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문제 정의
- 본 연구에서는 자이로밀형, 힌지형, 양문형의 블레이드를 적용한 소형 수직형 풍력발전기의 출력특성을 분석하였고, 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 풍속발생장치를 이용하여 최대 풍속이 12m/s가 되도록 구성하였으며, 블레이드의 효율을 향상시키기 위해 지상에서 170cm의 높이로 풍속발생장치와 블레이드의 높이를 일치시켰으며 발전기의 축은 90도가 맞추어 프레임에 고정시켰다. AD Power HPM-300A 측정 장비를 사용하여 풍속이 변화될 때 블레이드 형태에 따른 발전기의 출력전압 및 출력전류를 측정하였으며, 측정되어진 결과 값을 이용하여 출력전류를 계산하였다.
- 힌지형은 각 블레이드의 중간에 경첩을 달아 제작하였으며, 양문형은 수직으로 세워진 두 개의 직사각판에서, 직사각판의 수직변 한 개씩을 마주보게 V자 형으로 놓고, V자 형의 외각 쪽 직사각 판 면적에서 높이에 따르는 수평 길이의 중심부에 각각 수직 회전축을 고정하였다. V자 형의 내각을 120~160도로 놓으며, V자 형을 유지하도록 V자 형의 외각 쪽 두 개의 직사각 평판 표면 사이를 스프링으로 각각 연결하였다.
- 이 중 양문형의 경우, 저 풍속에서는 양쪽 문이 닫혀 있어 바람을 받는 면적이 넓어 가장 큰 토오크가 발생하고, 중 풍속에서는 양쪽 문이 열려지기 시작하여 바람을 받는 면적이 조금씩 작아져 토오크가 자동 조정되며, 강풍에서는 양쪽 문이 모두 열려져 회전 토오크가 최소화되는 특징을 갖고 있다. 이에 본 연구에서는 양문형 블레이드의 우수성을 검증하기 위해 블레이드 형태에 따른 자이로밀형, 힌지형, 양문형을 제작하였으며, 출력특성 실험을 수행하였다.
- 풍력발전기는 최대출력 71W급의 스텝 모터(P22 NR x B-LNN-NS-00)에 결선을 바꾸어 모터가 발전기의 역할을 할 수 있도록 구성하였다. 풍속발생장치를 이용하여 최대 풍속이 12m/s가 되도록 구성하였으며, 블레이드의 효율을 향상시키기 위해 지상에서 170cm의 높이로 풍속발생장치와 블레이드의 높이를 일치시켰으며 발전기의 축은 90도가 맞추어 프레임에 고정시켰다.
- 풍력발전기는 최대출력 71W급의 스텝 모터(P22 NR x B-LNN-NS-00)에 결선을 바꾸어 모터가 발전기의 역할을 할 수 있도록 구성하였다. 풍속발생장치를 이용하여 최대 풍속이 12m/s가 되도록 구성하였으며, 블레이드의 효율을 향상시키기 위해 지상에서 170cm의 높이로 풍속발생장치와 블레이드의 높이를 일치시켰으며 발전기의 축은 90도가 맞추어 프레임에 고정시켰다. AD Power HPM-300A 측정 장비를 사용하여 풍속이 변화될 때 블레이드 형태에 따른 발전기의 출력전압 및 출력전류를 측정하였으며, 측정되어진 결과 값을 이용하여 출력전류를 계산하였다.
- 3은 힌지형 및 양문형 수직축 풍력발전기 블레이드로 블레이드 수는 자이로밀형과 동일하게 총 3매이며, 블레이드 재질은 알루미늄판을 사용하였다. 힌지형은 각 블레이드의 중간에 경첩을 달아 제작하였으며, 양문형은 수직으로 세워진 두 개의 직사각판에서, 직사각판의 수직변 한 개씩을 마주보게 V자 형으로 놓고, V자 형의 외각 쪽 직사각 판 면적에서 높이에 따르는 수평 길이의 중심부에 각각 수직 회전축을 고정하였다. V자 형의 내각을 120~160도로 놓으며, V자 형을 유지하도록 V자 형의 외각 쪽 두 개의 직사각 평판 표면 사이를 스프링으로 각각 연결하였다.
대상 데이터
- 1에서 보는 바와 같이 블레이드 수는 총 3매이며, 블레이드의 재질은 나무를 사용하였다. Fig. 2와 Fig. 3은 힌지형 및 양문형 수직축 풍력발전기 블레이드로 블레이드 수는 자이로밀형과 동일하게 총 3매이며, 블레이드 재질은 알루미늄판을 사용하였다. 힌지형은 각 블레이드의 중간에 경첩을 달아 제작하였으며, 양문형은 수직으로 세워진 두 개의 직사각판에서, 직사각판의 수직변 한 개씩을 마주보게 V자 형으로 놓고, V자 형의 외각 쪽 직사각 판 면적에서 높이에 따르는 수평 길이의 중심부에 각각 수직 회전축을 고정하였다.
- 본 연구에 사용된 자이로밀형 수직축 풍력발전기 블레이드는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 블레이드 수는 총 3매이며, 블레이드의 재질은 나무를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 블레이드 형태에 따른 출력특성을 분석한 결과 자이로밀형은 풍속이 최소 5m/s 이상이 되어야만 발전기 출력특성이 나타났지만, 힌지형과 양문형은 최소 2m/s 이상이 되면 발전기 출력특성이 나타났다.
- 2) 최대풍속 11m/s일 때 출력전압을 측정한 결과 자이로밀형은 2.1V, 힌지형은 3.2V, 양문형은 3.5V의 출력전압이 측정되었다.
- 3) 최대풍속 11m/s일 때 출력전류를 측정한 결과 자이로밀형은 43mA, 힌지형은 79mA, 양문형은 83mA의 출력전류가 측정되었다.
- 또한 양문형은 저 풍속에서는 넓은 면적의 두 개의 사각 판이 풍력을 받아 미풍에서도 발전이 가능하고, 풍속이 증가할수록 사각 판의 사이가 벌어져 풍력을 받는 면적이 좁아지게 되어 고 풍속에서도 안정된 출력이 가능하다고 판단되어진다. 이를 통해 양문형 블레이드를 적용하면 자이로밀형 및 힌지형 블레이드를 적용했을 때보다 출력이 증가됨을 확인하였다.
- 최대풍속 11m/s일 때 블레이드 형태에 따른 발전기 출력전압을 측정한 결과, 양문형의 경우 자일로밀형보다 67%의 증가율로 다소 큰 차이를 보였으나, 힌지형보다는 9%의 증가율로 미세한 차이를 보였다. 최대풍속 11m/s일 때 블레이드 형태에 따른 발전기 출력전류를 측정한 결과, 양문형의 경우 자일로밀형 블레이드보다 93%의 증가율로 다소 큰 차이를 나타내었으나, 힌지형보다는 5%의 증가율로 미세한 차이를 보였다. 최대풍속 11m/s일 때 출력전력을 계산한 결과, 양문형의 경우 자이로밀형보다 222%의 증가율로 다소 큰 차이를 나타내었으나, 힌지형보다는 15%의 증가율로 미세한 차이를 보였다.
- 최대풍속 11m/s일 때 블레이드 형태에 따른 발전기 출력전압을 측정한 결과, 양문형의 경우 자일로밀형보다 67%의 증가율로 다소 큰 차이를 보였으나, 힌지형보다는 9%의 증가율로 미세한 차이를 보였다. 최대풍속 11m/s일 때 블레이드 형태에 따른 발전기 출력전류를 측정한 결과, 양문형의 경우 자일로밀형 블레이드보다 93%의 증가율로 다소 큰 차이를 나타내었으나, 힌지형보다는 5%의 증가율로 미세한 차이를 보였다.
- 최대풍속 11m/s일 때 블레이드 형태에 따른 발전기 출력전류를 측정한 결과, 양문형의 경우 자일로밀형 블레이드보다 93%의 증가율로 다소 큰 차이를 나타내었으나, 힌지형보다는 5%의 증가율로 미세한 차이를 보였다. 최대풍속 11m/s일 때 출력전력을 계산한 결과, 양문형의 경우 자이로밀형보다 222%의 증가율로 다소 큰 차이를 나타내었으나, 힌지형보다는 15%의 증가율로 미세한 차이를 보였다. 양문형과 힌지형의 경우 자이로밀형보다 블레이드의 면적이 넓어 풍력발전이 용이하기 때문에 출력특성 이 증가되었다고 판단되어진다.
후속연구
- 4) 본 연구를 통해 양문형 블레이드를 적용하면 자이로밀형 및 힌지형보다 발전기 출력특성이 개선됨을 확인하였고, 본 연구 자료는 추후 소형 수직축 풍력발전기 설계 및 제작에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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