[열공학실험]블레이드 개수에 따른 풍력에너지 변환기의 출력 전력 측정 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 실험 장비 세팅한다. - 키트 조립

① 변환기 원리 : 리프트

② 블레이드의 형상 : 곡선

③ 블레이드 개수 : 2/3/4개

④ 경사각 : 75도

⑤ 바람을 일으키는 속도: <D> 스위치를 통해 scale 1-10 에서 8에 맞춘다.

※블레이드의 개수 빼고 다 같은 조건으로 실험

2) 블레이드 2개 조립한다.

 

3) 속도계를 통해 바람의 평균속도[m/s]를 측정한다. →

 

4) 부하 저항을 20Ω ~ 100Ω 까지 20Ω 간격으로 늘리면서 조절해 저항에 따른 변환기의 전압[V],

전류[mA]를 각각 측정한다.

 

5) 블레이드 3개, 4개 설치 후 똑같이 반복한다.

실험 결과

1. 결과 분석

1) 블레이드가 2개인 경우

R[Ω]	평균 풍속 [m/s]	Input Energy [W]	전압[V]	전류[mA]	전력[mW]
20	4.3	0.551	0.85	26.1	22.19
40			1.06	19.3	20.46
60			1.18	14.8	17.46
80			1.26	12.7	16.00
100			1.31	10.9	14.28

∵ 블레이드 반경 r=60㎜

① Input Energy = (1/2)ρV3πr2 = (1/2)1.225×4.33×π×0.062 = 0.551W 

② 풍력 발전효율(Efficiency)

η = (output/Input)×100(%) = (MPP/Input Energy)×100(%) = (22.19/551)×100(%) = 4.03%

 

2) 블레이드가 3개인 경우

R[Ω]	평균 풍속 [m/s]	Input Energy [W]	전압[V]	전류[mA]	전력[mW]
20	5.0	0.866	0.83	29.9	24.82
40			1.00	20.3	20.30
60			1.12	15.9	17.81
80			1.15	12.5	14.38
100			1.20	10.7	12.84

① Input Energy = (1/2)ρV3πr2 = (1/2)1.225×5.03×π×0.062 = 0.886W

② 풍력 발전효율(Efficiency)

η = (output/Input)×100(%) = (MPP/Input Energy)×100(%) = (24.82/866)×100(%) = 2.87%

 

3) 블레이드가 4개인 경우

R[Ω]	평균 풍속 [m/s]	Input Energy [W]	전압[V]	전류[mA]	전력[mW]
20	5.2	0.974	0.88	33.9	29.83
40			1.07	22.8	24.40
60			1.15	16.9	19.44
80			1.22	13.7	16.71
100			1.27	11.6	14.73

① Input Energy = (1/2)ρV3πr2 = (1/2)1.225×5.23×π×0.062 = 0.974W

② 풍력 발전효율(Efficiency)

η = (output/Input)×100(%) = (MPP/Input Energy)×100(%) = (29.83/974)×100(%) = 3.06%

 

4) 블레이드의 개수와 최적 회전 속도 사이의 관계

N=(V×60)/(π×D) 식을 이용, D=0.12m

블레이드 개수	평균 풍속[m/s]	회전 속도[rpm]
2개	4.3	684
3개	5.0	796
4개	5.2	828

① 블레이드 개수가 4개일 때, 평균 풍속이 가장 커서 회전 속도가 가장 빠르다.

② 블레이드 개수가 4개일 때, 회전 속도가 가장 빨라서 출력 전력이 증가한다.

 

5) 몇 개의 블레이드에서 가장 높은 출력 전력이 측정되었는지 설명하세요.

① 실험 결과, 4개의 블레이드에서 저항이 20Ω 일 때, 전력 29.83[mW]로 가장 높다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 IKS사의 Windtrainer Junior 장비를 통해 풍력 발전의 원리 및 전반적인 이론을 이해할 수 있었습니다. 실험에서 부하 저항을 조절한 이유는 바람의 세기와 방향은 일정하지 않기 때문에, 다양한 상황에 따른 상황을 모사한 것이라고 생각했습니다. 실험 결과 데이터들을 통해 풍력으로부터 얻는 에너지의 양은 회전 블레이드 반경(길이)과 바람의 평균속도에 의해 결정되며, 블레이드의 직경이 커질수록, 풍속이 빠를수록 많은 양의 전기 생산이 가능하다는 것을 알았습니다.

또한, 블레이드 개수가 2개일 때 풍력 발전효율이 가장 높았고, 발전량은 블레이드 개수가 4개일 때 가장 많았으며, 회전 속도도 가장 빠르다는 결과가 나왔습니다. 실제 풍력 발전기는 블레이드 개수가 3개로 설계된다는 점을 알고 있었기 때문에 어떤 이유로 다른 결과가 나온 것인지 생각해보았습니다. 그 이유는 큰 영향을 미치는 인자인 풍속을 측정할 때, 값이 계속 변하지만, 하나의 값으로만 평균 풍속을 선정해 오차가 발생하였습니다. 기존의 풍력 발전은 수평축 터빈을 통해 발전하고 이때, 블레이드 개수가 3개입니다. 그 이유는, 실제 풍력 발전에서는 블레이드 개수가 3개 일 때 발전효율이 가장 뛰어나기 때문입니다. 

블레이드 개수가 4개 이상으로 늘어나면 블레이드 개수만큼 바람을 받는 면적과 발전량은 증가할지 몰라도 블레이드의 약 10톤에 달하는 무게 때문에 발전효율이 더 떨어집니다. 또한, 블레이드 수가 증가하면 바람이 세차게 불면 윈드타워가 구부러지거나 꺽일 수도 있어 위험성 또한 더 큽니다. 블레이드 개수가 2개인 경우는 발전효율 면에서는 비슷하지만 3개일 때가 2개보다 안정성이 높아 우리나라뿐만 아니라 중국, 미국 등과 같은 풍력 발전 선진국들도 블레이드 3개로 운영하고 있습니다.

풍력 발전기가 있는 곳의 풍속은 보통 6~9m/s이고, 초속 25m/s 이상의 매우 빠른 바람이 불면 자동으로 멈춥니다. 매우 강한 바람은 전력을 더 많이 생산할 수 있지만, 블레이드가 파손될 위험이 있어 발전을 통해 얻는 이익보다 수리비가 더 많이 나오기 때문에 멈추도록 설계했다고 합니다. 블레이드 숫자는 여러 면에서 고정할 수밖에 없지만, 블레이드 반경 즉, 길이가 길수록 발전량이 증가하기 때문에 더 큰 풍력 발전기를 개발하고 있다고 합니다.

풍력 발전은 날로 성장하고 있고, 발전량도 늘어나고 있으며, 지금도 계속 개발이 활발하게 이루어집니다. 저는, 태양광 다음으로 풍력 발전이 미래에 우리 일상생활에 영향을 많이 끼치고, 상용화가 될 것이라고 생각합니다. 

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