풍력발전기 제작 (캡스톤디자인)

풍력발전기

이론 소개는 논문, 책 등에서 쉽게 알 수 있으므로 생략하겠습니다.

이 글은 캡스톤 디자인 했던 것을 토대로 작성되었습니다. 

보시는 분들은 어떤 이유에서 제작하게 되셨는지 모르겠지만,

저 같은 경우에는 교수님께서 그냥 만들어 오라고 하셔서… 주제로 정해졌습니다…

풍력발전기에 대해 전혀 모르던 상태에서 제작하게 되신 분들에게 도움이 되었으면 좋겠습니다.

그리고 이번 글에서는 전체흐름과 실수했던 점을 바탕으로 Tip 위주로 설명 드리고,

다음 글에서는 구체적으로 제작과정을 소개하겠습니다.

 

 목표 

  • 블레이드 하나당 3개의 에어포일을 적용하여 제작
         
  • 각기 다른 3개의 블레이드를 제작하여 비교

약 한달이라는 시간과 금전적인 제약으로 인해 구조 및 강도설계는 하지 않았습니다. 
(1명당 40만원, 총 80만원 지원.)
그리고 목표는 각기 다른 에어포일을 적용한 블레이드의 성능 비교였기에 굳이 구조,강도설계의 필요성을 느끼지 못하였습니다. (실은 필요하지만 그냥변명… )

 

1. 자료조사

  자료조사는 논문위주로 시작하였습니다. 그리고 랩실 분들에게 정보를 얻어 책을 구해서 구체적으로 제작에 착수하였습니다. 책 제목은 ‘풍력공학입문’ 이라는 책입니다. 중도에는 없고, 기계공학부도서실에는 있습니다. 책을 모두 다 보실 필요는 없고, 필요한 부분만 발췌해서 보시면됩니다. 저희는 도움을 얻어서 필요한 부분만 발췌해서 보았습니다만, 도움을 얻을 곳이 없으시다면, 설계 제작까지 다 해놓은 보고서가 있습니다.

Tip : 맨 아래에 링크하겠습니다.( 어느 고교생 분이 벤츄리관에 발전기 넣어서 실제 작동까지 한 보고서입니다… 논문 쓰다가 발견했는데,,  전 뭐하고 살었던건지 ㅜ.ㅡ; )

 

그리고 중도에 있는 책 중에 논문같은건데, 책형식으로 짜여진 책이 있습니다. 제목이 기억 안나는데, 풍력발전기 검색해서 그 코너에 가면 있습니다. 제 기억이 맞다면 가장 최근책일 것입니다.(2011년도(??) 출판) 이 책도 도움이 많이됩니다. 위치에 따른 취부각과 시위길이를 결정할때 많은 도움이 되었었습니다.

 Tip :  논문은 학교 도서관 사이트에서 로그인해서 이용하시면 됩니다. 그러면 유료로 제공하는 논문을 무료로 이용하실 수 있습니다.
  

2. 블레이드 이론설계

 
    Flow

    1. 주속비, 블레이드 매수 선정 
    2. 주어진 데이터 값으로 블레이드 반경 결정
    3. 양항비를 이용해 최대효율을 갖는 Angle of attack 결정
    4. 시위길이, 블레이드 설정각, 유입각, 국소주속비 결정
    5. 선형화

에어포일은 naca 시리즈, s시리즈, p시리즈 등등이 있습니다. 저희는 naca 시리즈로 구성하였습니다. ( 실제로는 s시리즈가 많이 쓰인다네요. )

에어포일 선정은 위치에 따라 다르게 선정합니다. 예를들면, 70~80%지점에서는 출력을 제일 크게 내므로 이부분은 성능 위주로 구성하고, root 부분은 안정성 위주로 구성합니다.

 
일반적으로 100kW 이상의 풍력터빈에 대해서는 효율적인 출력특성의 확보를 위해 풍력터빈 출력에 큰 영향을 미치는 구간인 날개 끝부분에서 30% 위치까지 NACA5, 6자리계열 에어포일을 사용하고, 그 이하의 영역에서는 구조적 안정성, 높은 받음각 변화, 에어포일 표면 거칠기 등의 변화에도 공력특성의 변화가 급격히 발생하지 않는 두꺼운 에어포일 시리즈를 주로 사용한다.

 - 논문 발췌 -

 

Tip : 각 지점에 따라서 각과 시위길이 결정할때 엑셀로 함수 만들어서 쓰세요~. 처음에 계산기로 해보았는데 너무 오래걸리고 계산이 부정확합니다. 엑셀로 계산할때와 비교하면 10배정도 시간차이가 납니다.

 

Tip : 프로그램도 있습니다. x-foil 이라든지, x-foil 이라든지, x-foil 이라든지…. 기억이 안나네요.
       아니면 matlab으로 짤수도 있습니다. x,y좌표 입력하면 형상까지 나옵니다.

 

Tip : NACA 공식 홈에서는 여러 airfoil 및 값, 형상을 모두 제공해주고 있습니다. 링크

 

3. 모델링 

  프로이로 모델링 하였습니다. 모델링 한 후 블레이드 부분은 3D 프린터로 출력 하였습니다.

  자세한 과정은 다음 글에..

 

 4. 실험

    속력 변화에 따른 결과값을 측정하였습니다.

    실험 당시 타코미터 비용 때문에 ㅠㅠ…

    빌릴수 있으면 빌리세요~ 분명 학교 어딘가에는 있을텐데..

 

벤츄리 중공 비행선을 활용한 다목적 소형 풍력발전시스템 연구 개발 [링크]

  제품개발설계 수업시간에 해류발전기에 관해 발표준비하면서 아이디어를 낸적이 있습니다.  베르누이 법칙에 착안해서 벤츄리관을 이용한 아이디어를 낸적이 있는데, 저 고교생분은 이미 만들어 보기까지 했네요.       

인생 헛산듯..  

풍력발전기 모델링

블레이드 및 로터

블레이드 부분은 프로이로 모델링 하였습니다. 좌표값을 따와서 입력한 후 연결하였습니다. 메모장에서 x,y좌표 값을 입력한 후 프로이에서 불러오면, 자동으로 점이 입력됩니다. 그리고 여러개의 평면을  준 후 연결하였습니다. 로터부분은 따로 만들어서 어셈블리 하였습니다. 3d 프린트에서는 크기에 한계가 있기때문에 다 따로 뽑아서 연결 할 예정이었으나, 고정시키는 과정에서 각도가 바뀌거나  중심이 안맞아서 원운동이 아닌 타원운동을 할 수도 있기에 일체형으로 뽑기로 하였습니다. 그리고 가격도 정말 아슬아슬해서 크기를 계속 조정하였습니다. 따라서 모델링도 계속 새로 하였습니다.

Tip : 그러므로 일정을 계획하실 때 이러한 부분 또한 고려하시기 바랍니다. 한번에 제작과정까지 가는 경우는 정말 드물지 않을까 싶습니다.  

로터

로터

 연결부 및 구조물(축, 베어링, 지지대 등)

연결부 및 구조물은 알루미늄으로 제작하였습니다. 블레이드가 3개 이기 때문에, 바꿔가면서 이용할 수 있도록 제작하였습니다.

도시형 초소형 발전기를 목표로 하였기 때문에, 변속기등은 불요함을 가정하였습니다.

 

Tip: 전산제도 시간에 배운 제도를… 하였습니다. 2년여만에 하는거라 책 뒤져가며 했었습니다. 나사, 베어링, 볼트, 너트 같은 것은 표준 규격대로 나오므로, 명칭만 적어주면 됩니다. (즉, 오차범위 안적어도 됩니다.) 다른 부분은 수업시간에 배운 기억을 되살려서 제작시에 필요한 수치랑 오차를 적어주시면 됩니다. 연결부분은 ‘중간끼워맞춤’등을 고려해서 치수를 작성했었는데, 신경안쓰시고 그냥 만들어 주시더군요. ㅋ;..(여쭤보니, 학생인걸 고려해서 적당히 알아서 해준신다고 하셨습니다.(대부분 제작업체에서) 그리고 아시다시피 오차범위에 따라 만원짜리가 몇백만원 짜리가 되기도 합니다. 만들려는 것이 무엇인지 업체측분과 충분히 대화나누시기 바랍니다..)

연결부 제도 (이건 들고갔다가 혼났던도면…최종도면은 안보이네요.)

블레이드로터 부분과 연결부 모습(나사로 연결하여 바꿔가면서 실험 할 수 있도록 하였습니다.)

Vertical 예시 (Sample)

 

 

 

 

 

 

 

 

완성

 

 풍동에 넣고 테스트

전기장치부, 제어장치부 같은건 달기만 하면되므로 각자 알아서.

 

끝~