다음 페이지는 Greg Pfotenhauer와 Agustin Gonzalez가 2011년 봄에 완료한 ENGR 305 프로젝트의 결과입니다. 이 페이지에서는 윈드벨트 기술, 설계 목표 및 기준, 비용, DIY 가이드, 프로젝트에서 수행해야 할 추가 단계 및 학기 작업 결과에 대한 결론에 대한 간략한 개요를 다룹니다.
내용물
배경
Shawn Frayne이 처음 설계한 윈드벨트 [1] 는 공탄성 플러터 원리를 통해 바람을 사용 가능한 전기로 변환하는 장치입니다. 기존 풍력 터빈과 달리 윈드벨트는 낮은 풍속에서도 전기를 생산하는 데 효과적입니다. 일반적으로 평균 풍속이 낮은 지역은 윈드벨트 설치에 적합합니다. 그러나 윈드벨트 디자인은 비교적 새롭고 실험적입니다. 이러한 잠재적인 청정 에너지원을 발전시키려면 새로운 재료와 새로운 디자인을 테스트해야 합니다.
기회 정의
기존 풍차는 낮은 풍속에서 상대적으로 적은 전력을 생산하지만, 윈드벨트는 평균 풍속이 낮은 지역을 활용할 수 있습니다. 지금까지 Cal Poly Humboldt 학생들로 구성된 세 그룹이 윈드벨트를 제작했으며, 매번 윈드벨트 디자인을 개선했습니다. 이 프로젝트는 새로운 재료와 윈드벨트 디자인을 테스트하는 데 사용됩니다.
문헌 검토
다음은 윈드벨트와 관련된 이용 가능한 정보에 대한 문헌을 검토한 것입니다.
윈드벨트 기본 사항
2004년 Shawn Frayne이 발명한 윈드벨트는 바람의 힘을 전기로 변환하는 장치입니다. 장치는 매우 간단하며 두 지점 사이에 팽팽한 끈이나 리본이 묶여 있습니다. 팽팽한 재료를 가로질러 부는 바람은 공탄성 플러터 효과를 생성하여 리본을 진동시킵니다. 이 운동은 리본에 있는 영구 자석에 의해 전기로 변환됩니다. 자석은 리본의 움직임에 따라 전자기 코일 안팎으로 움직입니다. 이는 코일의 와이어에 전류를 유도합니다. [2]
효율성을 높이기 위해 값비싼 베어링과 기어가 필요한 기존 풍력 터빈과 달리 윈드벨트는 저렴한 비용으로 비교적 쉽게 제작할 수 있습니다. 이는 평균 풍속이 낮은 지역에서 기존 풍력 터빈보다 윈드 벨트를 훨씬 더 실현 가능하게 만듭니다. [삼]
구성요소
다음은 윈드벨트의 기본 구성 요소를 구성합니다.
액자
윈드벨트는 외부 요소에 노출되며 UV 복사, 온도 변화, 습기 및 다양한 풍속의 영향을 받습니다. 그러므로 프레임은 내구성이 있어야 합니다. 이는 프레임이 최대한 강해야 함을 의미합니다.
윈드벨트가 어떻게 서거나 장착될 것인지도 고려해야 합니다. 강풍은 윈드벨트 마운트에 많은 토크를 발생시킬 수 있으며, 마운트가 부러지면 윈드벨트나 부착된 구조물이 손상될 수 있습니다. [4]
리본
리본은 가볍고 얇아서 바람이 불 때 날개처럼 작용해야 합니다. 탄력성이 너무 높으면 리본의 진동이 방해되기 때문에 상당히 단단해야 합니다. 리본은 팽팽해지고 잠재적으로 높은 풍속을 받게 되므로 재료의 인장 강도가 높아야 합니다. 마지막으로, 시간이 지나도 모양이 유지되어야 효과적입니다. (시간이 지나도 빠르게 변형되지 않는 물체는 "크리프"가 낮다고 합니다.) 윈드벨트 건설. Shawn Frayne의 디자인에 사용된 소재는 마일라 코팅 태피터입니다. [5] 케블라, 테이프, 카메라 필름과 같은 유사한 재료를 대신 사용할 수 있습니다. 윈드벨트의 효율성을 향상시키기 위해서는 리본 재료에 대한 추가 테스트가 필요합니다.
자석
영구 자석은 코일 안팎으로 진동할 때 코일에 전류를 유도하는 데 사용됩니다. 자석은 리본의 공기탄성 흔들림을 방해하지 않도록 상당히 가벼워야 합니다. 네오디뮴 자석이 가장 일반적으로 사용됩니다. [6]
코일
코일은 전도성 금속으로 만들어져야 합니다. 구리는 전도성이 좋은 금속 중 가장 저렴합니다. 코일을 손으로 감을 수 있어 비용이 절감됩니다. 일부 산업용품점에서는 코일을 감아주지만 비용이 많이 듭니다. [7]
연결성
윈드벨트에서 생산되는 전기는 전압이 일정하지 않습니다. 전압은 풍속에 비례하므로 사용하려면 전압을 조절해야 합니다. 소형 윈드벨트 시스템은 표준 USB 포트에 전원을 공급할 수 있는 반면, 대형 시스템은 12V DC 회로에 전원을 공급할 수 있습니다. 더 큰 어레이라도 그리드 연결 AC 시스템의 가능성이 있지만 아직 실험 단계에 있습니다. [8]
윈드벨트 설계 목표
이 윈드벨트의 특정 디자인은 이전 제품과 약간 다른 목적을 기반으로 합니다. 이 프로젝트의 궁극적인 목표는 매우 저렴한 비용으로 거의 모든 사람이 쉽게 복제할 수 있는 프로토타입을 만드는 것이었습니다. 건설에는 건축 기술이 거의 필요하지 않으며 대부분 재활용 부품으로 구성됩니다. 파워와 효율성은 이 윈드벨트의 목표가 아닙니다. 오히려 사람들이 직접 제작하여 실습 경험을 쌓음으로써 윈드벨트 디자인에 대해 배울 수 있는 방법이 될 것입니다. [9]
이 모델이 윈드벨트 디자인을 완벽하게 만들기 위해 노력하는 사람들의 더 큰 기반을 구축하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 더 큰 윈드벨트 프로토타입은 일반 개인에게는 벅차고 비용이 많이 들 수 있지만, 이 특정 윈드벨트의 디자인을 통해 관심 있는 애호가가 문에 발을 들여놓고 나중에 원래 디자인을 확장할 수 있습니다.
또한 아직 실행 가능한 옵션이 거의 없기 때문에 일부 새로운 리본 재료가 테스트될 것입니다.
기준
윈드벨트의 최종 디자인은 다음 기준에 따라 각 디자인의 순위를 매겨 결정되었습니다. 기준은 1부터 10까지 순위가 매겨져 있으며, 10이 가장 중요한 기준입니다.
| 기준 | 제약 | 무게 |
|---|---|---|
| 안전 | 윈드벨트는 신체적 또는 전기적 부상을 가해서는 안 됩니다. | 10 |
| 비용 | 윈드벨트는 최대한 저렴해야 합니다. | 9 |
| 환경 적 영향 | 윈드벨트는 가능한 한 재활용 부품을 사용해야 합니다. | 9 |
| 내구성 | 윈드벨트는 악천후를 견딜 수 있어야 합니다. | 5 |
| 전력 용량 | 프로젝트는 어느 정도 눈에 띄는 힘을 생산해야 합니다. | 4 |
| 미학 | 윈드벨트는 보기에 즐거울 것입니다 | 2 |
건축 과정
다음은 쉽고 저렴한 윈드벨트를 제작하기 위한 단계별 가이드입니다.
도구
이 프로젝트를 완료하려면 다음 도구가 필요합니다.
- 손보고
- 멀티미터
- 정밀 Torx 드라이버 세트(하드 드라이브 분해용)
- 가위
- 와이어 스트리퍼(가위를 대안으로 사용할 수 있음)
- 납땜 총
- 송곳
- 쇠톱 또는 퍼즐
- 십자 드라이버와 일자 드라이버
- C-클램프
- 펜치
- 사포 또는 벨트 샌더
재료
이러한 자료 중 상당수는 재활용 센터나 중고품 판매점에서 찾을 수 있습니다.
나무 너비가 6인치 이상, 길이가 2-3피트인 나무 조각이 프레임에 사용됩니다. 이 설명에 맞는 거의 모든 나무 조각에 적합하지만 더 얇은 나무 조각이 작업하기 더 쉽습니다. 프로젝트에서 우리는 1/2인치 두께의 도어 패널을 사용하고 이를 2.5피트로 자릅니다.
중고 하드 드라이브 많은 컴퓨터 수리점, 전자 폐기물 수거 장소, 심지어 중고품 판매점에서도 오래되었거나 고장난 하드 드라이브를 구입할 수 있습니다. 전자 폐기물은 처리하기 까다로울 수 있기 때문에 사람들은 전자 폐기물을 무료로 기꺼이 나눠주는 경우가 많습니다.
리본 이 장치에서는 다양한 재료를 사용/테스트할 수 있습니다. 몇 번의 시도 끝에 우리는 강하고, 소성적으로 변형되지 않으며, 공탄성 플러터 효과를 생성하는 카메라 필름을 선택했습니다.
하이텍 솔더 하드 드라이브 코일에 와이어를 연결하는 데 소량의 하이테크 솔더가 사용됩니다. 납땜은 철물점이나 RadioShack에서 찾을 수 있습니다.
링 행거 및 나사 이 행거는 벽걸이에 사용되며 철물점에서 몇 달러에 구입할 수 있습니다. 이는 인장 클램프에 사용됩니다.
직각 PVC 직각 PVC 조각은 리본의 장력을 빠르게 조정하는 데 사용됩니다. 0.5인치 직경이 가장 잘 작동합니다.
고릴라 접착제 이 멋진 재료는 리본을 하드 드라이브 코일에 고정하는 데 사용됩니다. 연결을 강화하기 위해 고릴라 테이프를 사용할 수도 있습니다.
장력 핀 작은(<1/8") 장력 핀은 리본을 하드 드라이브 코일에 고정합니다.
LED 저전압 LED를 부착하여 윈드벨트의 전력 출력을 확인할 수 있습니다. 우리는 1.8V, 20ma 빨간색 LED를 선택했습니다.
라이트 게이지 절연 와이어 24-30g 와이어가 가장 잘 작동하며 하드 드라이브 코일의 납땜 지점을 LED에 연결합니다.
다양한 너트 및 볼트 크기는 하드 드라이브 코일에 따라 크게 달라지며 시스템 사양에 맞춰집니다. 1/8인치 볼트 1개, 너트 및 와셔 2개는 PVC 배관을 고정하는 데 적합합니다. 추가 볼트, 너트 및 와셔 3개는 자석과 코일을 고정하는 데 사용됩니다.
나일론 스페이서 나무에서 자석을 오프셋하려면 두 개의 스페이서가 필요합니다. 우리는 1/4인치 길이의 스페이서를 사용했지만 이는 실제로 하드 드라이브 코일에 필요한 공간의 양에 따라 달라집니다.
비용
재활용 재료를 사용하면 이러한 재료의 비용을 최소한으로 줄일 수 있습니다. 이 프로젝트는 10달러 정도의 비용으로 구축할 수 있습니다.
| 안건 | 소매 | 우리의 비용 |
|---|---|---|
| 목재 | 4.99 | 기부됨 |
| 중고/깨진 하드 드라이브 | 해당 없음 - 가변적 | 기부됨 |
| 리본 | 해당 없음 - 가변적 | 기부됨 |
| 하이텍 솔더 | 2.99 | 기부됨 |
| 링 행어 | 2.99 | 2.99 |
| 직각 1/2" PVC | .79 | 기부됨 |
| 고릴라 글루 | 7.39 | 보유 |
| 텐션핀 | .39 | .39 |
| 절연전선 30g | 2.79 | 보유 |
| 주도의 | 2.49 | 2.49 |
| 다양한 너트, 볼트, 와셔 | 2.20 | 2.20 |
| 나일론 스페이서 (2) | .34 | .34 |
| 총 | 27.36 | 8.75 |
단계
재료를 모으다
스타터 구멍을 뚫고 양쪽에 최소 4인치를 남기고 나무 조각의 중심을 잘라냅니다.
리본을 나무 조각보다 약간 긴 길이로 자릅니다.
그림과 같이 HDD 자석을 고정하세요.
HDD 코일에서 여분의 회로를 제거하고 각 납땜 지점에 와이어를 납땜합니다.
HDD 코일을 자석과 정렬하고 나무에 피벗용 구멍을 뚫습니다.
납땜이 성공했는지 확인하기 위해 저항을 테스트하십시오. OL(과부하)은 회로가 불완전하다는 것을 의미합니다!
가장 바깥쪽 구멍의 중앙에 장력 핀을 놓습니다. 고릴라 글루로 붙이고 1~2시간 동안 건조시킵니다.
HDD 코일이 들어갈 리본에 홈을 자릅니다. 리본이 찢어지지 않도록 주의하세요.
PVC와 나무에 구멍을 뚫습니다. 볼트를 밀어 넣고 양쪽의 너트와 와셔로 조입니다.
텐션핀 홈에 리본을 밀어 넣습니다. 고릴라 글루로 붙이고 필요한 경우 테이프로 고정하세요.
피벗 구멍과 HDD 코일 구멍 중 하나를 통해 볼트를 밀어 넣으세요. 필요한 경우 너트로 조이세요
클램프 나사 구멍을 위한 작은 시작 구멍을 뚫습니다.
링 행거를 PVC에 나사로 고정합니다. 아직 조이지 마십시오.
링 행거 클램프를 통해 리본을 밀어 넣고 조입니다. PVC를 회전시켜 장력을 조절합니다.
전선의 다른 쪽 끝을 LED에 납땜합니다. 나무에 와이어를 연결하되 움직일 수 있도록 여유를 두십시오.
윈드벨트를 테스트하려면 벨트에 큰 팬을 불어넣거나 바람이 없을 경우 자동차 창밖으로 팬을 내밀어 보세요.
다음 단계
결론
이 프로젝트는 공탄성 플러터의 개념을 전달하는 데 도움이 되는 쉬운 DIY 윈드벨트이지만 전력 생산에는 실용적이지 않습니다. 윈드벨트 기술은 아직 초기 단계이므로 윈드벨트 전력 출력에 영향을 미치는 다양한 변수를 구축하고 테스트하는 광범위한 연구자 기반이 필요합니다. 현재 다양한 학생 그룹이 프로토타입을 제작하고 테스트하고 있지만 정확한 설계를 위한 오픈 소스 데이터는 아직 없습니다. 건축업자가 변수를 쉽게 변경할 수 있게 해주는 윈드벨트나 테스트 장치는 더 나은 계획을 세우고 더 주의깊고 정확한 건축을 가능하게 합니다. 이러한 장치를 구성할 때 다음 변수를 고려할 수 있습니다.
장력 장력의 미세한 변화는 리본의 움직임에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 점진적으로 장력을 증가/감소시킬 수 있는 장력 장치를 사용하면 사용자는 리본 장력의 영향을 관찰할 수 있습니다.
리본 길이 리본 길이는 리본의 주기적인 동작에 영향을 줍니다. 리본 길이를 쉽게 변경하면 사용자가 진동에 대한 "최적 지점"을 찾을 수 있습니다.
리본 재료 리본을 쉽게 교체할 수 있어 사용자는 다양한 재료와 그것이 전력 출력에 미치는 영향을 테스트할 수 있습니다.
코일/자기장 상호 작용 자기장을 기준으로 자석의 배치를 쉽게 변경하면 사용자가 자기장 내 자석 이동의 효과를 테스트할 수 있습니다.
자석 배치 리본에 자석을 다양하게 배치하면 동작과 필드 상호 작용이 변경되어 전력 출력이 변경됩니다.
풍속 가변 풍속을 갖춘 풍동은 다양한 풍속에서 이러한 변수를 테스트하는 데 최적입니다.
교훈
여러 번 구축하고, 실패하고, 재구축한 결과 이 프로젝트에서 몇 가지 사항이 제거되었습니다.
- 자기 테이프는 너무 가소성이 있어 시간이 지남에 따라 변형됩니다. 윈드벨트 공사에는 적합하지 않습니다.
- 사용 가능한 전기를 생산하기 위해 HDD를 사용할 가능성은 낮지만 건축업자에게 윈드벨트 뒤에 있는 개념을 가르치는 데는 좋은 도구입니다.
- 카메라 필름은 마일라 코팅 태피터(Shawn Frayne 소재 사용)와 유사한 소재입니다. 윈드벨트 시공에 적합한 소재인 것 같습니다. 크리프가 낮고 상대적으로 강하며 탄성이 없고 소성 변형되지 않습니다. 그러나 점점 구하기 어렵고 가격이 비싸지고 있습니다.
- 윈드벨트 프로토타입의 결론은 정확히 찾아내기 어렵습니다. 이러한 설계에는 제어할 수도 있고 제어할 수 없는 변수도 많이 있습니다. 보다 정확한 시스템을 사용하여 이러한 변수를 적절하게 제어하면 의심의 여지가 적은 결론을 얻을 수 있습니다.
- 두 개의 별도의 평행 리본을 사용하면 리본 위의 공기 흐름을 방해하여 윈드벨트가 비정상적으로 작동하게 됩니다.
팀
참고자료
- ↑ http://web.archive.org/web/20180727133403/http://www.humdingerwind.com:80/
- ↑ http://www.rexresearch.com/frayne/frayne.htm
- ↑ http://www.brighthub.com/environment/renewable-energy/articles/50528.aspx
- ↑ https://www.appropedia.org/Samoa_Hostel_Windbelt
- ↑ http://www.physics.org:80/featuredetail.asp?id=47
- ↑ http://international.nsbe.org/documents/Final%20CDO%20Report%20-%20University%20of%20Toronto%20and%20University%20of%20Cape%20Coast.pdf
- ↑ https://www.appropedia.org/HSU_Chiapas_Windbelt_ASE#Rolling_Coil
- ↑ http://www.kentlaw.edu/faculty/fbosselman/classes/.../Sarah%20Fanto.ppt
- ↑ http://www.instructables.com/id/Windbelt-from-hard-drive-voice-coil-and-magnets/