CCAT interpretive wind turbine display/ko
풍력 터빈은 움직이는 공기라는 깨끗하고 재생 가능한 자원을 통해 전기를 생산하는 방법을 제공합니다 . 전기 생산 과정에서 직접적인 오염 물질이 발생하지 않는다는 점에서 청정하며, 바람이 항상 불기 때문에 재생 가능합니다. 이 프로젝트는 바람 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정에 관심 있는 모든 사람에게 기본적인 이해를 제공하고자 설계되었습니다. 이는 다른 사람들에게도 관심을 불러일으키고 더 깊은 연구를 시작할 수 있는 기초 지식입니다.
프로젝트 가이드라인/설명
CCAT 와 몇 차례 미팅을 통해 , 이 프로젝트에 사용 가능한 풍력 터빈을 어떻게 활용할지 CCAT가 어떤 의도를 가지고 있는지 명확하게 파악할 수 있었습니다. CCAT는 바람의 흐름이 차단되어 풍력 터빈을 완벽하게 작동시키기에 최적의 장소가 아니었습니다. 또한, 이 프로젝트에 사용된 터빈은 오랜 수명을 자랑하며 더 이상 효율적인 에너지 생산이 불가능합니다. 이 풍력 터빈을 예전처럼 되돌리는 것은 그리 좋은 선택이 아니었습니다. CCAT는 사람들이 직접 체험하고 풍력 터빈이 날개를 돌리고 그 결과를 통해 에너지를 생성하는 방식을 배울 수 있는 시연 전시를 원했습니다. 따라서 풍력 터빈은 견고하고 안전하며 이동성이 뛰어나면서도 상호 작용이 가능해야 했습니다.
계획 및 테스트
어떤 종류의 가전제품을 가동할 수 있는지 확인하기 위해 풍력 터빈이 어떤 종류의 전기 출력을 낼 수 있는지 확인해야 했습니다. 테스트할 전선 세 개가 있었고, 몇 번 시도한 후 터빈이 교류 전류를 생산하고 있음을 확인할 수 있었습니다. 손으로 블레이드 마운트를 돌려 두 전선을 통해 +2.5VDC와 -2.5VDC의 피크 교류 전압을 생성할 수 있었습니다 . 이렇게 양극과 음극이 번갈아 가며 나타나는 현상은 출력이 교류임을 입증하기에 충분한 증거였습니다. 세 번째 전선은 중성선으로 확인되었습니다. 2.5V는 AA 배터리 두 개를 직렬로 연결한 것보다 약간 적은 전압이지만, LED 전구를 켜기에는 충분할 것으로 판단했습니다 . 또한, 사람들이 얼마나 많은 전압을 생산할 수 있는지 확인할 수 있도록 전압계도 어딘가에 설치하고 싶었습니다. 풍력 터빈에는 새 블레이드도 필요했습니다. 기존 블레이드는 어디에도 없었기 때문에 설계는 저희에게 맡겨졌습니다. 나무는 블레이드 제작에 흔히 사용되는 재료인 것 같았고, 저희가 다룰 수 있는 재료이기도 했습니다. 이 시범 모델에는 견고한 프레임도 필요했습니다. 저희는 넓고 튼튼한 바닥을 만들 수 있도록 네 면이 피라미드 모양으로 된 프레임을 디자인했습니다(아래 사진 참조). 또한 이동이 가능해야 했기에 바퀴를 달아서, 전체 유닛을 뒤로 기울이면 작업대 수레처럼 바퀴 위에서 굴러가도록 했습니다.
사용된 재료 및 도구
| 재료 | 도구 |
|---|---|
| 1" x 4" x 16' 투명 더그 전나무 | 원반 톱 |
| 1" x 6" x 8' 소나무 | 크로스 컷 톱 |
| 2' x 2' x ½" 합판 | 핸드 플레인스 |
| 다양한 판금 스트립 | 팜 샌더 |
| 6개의 미터법 블레이드 장착 볼트 | 디스크 샌더 |
| 다양한 길이의 5/16인치 볼트, 너트 및 와셔 | 밴드톱 |
| 너트와 와셔가 포함된 12" x 3/4" 나사산 막대 | 쇠톱 |
| 재활용 플라스틱 걸레 손잡이 | 다양한 드릴 |
| 호스 클램프 | 렌치 |
| 오래된 금속 침대 프레임 2개 | 커터 |
| 1캔 녹 방지 프라이머 | 펜치 |
| 검은색 페인트 1캔 | 망치 |
| 12온스 야외 데크 얼룩 제거제 | 드라이버 |
| 자전거 크랭크 | 소켓 |
| 10 게이지 와이어 20피트 | 저전압 MIG 용접기 |
| 20옴 저항기 | 클램프 |
| 다양한 팩 LED | 레벨 |
| 16V 커패시터 | 멀티미터 |
| 50V 25amp 브리지 정류기 | 유니버설 브레드보드 |
| 15VDC 전압계 | 줄자 |
| 미터 박스 | 그리고 |
| 다양한 와이어 너트 및 커넥터 | 우리의 손 |
건설
블레이드
날은 옹이 없는 깨끗한 더글러스 전나무로 만들었습니다. 특히 HSU Wood Lab을 이용할 수 있었기 때문에 다른 재료보다 나무로 작업하기가 더 쉬울 것이라고 생각했습니다. 날 제작 방법을 계획하면서, 제거 과정이 더 중요할 것이라는 것을 깨달았습니다. 그래서 우리가 모방하고 싶었던 날의 단면도를 찾았습니다.
전나무의 끝목리에서 모양을 잘라내고 따라 그린 다음, 다양한 손 대패를 사용하여 보드의 길이에 따라 모양을 잘랐습니다.
원하는 모양을 얻은 후, 블레이드를 마무리 사포질하고 팁을 둥글게 다듬었습니다. 이제 터빈 장착판과 같은 구멍이 있는 두 개의 장착판을 만들어야 했습니다. 이 플레이트는 목재 연구실의 고철 더미에서 찾은 합판으로 만들었습니다. 합판을 터빈 지름과 같은 지름의 원으로 자른 후, 종이 한 장을 터빈 마운트 위에 놓고 마운트와 구멍의 윤곽을 그려 넣었습니다. 이 윤곽선을 사용하여 터빈의 구멍 패턴을 합판 마운트로 옮겼습니다. 구멍을 뚫고 정확한지 확인한 후, 블레이드의 장착 부분을 합판 마운트 사이에 놓고 적절한 간격으로 배열한 다음 구멍을 뚫을 위치를 표시했습니다. 블레이드에 구멍을 뚫은 후, 블레이드 전체(블레이드와 마운트 두 개)를 터빈 블레이드 마운트에 볼트로 고정했습니다. 볼트를 조이면 합판 마운트가 블레이드 사이에 끼워져 조여져 헐거운 부분이 없어집니다.
저희 핸드 크랭크는 오래된 자전거 크랭크, 12인치 나사봉, 10인치 길이의 1인치 강철 파이프, 그리고 낡은 걸레에서 나온 플라스틱 튜브로 만들었습니다. 나사봉은 페달이 일반적으로 부착되는 크랭크에 연결했습니다. 그런 다음 파이프를 나사봉 위로, 플라스틱 튜브를 그 위로 연결했습니다. 나사봉 양쪽 끝에 너트와 와셔를 끼워 파이프와 크랭크 연결부를 조이면서도 플라스틱 튜브가 파이프 위에서 자유롭게 회전할 수 있도록 했습니다. 그런 다음 원래 크랭크 세트 장착 구멍을 사용하여 앞쪽 합판 블레이드 마운트에 볼트로 고정했습니다. 블레이드를 고정하는 볼트 헤드와의 간격을 확보하기 위해 볼트와 와셔를 여러 개 사용했습니다. 이 시점에서 블레이드와 마운트를 제거하고 톰슨 데크 스테인으로 마감하여 목재에 균열과 변형을 일으킬 수 있는 물 손상을 방지했습니다. 돌이켜보면 친환경 마감재를 찾을 수도 있었지만, 이 방법이 효과가 좋다는 것을 알고 있었고, 이미 목재 연구소 카드로 비용을 지불했습니다.
프레임
프레임은 뒷마당에 숨겨져 있던 두 개의 재활용 침대 프레임으로 만들었습니다. 모든 방향으로 넓은 지지력을 제공하는 네 면의 피라미드 모양 프레임을 설계했습니다. 먼저 평평한 바닥에 놓인 타워에 네 개의 다리를 클램프로 고정한 후, 더 잘 보이도록 고정해 보았습니다. 모든 것이 마음에 들었기에 클램프를 제거하자 네 개의 다리 중 두 개가 바닥에 떨어졌습니다. 타워는 아연 도금되어 용접 부위에 관통이 없었습니다. 디스크 그라인더와 환풍기를 사용하여 외부 아연 도금 코팅을 제거하고 성공적으로 용접했습니다. 네 개의 다리만으로는 지지력이 부족했습니다. 작은 침대 프레임을 교차 지지대로 사용하자 프레임이 훨씬 더 융기되었습니다. 프레임은 이동성이 필요했기 때문에 보조 바퀴를 사용하는 운반대와 같은 마운트를 설계했습니다. 이렇게 하면 한 사람이 터빈을 쉽게 이동할 수 있었습니다.
난간/미터 마운트
난간은 두 가지 목적을 가지고 있습니다. 하나는 회전하는 날개에 사람들이 접근하지 못하도록 하는 것이고, 다른 하나는 전압계 LED 박스와 풍력 터빈의 작동 원리 등 설명 자료를 설치할 공간을 제공하는 것입니다. 침대 프레임 두 개를 사용자 인터페이스 쪽으로 위쪽으로 돌출되도록 프레임에 용접했습니다. 그런 다음 튀어나온 부분 위에 2.5cm x 10cm x 18cm 크기의 소나무 조각을 설치하여 난간과 계량기 거치대를 만들었습니다.
LED 및 미터 박스 구축
.
우리는 2.5V보다 훨씬 더 많은 전압을 사용할 수 없다는 것을 알고 있었기 때문에 브레드보드와 두 개의 AA 배터리를 직렬로 연결하여 테스트를 진행했습니다. 이렇게 하면 원하는 DC 출력을 잘 시뮬레이션하는 3.00VDC 회로가 만들어졌습니다. 그런 다음 3.00VDC와 병렬로 LED를 배치하기 시작했습니다. LED가 켜지지 않기 전까지 약 15개의 LED를 병렬로 연결할 수 있었습니다. 3.00V가 나올지 알 수 없었고 조명이 밝아지기를 원했기 때문에 10개를 사용하기로 했습니다. 또한 예상치 못한 큰 전기 서지로 인해 LED가 타버리는 것을 방지하기 위해 20옴 저항을 LED와 직렬로 연결해야 했습니다. 그러나 먼저 AC 전류를 DC 전류로 변환해야 했습니다. LED는 한 방향으로만 전류가 흐르도록 하여 DC 전류가 필요하기 때문입니다. 이를 위해 전파 정류기를 만들거나 구입해야 했습니다. AC 전류는 앞뒤로 펄스하지만 우리는 한 방향으로만 흐르기를 원했습니다. 정류기는 다이오드를 사용하는데, 다이오드는 전기를 한 방향으로만 흐르게 합니다. 회로에 이러한 다이오드 네 개를 올바르게 배치하면 정류기가 완성됩니다. 이 정류기는 교류 전류의 왕복 펄스를 단방향 전류인 직류 전류로 변환합니다. 그러나 이 정류기는 가장 매끄러운 전류를 생성하지 못합니다. 전류에는 여전히 급격한 피크와 딥(peek and dip) 현상이 발생합니다. 이러한 문제를 해결하려면 커패시터가 필요할 수 있습니다. 커패시터는 배터리와 같은 버퍼 역할을 합니다. 회로에 전력이 더 많으면 커패시터는 그 전력을 저장하지만, 회로의 전력이 커패시터보다 적으면 커패시터는 저장된 전력의 일부를 방출합니다. 이는 피크를 둥글게 만들고 딥을 채워 매우 안정적인 전류를 생성합니다. 또한 측정 가능한 출력을 확인하기 위해 전압계를 연결하기로 했습니다.
Motive Engineering [1] 은 프로젝트 초기에 와이어 피드 MIG 용접기를 사용하도록 허용했습니다. 그들은 자신들이 많이 가지고 있는 재료 중 일부를 기부함으로써 도움을 주고 싶어했습니다. 태양열 휠 라인 키트에 사용하는 검은색 플라스틱 배선 상자와 20피트 길이의 10게이지 와이어를 무료로 제공했습니다. 플라스틱 배선 상자는 전압계와 LED를 담는 동시에 배선 연결을 요소로부터 보호하는 역할을 합니다. 이전 테스트를 통해 10개의 LED를 병렬로 설치해야 한다는 것을 알았습니다. LED를 배치할 위치에 검은색 플라스틱 상자를 표시했습니다. 그런 다음 각 LED의 양극과 음극에 각각 두 개의 구멍을 뚫었습니다. 10게이지 와이어와 와이어 너트를 사용하여 각 LED의 적절한 양극 와이어를 다음 LED의 양극에 연결하고 10개 LED의 음극도 같은 방식으로 연결하여 병렬로 만들었습니다. 전압계도 병렬로 연결하여 전체 회로의 전압을 측정했습니다. 커패시터도 병렬로 연결하여 원하는 방식으로 초과 전압을 저장했습니다. 전압계에는 정확한 전압 판독값을 얻기 위해 15K옴 저항이 직렬로 연결되었습니다. LED 뱅크에 20옴 저항도 직렬로 추가하여 전류가 너무 많이 흐르고 타는 것을 방지했습니다. 이 저항의 크기는 AA 배터리 3개를 직렬로 연결하여 결정했습니다. LED 1개도 병렬로 연결했습니다. 저항 없이 AA 배터리 3개를 직렬로 연결하면 LED 1개가 타버리지만, 20옴 저항을 직렬로 연결하면 LED가 타지 않고 여전히 켜져서 작업에 충분했습니다. 쇠톱과 박스 커터를 사용하여 훨씬 더 큰 구멍을 뚫어 미터를 상자에 장착할 수도 있었습니다.
비용
| 수량 | 재료 | 원천 | 비용 | 총 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 15VDC 전압계 | 라디오 쉑 | 13.93달러 | 13.93달러 |
| 1 | 25 암페어, 50V 정류기 | 라디오 쉑 | 3.57달러 | 3.57달러 |
| 다양한 | LED, 저항기, 커패시터 | 레드우드 일렉트로닉스 | 26.21달러 | 26.21달러 |
| 다양한 | 너트, 볼트, 와셔 및 호스 클램프 | 헨젤의 에이스 하드웨어 | 14.06달러 | 14.06달러 |
| 1 | 1"x4"x16' 투명 파낸 전나무 | 아르카타 럼버 | 11.79달러 | 11.79달러 |
| 다수의 | 다른 부분들 | 기부 또는 발견된 폐기물 | 0 | 0 |
| 총 비용 | 69.52달러 | |||
결론
풍력 터빈 디스플레이를 설계하고 제작하는 과정을 통해 많은 것을 배울 수 있었던 흥미로운 프로젝트였습니다. 풍력 에너지뿐만 아니라 전기 전반에 대해서도 많은 것을 배웠습니다. 이 프로젝트가 앞으로 다른 사람들이 직접 경험을 통해 풍력 에너지의 개념을 이해하는 데 도움이 되는 유용한 도구가 되기를 바랍니다.
토론
유의사항 및 경고
비교적 느리게 움직이는 해석적 전시라는 점을 고려하여, 완전히 기능하는 풍력 터빈을 다룰 때 극복해야 할 많은 장애물을 피할 수 있었습니다. 예를 들어, 효율적인 에너지 생산자가 되려면 블레이드 각도와 모양이 매우 정확해야 합니다. 또한 자동차의 타이어와 마찬가지로 블레이드는 흔들림을 방지하기 위해 회전축을 중심으로 균일한 외향력을 유지하기 위해 완벽한 균형을 이루어야 합니다. 이러한 이유로 목공 기술에 매우 자신감이 있고 많은 연구를 할 준비가 되어 있지 않는 한 완전히 기능하는 고속 터빈을 위한 블레이드를 직접 제작하려고 하지 않는 것이 좋습니다. 이 시범 모델은 매우 빠르게 회전하지는 않지만, 특히 사람들이 상호 작용할 것이기 때문에 사람을 다칠 만큼 빠르게 움직입니다. 회전하는 블레이드에 날카로운 모서리가 없고 모든 사람과 관람객이 접근하지 않도록 예방 조치를 취해야 합니다 .