하여 물을 흘려 전기 생산이 가능한지 확인한다.

○수도꼭지를 돌리는 각도를 달리하여 물이 흐르는 속도를 달리한 뒤 전기 생산의 차이를 확인한다.

○소형 발전기의 개수, 연결 방법 등을 달리하여 전기 생산량이 어떻게 달라지는지 확인한다.

□ 연구 활동 및 과정

○가설을 3가지 세워 그에 따른 실험을 진행했다.

Ⅰ. 소형 수력 발전기로도 수력 발전이 가능할 것이다.

고무관과 소형 수력발전기를 수도꼭지와 연결해 물을 틀고, 전기가 생산되는지 확인했다.

Ⅱ. 물이 빠르게 흐를수록 전기가 더 많이 생산될 것이다.

기준 각을 설정하고 수도꼭지를 돌려 물이 흐르는 속도를 바꾸어 전기 생산의 차이를 확인했다.

Ⅲ. 직렬연결로 연결했을 때가 병렬연결로 연결했을 때보다 전기를 더 많이 생산할 것이다.

○직렬연결로 연결했을 때와 병렬연결로 연결했을 때의 전기 생산 차이를 확인하고 연결하는 소형 발전기의 수를 늘려 전기 생산 차이를 확인했다.

연구성과

□ 연구 결과

○ 소형 발전기를 가정의 수도관에 연결할 경우에 충분히 전기 생산이 가능했다. 또한 특정 유속 이상의 물이 흐르면 연속방정식에 상관없이 최대전압이 측정되었다.

○ 직렬 연결이 병렬 연결보다 많은 양의 전기를 생산하였다.

○ 적정한 속도 이상의 물을 흘려보내는 조건이 필요했다. 최대 12V의 전압까지만 전력이 생산 가능했다. 따라서 콘덴서를 수정하여 최대 24V의 전압을 나오게 하였다.

○ 소형 발전기 제작

3D프린터로 설계 설계도대로 제작 중 완성 및 연결

○ 소형 발전기를 직렬로 많이 연결 할수록 전기 생산량이 증가했다.

1개 2개 3개 4개 5개

전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류

1차 26.5V 29.7m

A 52.1V 30.7m

A 77.7V 29.4m A

101.1 V

29.7m A

129.2 V

30.2m A 2차 25.7V 30.4m

A 52.8V 29.5m

A 78.1V 30.3m A

100.9 V

30.4m A

129.8 V

29.8m A 3차 25.8V 30.9m

A 51.9V 30mA 78.3V 30.4m A

101.5 V

30.2m A

130.1 V

30.6m A 평균 26V 30.3m

A 52.3V 30.1m

A 78.0V 30.0m A

101.2 V

30.1m A

129.7 V

30.2m A

□ 결과 해석 및 논의

○물이 흐르는 속도가 일정 속도만 넘어가면 최대 전압이 최대 전압인 12V가 걸렸고 따라서 소형 수력 발전기를 개량해 최대 전압을 26V 까지 끌어올렸다.

○평균 물 사용량 16.7t

물 2kg(=2L)을 사용하는데 걸리는 시간 26.5초 물 1kg(=1L)을 사용하는데 걸리는 시간 13.25초 물 16.7t(=16700L)을 사용하는데 61.46시간 전력 P=VI=3.05W, 전력량 187.453Wh

○ 세대 전기 사용량 250kW, 전기 요금 27,270원, 1달 물 사용량을 전기로 발전시키면 187.453W=0.1875kW, 발전량을 전기세로 환산, 927원 ∴효율 3.4%

○ 소형 발전기를 이용한 휴대폰 충전 시간 계산

시간 배터리 전압 전류 전력 전력량(누적)

1 10:10 43% 5.194 1.0427 5.415 114 2 10:15 47% 5.191 1.175 6.099 897 3 10:20 51% 5.193 1.1011 5.718 1657 4. 10:25 57% 5.192 1.116 5.794 2594

측정된 전력량으로 추세선을 만들었을 때       의 그래프와 비슷한 형태를 따른다.

     mwh

 wh, w× h wh 따라서 43%~완충까지 약 3시간 정도 소요된다.

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

○일정 속도만 넘어가면 최대 전압이 걸려 유체의 연속 방정식을 적용하기에는 어려움 이 있었다.

○ 가정에서의 효율이 3.4%로 매우 미미 했다. 스마트폰 충전 정도는 가능하다. 마 산용마고등학교의 9월 물 사용량은 1033t이며, 이를 전기 사용료로 환산하면 약30만원이다.

주요어

(Key words)

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○ 연구 동기 및 배경

주제를 정하기 위해 팀원 중 한 명의 집에 방문하게 되었다. 화장실에 들어가 보니 변기에 벽돌을 넣어두고, 수도꼭지의 이음새 부분을 막아두어 물이 새는 것을 방지했다.

이렇게 하면 물 사용량을 줄일 수는 있지만 버려지는 물을 재활용 할 수는 없다고 생각했 고 팀원들에게 이야기 해 보았다. 그렇게 우리는 생활하수를 재활용 할 수는 없는지 고민하게 되었다. 그리고 그린하우스에서는 왜 물을 이용한 발전은 하지 않는 의문점이 생겼다. 따라서 이번 연구를 통해 생활하수를 재활용할 수는 없는지에 대한 우리의 궁금증을 해결함과 동시에 그린하우스에 물을 이용한 발전을 가능하게 할 수 있을 것이라 고 생각하여 연구를 시작하게 되었다.

○ 연구 목적

우리 연구는 작은 궁금증으로부터 시작되었다. 단순히 물을 절약하는 것이 아니라 사용이 끝난 물을 이용한 에너지 생성이 가능한지 알아보고 싶었다. 실제 가정의 하수도 관에 소형 발전기를 부착함으로써 충분한 전기 에너지가 발생하는지, 또한 일상생활에 적용가능한지 알아봄으로써 우리가 의문을 가졌던 부분에 대하여 정확한 결론을 도출할 수 있도록 한다.

□ 연구내용

1. 생활용수로 전기가 생산되는지 확인할 것이다.

2. 다양한 경우에 전기 생산의 효율성을 비교할 것이다.

3. 전기 생산의 극대화 조건을 탐색할 것이다.

2. 과제 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 수력발전

수력발전은 높은 위치에 있는 하천이나 저수지의 유량(Q)을 유도하여 위치 에너지인 낙차(H)를 이용, 수차에 회전력을 발생시키고 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전방식이다. 낙차(H)는 상부에서 하부로 이용 가능한 최대 수직거리이며, 손실로 인하여 감속한 낙차를 정격낙차(Net Head)라 하고, 유량(Q)은 초당 지나가는 물의양(sec

^ )으로 수차를 회전시키는 물의 유량이 많고,

낙차가 클수록 발전 설비 용량이 커지고 전력량도 그만큼 많아진다. P[kW] =

 ×  sec



×  × 

P : 이론수력, Q : 사용수량, H : 유효낙차, η: 종합효율(수차효율×발전효율)

○ 비압축성 유체의 연속 방정식

비압축성 유체의 경우 각 지점의 단면을 같은 시간 동안 통과한 유체의 부피(V)는 같다. 따라서 다음의 식이 성립한다.





 



○ 베르누이의 정리

유체역학의 기본적인 법칙 중의 하나로서, 1738년 D. 베르누이가 발표하였다. 점성이 없는 비압축성 유체의 정상 흐름에서의 유체의 속력과 압력, 높이의 관계를 규정한 것이다. 즉, 수로의 각 단면에 있어서의 속도수두, 위치수두, 압력 수두는 일정하다는 정리이다. 점성이 없는 비압축성 유체의 정상 흐름에서는 하나의 유선을 따라서 유체의 어떤 부분에서도

 

 

     일정

의 관계가 성립한다. 여기서, v는 유체의 유속, p는 유체의 정압, ρ는 유체의 밀도, g는 중력가속도, z는 임의의 수평면에서 높이이다. 유체가 동일 수평면을 흐른다고 하면, 이 식은

 

 

   일정

으로 단순화된다. 이 식의 

^의 항은 유체의 흐름에 기인하는 동압으로서 유체의 운동에너지에 해당하고, ^{  }의 항은 유체의 위치에너지에 해당한다. 즉, 이 정리는 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다는 내용을 담고 있다. 그러나 이 법칙이 적용되는 것은 점성을 무시할 수 있는 이상유체가 규칙적으로 흐르는 경우에만 한정되고, 실제의 유체에 대해서는 적당히 변형된다. 이 정리에 의하면 유체의 흐름 내에서는 유속이 빠를수록 정압이 낮고, 유속이 느릴수록 정압이 높아지므로 정압을 측정하면 유속을 알 수 있다. 이러한 원리를 유량계에 적용한 것이 차압식 유량계이다.

그림1. 유체의 연속 방정식

그림2. 베르누이의 정리를 적용시킨 벤츄라 관

○전력과 전력량

전력은 단위시간 동안 전기장치에 공급되는 전기에너지, 또는 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지를 말한다. 전력의 단위는 흔히 와트(W) 또는 킬로와트(kW)를 사용하며, 1W는 1A(암페어)의 전류가 1V(볼트)의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다. 일반적으로 power의 첫 글자인 P로 표시하며, 전력(P)과 전압(V), 전류(I)의 관계는 P = V·I를 만족한다. 이는 옴의 법칙(V = I·R)에 따라 P = I2·R 또는 P = V2/R 로 변형할 수 있다. 따라서 전력은 전류가 일정할 때 저항에 비례하고, 전압이 일정할 때 저항에 반비례한 다. 교류에 의해서 공급되는 전기에너지는 전류와 전압이 계속 변하므로, 보통 1주기 동안에 공급되는 전력을 주기로 나눈 평균전력으로 표시한다.

전력량은 일정 시간 동안 전류가 행한 일 또는 공급되는 전기에너지의 총량이다전력량은 전력과 시간의 곱으로 계산할 수 있다. 전력은 전압과 전류의 곱이므로, 전압이 V, 전류가 I, 사용시간이 t일 때 소비되는 전력량은 V·I·t이다.

전력량의 단위

전력량의 단위로는 전력의 단위인 와트(W) 또는 킬로와트(kW)에 사용한 시간(h)를 곱하여 와트시(Wh) 또는 킬로와트시(kWh)를 사용한다. 물리량을 표현할 때 시간의 단위로 초(s)를 많이 사용하지만, 전력량의 경우 초 단위보다는 시간 단위로 사용하는 경우가 많아 와트초 (Ws)보다 와트시(Wh)를 더 많이 사용한다. 소비전력 100W의 가전제품과 200W의 가전제품 을 동일한 시간 동안 사용하면, 소비되는 전력량은 200W 제품이 두 배 크다. 따라서 많은 전력을 소모하지 않고 효율이 높은 가전제품을 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 60W의 백열전 구와 형광등은 같은 전력을 소모하지만 형광등이 더 밝다. 그리고 최근에는 같은 밝기를 내면서 소비전력을 더 낮춘 형광등도 개발되고 있다.

전력량과 전기요금

사용한 전력량은 전기요금으로 쉽게 확인할 수 있다. 가전제품은 모두 각각의 소비전력을 가지고 있으므로 사용한 시간에 따라 전체의 전력량을 계산할 수 있다. 가령, 30W의 형광등을 3시간 켰고 100W의 세탁기를 2시간 사용했으며 200W의 냉장고를 5시간 동안 사용하였다면, 전체 전력량은 (30W*3h)+(100W*2h)+(200W*5h)=1290Wh이다. 전기요금은 전력량을 기준으 로 하는데, 전력량에 정비례하지는 않는다. 그 이유는사용한 전력량이 많을수록 단위 전력량 당 요금이 증가하는 체증요금제를 적용하기 때문이다.

□ 연구주제의 선정

○ 우리나라가 물 부족 국가라는 사실에만 이목을 집중해 대부분의 사람들은 단순히 물을 아끼기만 하는 경우가 다반사이다. 아래의 그림과 같이 많은 가정에서는 화장실 변기에 벽돌이나 플라스틱 병을 채우기도 하고, 심지어는 목욕한 물을 청소하는데 사용 하기도 한다. 그만큼 물이 많이 낭비되기도 한다. 따라서 낭비되는 물을 이용하여 전기 에너지를 만들 수 없을까? 하는 생각을 하게 되었다.

그림 3. 변기 속 물을 절약하는 방법

궁금증을 해결하기 위해 자료를 찾아보면서 아래와 같은 연구주제를 선정하게 되었다.

Q1. 소형 발전기를 가정에서 사용하였을 때 발전된 전기를 이용하여 실제로 가전제품을 사용할 수 있을까? 소형 발전기로도 충분한 효율을 낼 수 있는지 확인할 수 있을 것이다.

소형 발전기를 발전시켜 생산되는 전기의 양을 측정하여 우리가 사용할 수 있는 수준까지 발전을 하려면 얼마나 발전시켜야 하는지에 대해 실험 할 생각이다.

Q2. 두 번째는 어떻게 하면 전기가 많이 생산되는지에 대해서이다.

먼저 수도관과 소형 발전기의 연결 방법을 다르게 해 전기가 얼마나 생산되는지 측정할 것이다. 한 번은 두 개의 소형 발전기를 수도관과 일렬로 부착할 것이고, 그 다음 번에는 수도관의 물이 두 갈래로 나누어 흐르게 한 뒤 그 곳에 각각 하나씩 부착하여 전기가 얼마나 생산되는지 측정할 것이다. 다음으로는 물이 흐르는 속도에 따라서 전기가 얼마 나 생산될지 알아볼 것이다.

Q3. 세 번째로 어떻게 하면 물이 빠르게 흐를지 알아볼 것이다.

Q2의 각 실험에서 소형 발전기를 연결한 방법에 따른 전기 생산량과 물이 흐르는 속도에 따른 전기 생산량이 더 많은 방법을 택하여 두 가지를 동시에 적용해 전기가 얼마나 생산되는지 확인해 볼 것이다.

○ 연구주제의 선정 과정

생활하수를 사용함으로써 방출되는 에너지에 무엇이 있을까 고민하다가 조원 중 한명 이 변기를 내릴 때 발생하는 회전력을 사용하는 것이 어떻겠냐고 아이디어를 제시했다.

그것에 관해 조원들과 이야기를 하다가 변기의 하수관 부분에 소형 발전기를 설치하여, 조력 발전기의 원리를 활용하면 좋을 것 같다고 생각했다. 또한 더 많은 방식의 발전을 확인하기 위해 욕조 바닥의 하수관에도 소형 발전기를 설치해 낙차를 이용한 수력 발전의 방식을 사용하면 좋겠다고 생각했다.

□ 선행 연구 방법

○ 문헌조사

1. 관련 연구-소수력 발전의 경제성 분석 및 활성화 전략에 관한 연구

2. 앞서 진행된 관련 연구는 소수력 발전이지만 댐 등의 일반 가정에서와는 비교도 할 수 없을 만큼 많은 양의 물을 확보 할 수 있는 공간에서 수력 발전을 하는 반면 본 연구는 일반 가정이라는 환경에서 수력 발전을 할 수 있는가에 대한 연구이다.

○ 자료조사

마산 인근 지역 3개의 아파트의 관리비를 조사하여 우리나라 평균적인 4인 가정에서 소비하는 월별 수도 사용량을 분석했다.

메트로시티 2차 아파트

202동 3702호

수도사용량 (우리호실)

18t

수도사용량 (동일면적 평균)

16t

월영화인 아파트

103동 1001호

수도사용량 (우리호실)

16t

수도사용량 (동일면적 평균)

16t

세 아파트의 관리비 고지서를 통해 평균적으로 약 16.7톤이 한 달에 소모됨을 알 수 있었다. 생각보다 가정에서는 많은 양의 물을 소비하고 있다. 물의 소비량을 줄이는 방법도 좋겠지만 소비되는 물을 통해 전기 생산에 이용하면 좋을 것이라 분석된다.

○ 설문조사

먼저, 우리나라 사람들의 한 달 전기 이용량을 확인하기 위해 간단한 설문조사를 실시하 였다. 마산용마고의 학생과 교직원을 대상으로 총 3개의 문항에 대한 설문조사를 실시하 였다. 실시방법은 구글 설문지를 이용하였고 아래의 링크에서 설문결과를 확인할 수 있다.

1. 문항 : 가정에서 에어컨을 하루에 얼마나 사용하는가?

결과를 확인하자면 다섯 시간 이상이 42.7%로 가장 많았고 그 다음이 한 시간 이하가 38.7%, 두 시간 이상 세 시간 이하가 10.7%로 뒤를 따랐다. 1가구당 평균적으로 약 3시간 을 사용하는 셈인데, 하루에 약 5600W를 사용하는 것이다. 에어컨 자체 전기요금은 많이 나오지 않을 수 있지만 누진제 때문에 요금이 더 많이 나올 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 이것을 토대로 전기요금에 부담을 느낀 적이 있는지에 관한 설문조사를 실시하 였다.

월포벽산 블루밍

103동 702호

수도사용량 (우리 호실)

18t

수도사용량 (동일면적 평균)

18t

문항2. 전기세 때문에 에어컨 사용을 자제한 적이 있는가?

전기요금부담으로 인해 에어컨 사용을 자제한 적이 있냐는 설문조사를 실시했을 때

‘있다’가 전체 응답자 중 76%에 육박했으며 우리나라 1가구 당 전기 사용량 변화추이를 확인 했을 때, 연간 전기 사용량이 줄었음을 확인할 수 있었다. 이는 전기 사용에 많은 부담을 느끼고 있음을 확인할 수 있으며, 새로운 발전방식을 찾아야한다는 점을 확인할 수 있다. 우리는 가정용 소수력 발전기가 전기 사용 문제를 해결하는 방안이 될 수 있다고 생각하고 가정용 소수력 발전기의 필요성을 확인하는 설문조사를 추가적으로 실시했다.

문항3. 소형 발전기를 가정마다 배치한다면 사용할 의향이 있는가?

전체 응답자 중 72%가 가정용 소형 발전기를 사용할 의향이 있다고 대답했다. 이는 사람들이 가정용 발전기가 현재 요금 문제에 대한 해결 방안으로 보고 있다는 것으로 인식할 수 있다. 따라서 위 설문조사를 바탕으로 다양한 방법으로 연구를 시행한 후, 가장 효율적으로 전기를 발생시킬 수 있는 방법을 찾는 것이 우리 연구의 목적이며 이후에 실제 가정에 도입하여 실용 가능할 수 있도록 개발하는 것이 우리의 최종 목표이 다.

□ 본 연구 활동 및 과정

○ 가설 1. 소형 수력 발전기로도 수력 발전이 가능할 것이다.

<실험 재료 및 준비물>

소형 수력 발전기(12V) 고무관 디지털 멀티미터

<실험 과정>

1. 소형 발전기 양 끝에 고무관을 연결하 고 물이 새지 않도록 절연 테이프로 단 단히 고정한다.

2. 과정 1에서 만든 준비물을 수도꼭지 에 연결한다.

설문조사 링크

https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSfW3Sc0JyFWx92P9Q2DiNgi5NL61iwmTp_Zo5h-RVuTt rO5xQ/viewform?usp=sf_link

3. 소형 발전기에 디지털 멀티미터를 연 결해 전압을 측정한다.

<실험 결과>

전압값

1차 측정 12.23V

2차 측정 12.27V

3차 측정 12.26V

측정값 평균 12.25V

1차 측정 12.23V 2차 측정 12.27V 3차 측정 12.26V

○ 가설 2. 물이 빠르게 흐를수록 전기가 더 많이 생산될 것이다.

<실험1> 수도꼭지를 이용해 물이 흐르는 속도를 조절하여 전압을 측정한다.

<실험 결과>

수도꼭지를 돌린 정도 전압값

27° 4.3V

※기준 각을 설정하여 그 각으로부터 수도꼭지가 돌아간 정도를 대략적으로 나타냈으며 전압이 측정되는 범위 내에서 실험을 진행하였다.

^

<실험2> 관의 직경을 변화시켜 유체의 연속방정식을 적용하여 물이 흐르는 속도를 빠르 게 만들어 직경 변화 전과 후의 전압을 각각 측정했으나 일정 유속 이상에서는 모두 소형 발전기의 최대 측정 전압인 12V를 넘었기 때문에 직경을 변화시켜 유속을 바꿀 필요가 없었다. 따라서 연속 방정식을 적용시켜 유속을 바꿨을 때의 전기 생산의 비교는 효용성이 없다.

<개량>

최대 측정 전압이 너무 낮아 소형 수력 발전기를 개량 해 보았다. 코일을 더 감을 수 없어 보여서 콘덴서를 바꾸었다. 그 결과 최대 26V의 전압까지 측정 되었다.

○ 가설 3. 소형 발전기를 직렬로 많이 달수록 전기 생산량이 더 많을 것이다.

<실험1> 직렬로 연결했을 때가 병렬로 연결했을 때 보다 전기를 더 많이 생산했다.

<실험2> 직렬연결의 발전기의 개수에 따른 생산량소형 발전기를 직렬로 1개, 2개, 3개, 4개, 5개까지 달아 보면서 생산되는 전압과 전류를 측정한다.

41° 5.5V

55° 7.5V

67° 8.6V

80° 11V

1개 2개 3개 4개 5개

전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류

1차 26.5V 29.7mA 52.1V 30.7mA 77.7V 29.4mA 101.1V 29.7mA 129.2V 30.2mA 2차 25.7V 30.4mA 52.8V 29.5mA 78.1V 30.3mA 100.9V 30.4mA 129.8V 29.8mA 3차 25.8V 30.9mA 51.9V 30mA 78.3V 30.4mA 101.5V 30.2mA 130.1V 30.6mA 평균 26V 30.3mA 52.3V 30.1mA 78.0V 30.0mA 101.2V 30.1mA 129.7V 30.2mA

<제작> 실험3에서 나온 결과를 바탕으로 소형 발전기를 연결하여 고정시켜 정리했다.

○ 소형발전기 연결

<제작1> 구조물 제작(3D프린터)

3D프린터로 설계 설계도대로 제작 중 완성 및 연결

<제작2> 소형 발전기 연결

※전압이 충분하고 전류가 충분했다. 따라서 전력이 충분했고 3D프린터로 제작 시 4개가 가장 적합해 4개를 연결했다.

○ 실생활의 적용

<측정1> 물의 질량을 측정하고 단위 질량을 사용하는데 걸리는 시간을 측정했다.

빈 페트병 질량 물을 채운 페트병 질량

※물이 1L당 1kg이라는 것을 알 수 있었다. 물 2L를 사용하는데 걸리는 시간은 26.5초로 측정되었다.

<측정2> 소형발전기의 전기생산성

10:10 10:15 10:20 10:25

시간 배터리 전압 전류 전력 전력량(누적)

1 10:10 43% 5.194 1.0427 5.415 114

2 10:15 47% 5.191 1.175 6.099 897

3 10:20 51% 5.193 1.1011 5.718 1657

4. 10:25 57% 5.192 1.116 5.794 2594

측정된 전력량으로 추세선을 만들었을 때       의 그래프와 비슷한 형태를 따른 다.

     mwh^{ }wh, ^w^{× }h^{ }wh 따라서 43%~완충까지 약 3시간 정도 소요된다.

<분석>

1. 평균 물 사용량 16.5t의 시간 계산: 물2Kg일 때 26.5초 이므로, 16.5t의 물은 218625초 소요된다. 시간으로 바꾸면 60.72시간이다.

전력량계산 P=VI= 3.04w, 전력량은 P*시간 = 184.35wh

2. 세대 전기 사용량 250kw, 전기 요금 27,270원, 한 달 물 사용량을 전기로 발전시키면 187.453w=0.1875kw, 발전량을 전기세로 환산하면 927원이므로 효율은 3.4%이다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 가설1의 결과로 소형 발전기가 가정의 수도관에 연결할 경우에 충분히 전기 생산이 가능함을 알 수 있었다. 평균적으로 12V가 꾸준히 측정되었다.

○ 가설2의 유체의 연속 방정식을 적용 시키려 했으나 물이 흐르는 속도가 일정한 수치를 넘어갈 경우 최대 측정 가능 전압인 12V가 되어 관의 직경을 변화시켜 유속을 조절할 필요는 없어졌다.

○ 가설3에서 소형 발전기를 직렬로 많이 연결 할수록 더 많은 전기가 생산됨을 알 수 있었다.

□ 시사점

○ 유체의 연속 방정식: 일정 속도만 넘어가면 최대 전압이 걸려 유체의 연속 방정식을 제대로 적용하기에는 어려움이 있었다.

○효율성: 가정에서의 효율이 3.4%로 매우 미미했다. 물 사용량이 월등히 많은 학교 등에서 는 더 좋은 효율을 낼 수 있을 것이다. 마산용마고등학교의 9월 물 사용량이 1033t이므로, 이를 발전량으로 환산하면 약 300만원이 나온다.

4. 참고문헌

지인호(2016). 소수력발전의 경제성 분석 및 활성화 전략에 관한 연구 = A study on the Economic Analysis and Promotion Strategy of Small Hydro Power).

http://www.riss.kr/link?id=T14124058

네이버 지식백과(2018.6.18. 검색). 베르누이의 정리.

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3393130&cid=58341&categoryId=58341

EBS 수능커리큘럼(2018). EBS 수능특강 물리Ⅰ. 비압축성 유체의 연속 방정식.

p189-190

네이버 지식백과 전력 [electric power, 電力] (두산백과)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1139488&cid=40942&categoryId=32227 네이버 지식백과 전력량 [電力量] (두산백과)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1251209&cid=40942&categoryId=32241