[논문]도로 중앙분리대용 후드장식형 수직축풍력발전기 연구

이종조; 임재규

doi:10.5207/jieie.2013.27.1.024

도로 중앙분리대용 후드장식형 수직축풍력발전기 연구
A Study of Hood-Type Vertical Axis Wind Turbine Embedded to Highway Median Strip 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.1, 2013년, pp.24 - 34

이종조 (전북대학교 대학원 에너지공학과) , 임재규 (전북대학교 기계설계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces the study of hood-type wind turbine embedded on highway median strip. Recently, many studies are being made to apply to small wind turbine in city. This study is wind turbine producing electricity generated from the wind by running cars. In order to analyze wind generated by running cars, we measured experiments using running cars and buses. Also, using CFD and interpreter program, we analysis wind turbines performance and applied to the twist-sabonius blade. This wind turbine attached to safety lamp on the road is produced to use electricity generated through the wind tunnel experiment. In this paper results, this wind turbine system is expected to produce the power source installed the heat ray and safety lamps on the road.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 현재까지의 풍력발전이 자연풍만을 대상으로 개발되고 있다는 점에 착안하여, 차량이 고속으로 도로를 질주하면서 발생시키는 차량 주행풍을 풍력발전에 이용하여 실제 적용 시제품 제작에 관하여 연구하였다.
본 연구에서 설계된 자료를 토대로 블레이드와 Hood, 발전기, LED램프 등을 실제 제작하여 발생되는 출력량을 분석하고자 풍동실험을 하여 데이터를 산출하였다.
항력형 회전자에서는 날개에 작용하는 공기역학적 힘 중에서 주로 저항(또는 항력)을 회전력으로 변환하여 동력을 발생시킨다. 본 연구에서는 도로형 수직축 풍력발전기로서 그림 1과 같이 항력형 수직축 사보니우스형 풍력발전기이며 횡류형 수직터빈으로 터빈 임펠러의 설계 이론은 2.2에서 논의하고자 한다.
본 연구에서는 블레이드에 걸리는 Stream line, Hood의 강도측정, 고속도로 주행버스에 의한 인공적 유도풍의 풍력발전 활용가능성을 전산유체역학을 이용하여 검토하였으며 LED램프를 부착하여 출력실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
그러나 국가 전력망 계통 연계에 적용되는 상업발전을 위한 풍력발전시스템의 대형화 흐름 외에 소규모 독립전원 등의 다양한 기술적 개념을 적용하려는 시도가 필요하다[1]. 이러한 목적으로 도로 중앙 분리대에 적용하여 차량의 소통으로 발생하는 차량 주행풍을 이용하여 도로의 안전등, 가로등, 열선 등의 동력원으로 활용이 가능한 풍력시스템의 개발이 본 연구의 목적이다.

제안 방법

(7) 풍속계의 MAX-Mode를 적용 총 10회 측정한다.
또한 차량의 통과 거리에 따라 측정된 풍속을 분석하였다. 측정기기와 차량의 거리에 따른 요건은 다음과 같다.
본 연구에서는 상기 요건에 맞추어 차량 주행풍을 측정한 후 표 1과 같은 결과치를 얻었다.
본 풍력발전 시스템에 도입되는 터빈 임펠러의 설계 이론은 운동량 보존의 법칙에서부터 시작하며, 이때 회전운동을 하는 터빈 임펠러 날개의 설계는 각 운동량의 방정식을 적용하게 된다.
이러한 시뮬레이션 결과에 대한 실증실험을 하고자 본 논문에서 제시한 6가지 모델 중 3가지(A,B,C-type) 모델을 제작하여 풍동실험을 하였다.
Twist-sabonius blade는 표 3과 같은 사양으로 현재 실제 Windro에서 제작하여 제품사용화 한 것이다. 이를 15W에 발전이 가능하도록 축소 설계하여 중앙분리대형 풍력발전기에 적용하였다.
제작된 풍력발전기의 성능과 효율을 분석하고자 다음과 같은 Hood를 적용하여 시뮬레이션을 통해서 데이터 값을 산출하였다.

대상 데이터

(1) 모델의 규격은 현대자동차의 싼타페(자가용), 슈퍼 에어로(버스) 2가지 모델을 적용하였다.

이론/모형

(1) 모델의 규격은 현대자동차의 슈퍼에어로(버스) 모델을 적용한다.

성능/효과

(1) 차량의 주행풍에 대한 분석결과는 자가용이나 버스에서는 시속 110km/h에서 가장 높은 풍속이 측정되었으며, 그 다음은 시속 90km/h, 마지막으로 시속 60km/h로 나타났으며, 또한 측정 높이에 따라 측정값에서는 높이 100cm가 가장 좋은 값이 측정되었고, 두 번째는 150cm이고, 가장 낮은 측정값은 30cm로 나타났고, 측정값은 차량 주행풍에 비례함을 알 수 있었고 제시된 풍력시스템이 가장 좋은 효율을 얻을 수 있는 높이는 100cm임을 알 수 있었다.
(2) 통과 거리별 측정 데이터를 분석한 결과 11m >8m >5.5m >3m >15m >0m >20m >진입 전 1m >25m 순으로 나타났으며, 차량이 측정기기를 통과하여 15m 지점을 통과할 때까지는 일반적인 풍력시스템의 경제성 있는 풍속이 나오는 것을 알 수 있었다.
(3) 회전 시 발생하는 전력으로 시스템에 구성된 LED 등을 점등하는 것은 이상이 없었으나 각 Type의 경우 약풍(4m/s)에서는 측정된 전압은 3.8∼3.85V, 전류는 20mA로 기동토크가 부족하며 받음각이 클 경우에만 기동이 되었다.
(4) Hood의 모양에 따라 6가지 type의 디자인에 대한 전력실험을 시뮬레이션한 결과 A-type(Outsheel 0)에서 LED램프를 점등할 수 있는 에너지가 발생하는 것을 알 수 있었다. 그러나 6가지 type 중에서 3가지(A : Out Sheel(0), B : Out Sheel(1/4), C : Out Sheel(2/4) 모델을 선정하여 실제 제작하여 풍동 실험을 한 결과 측정을 반개폐형(C-type)에서 가장 높은 출력량이 측정되었다.
(4) Hood의 모양에 따라 6가지 type의 디자인에 대한 전력실험을 시뮬레이션한 결과 A-type(Outsheel 0)에서 LED램프를 점등할 수 있는 에너지가 발생하는 것을 알 수 있었다. 그러나 6가지 type 중에서 3가지(A : Out Sheel(0), B : Out Sheel(1/4), C : Out Sheel(2/4) 모델을 선정하여 실제 제작하여 풍동 실험을 한 결과 측정을 반개폐형(C-type)에서 가장 높은 출력량이 측정되었다.
다시 말해서 측정값은 차량 주행풍에 비례함을 알 수 있었고 제시된 풍력시스템이 가장 좋은 효율을 얻을 수 있는 높이는 100cm임을 알 수 있다. 그 특징이 그림 7과 같다.
차량의 주행풍에 대한 분석결과는 자가용이나 버스에서는 시속 110km/h에서 가장 높은 풍속이 측정되었으며, 그 다음은 시속 90km/h, 마지막으로 시속 60km/h로 나타났다. 또한 측정 높이에 따라 측정값에서는 높이 100cm가 가장 좋은 값이 측정되었고, 두 번째는 150cm이고, 가장 낮은 측정값은 30cm로 나타났다.
1V, 전류 25mA이다. 또한, LED 램프 점등 출력실험으로 정격출력에 필요한 전압은 5V 이상이고, 전류는 20mA 이상의 조건이 필요함을 알 수 있었다.
완성된 제품에 대한 출력성능 시험에서 각 모델(A : Out Sheel(0), B : Out Sheel(1/4), C : Out Sheel(2/4)에 대한 출력 시험 데이터를 분석한 결과 Out sheel의 개폐면적에 따라 발생 전력이 달라졌는데 시물레이션에서는 완전개폐(A-type)에서 높은 출력치가 나타났지만 실제 풍동실험에서는 반개폐(C-type)에서 가장 높은 출력량이 산출되었다.
그림 9에서 알 수 있듯이 차량이 측정기기를 통과하여 15m 지점을 통과할 때까지는 일반적인 풍력시스템의 경제성 있는 풍속이 나오는 것을 알 수 있다. 자연풍을 풍력발전에 이용할 경우 경제성이 있으려면 이용률 30% 이상에서 평균 풍속이 4m/s 이상이어야 하는 동시 조건이 있는데 통과거리 진입전 1m와 25m를 제외한 통과거리에서 4m/s이상의 풍속이 측정되었다. 그중에서 8∼11m 사이에서 가장 높은 측정값을 얻었다.
그림 6의 데이터를 분석한 결과 다음과 같이 나타남을 알 수 있다. 차량의 주행풍에 대한 분석결과는 자가용이나 버스에서는 시속 110km/h에서 가장 높은 풍속이 측정되었으며, 그 다음은 시속 90km/h, 마지막으로 시속 60km/h로 나타났다. 또한 측정 높이에 따라 측정값에서는 높이 100cm가 가장 좋은 값이 측정되었고, 두 번째는 150cm이고, 가장 낮은 측정값은 30cm로 나타났다.
표 1의 (a)에 의한 차량 주행풍의 데이터를 분석한 결과 시속 60km/h에서는 측정높이 30cm에서는 평균 풍속 2.2m/s, 100cm에서는 4.4m/s, 150cm에서는 3.9m/s 이며, 시속90km/h에서는 측정높이 30Cm에서는 평균 풍속 2.8m/s, 100cm에서는 6.0m/s, 150cm에서는 5.5m/s이고, 시속 110km/h에서는 측정높이 30cm에서는 평균 풍속 3.2m/s, 100cm에서는 6.3m/s, 150cm에서는 6.0m/s로 산출되었다. 즉 높이에 따른 풍속은 100cm > 150cm > 30cm 순으로 나타났으며, 달리는 차량의 속도에 대해서는 비례하는 것을 알 수 있다.
표 1의 (b)에 의한 차량 주행풍의 데이터를 분석한 결과 시속 60km/h에서는 측정높이 30cm에서는 평균 풍속 3.5m/s, 100cm에서는 6.1m/s, 150cm에서는 5.6m/s 이며, 시속 90km/h에서는 측정높이 30Cm에서는 평균 풍속 7.3m/s, 100cm에서는 9.3m/s, 150cm에서는 9.0m/s 이고, 시속 110km/h에서는 측정높이 30cm에서는 평균 풍속 7.7m/s, 100cm에서는 10.6m/s, 150cm에서는 10m/s로 산출되었다. 즉 높이에 따른 풍속은100cm > 150cm > 30cm 순으로 나타났으며, 달리는 차량의 속도에 대해서는 비례하는 것을 알 수 있다.
표 2의 통과 거리별 측정 데이터를 분석한 결과 11m > 8m > 5.5m > 3m > 15m > 0m > 20m >진입 전 1m > 25m 순으로 나타났다.

후속연구

본 논문에 대한 정확성을 높이고 제작품의 성능을 보완하고 실제 필드에 적용 가능하도록 하기 위해서는 많은 실험과 연구가 필요할 것으로 사료된다.
차량 주행풍을 이용한 풍력발전시스템은 그 방향이 일정하여 풍향계와 풍향 추적장치를 별도로 설치하지 않아도 되므로 자연풍 풍력발전과 비교하면 유압을 이용하여 피치각을 제어하는 장치 등이 불필요해져서 장치의 소형화, 단순화가 가능하고 제품을 최적 시스템으로 표준화ㆍ규격화하여 완제품 형태의 발전기를 설치할 수 있으므로 응용 여부에 따라서는 상당한 효율과 경제성이 있으리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인류가 바람의 에너지원을 활용한 역사는?	인류가 바람의 에너지원을 활용한 역사는 고대 이집트의 범선이 그 시초이고, 풍력을 기계적 에너지로 변환하는 풍차는 1300년 전 페르시아 지역에서 처음으로 사용되어진 것으로 알려졌다. 14세기부터 19세기말까지 증기기관과 전기의 발명 이전의 풍차는 주요 동력설비로 광범위하게 활용되어졌다. 그러다가 20세기 들어 두 차례의 오일 쇼크로 인하여 각국은 대체에너지원으로 풍력발전시스템이 많은 관심과 개발이 활발해졌다. 또한 우리나라도 대체에너지원에 많은 투자와 지원 등으로 풍력발전산업에 총력을 기울이고 있다.
	풍력발전기란?	풍력에너지, 즉바람의운동에너지를회전자(rotor)를 이용하여 회전동력으로 변환하고, 이 동력을 이용하여 발전기 축을 회전시켜 전기 에너지를 얻는 장치를 통상적으로 풍력발전기라고 부른다. 회전자는 동력 발생 원리에 따라 양력형과 항력형 회전자로 구분할 수 있다[2].
	풍력발전기의 회전자는 동력 발생 원리에 따라 어떻게 구분되는가?	풍력에너지, 즉바람의운동에너지를회전자(rotor)를 이용하여 회전동력으로 변환하고, 이 동력을 이용하여 발전기 축을 회전시켜 전기 에너지를 얻는 장치를 통상적으로 풍력발전기라고 부른다. 회전자는 동력 발생 원리에 따라 양력형과 항력형 회전자로 구분할 수 있다[2]. 양력형에서는 회전자가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되며, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다.

참고문헌 (6)

Kim Hyun-Goo, Woo Sang-Woo, Jang Moon-Seok, Shin Hyung-Ki, "Computational Flow Analysis on Applicability of Vehicle-Induced Wind to Highway to Wind Power Generation" Journal of The Korean Society for New and Renewable Energy, Vol.4, No.4, pp.30-36, 2008.
Lee Jeong-Ick, Kim Jin-Soo, "Development of Practical Education Program by Construction of the Wind Power System Using the Wind by Car". Proceedings of KSMT 2002 Summer Annual Meeting, pp.39-44, 2002.
Jeon Joong-Hwan, "Introduction to wind turbine technology", Journal of The Korean Physical Society, pp.50 -54, 2006.
Park Jun-Yong, "An Experimental Study on the Aerodynamic Performance of High-efficient, Small-scale, Vertical-axis Wind Turbine", Inha University, pp.3-46, 2009.
Chung Sang-Hoon, Chung Kwang-Seop, Kim Chul-Ho, "Development of a Cross-flow Type Vertical Wind Power Generation System for Electric Energy Generation Using Convergent-Divergent Duct", Journal of Air-conditioning and refrigerating engineers of Korea, Vol.23, No.8, pp.543 -548, 2011.

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Yoon Seong-Wook, Jeon Wan-Ho, Kim Hyun-Goo, "Feasibility Analysis on Wind Turbine Embedded to Highway Median Strip - Consideration on Vehicle Drag Coefficient", Journal of The Korean Society for New and Renewable Energy, pp.536-538, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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