Optimized Blade Design for Homemade Windmills/ko

프로젝트 데이터

위치	킹스턴 , 캐나다
상태	디자인됨 모델링
OKH 선언문	다운로드

Mech425와 협업하여 만든 이 프로젝트의 목적은 공기 흐름과 관련하여 평평하고 균일한 블레이드의 최적 각도를 식별하는 것입니다. 블레이드의 각도는 가장 많은 에너지를 회전 운동으로 변환하도록 최적화되어야 합니다. 평평한 블레이드는 수직축 터빈과 함께 사용되며, 이 설계는 일반적으로 단순성을 선호하거나 도구와 용품에 대한 접근성이 제한될 때 선택됩니다.

• 이 프로젝트는 바람을 이용하여 전기를 생산하고자 하는 개인에게 지원을 제공하기 위해 선정되었습니다.
• 타겟 고객은 상업적으로 이용 가능한 모델을 구매할 여유가 없고 스스로 모델을 구축하기로 선택한 사람들입니다.

풍차는 여러 가지 기능을 가지고 있으며 바람이 닿는 곳이면 어디에서나 작동할 수 있습니다. 풍차는 날개를 사용하여 바람의 에너지를 회전 운동으로 변환합니다. 이 회전 운동은 직접 작업에 사용되거나 다시 전기로 변환될 수 있습니다. 원래 풍차는 제분소에서 분쇄하는 데 사용되었습니다. 오늘날에도 여전히 이 목적으로 사용되지만 용도가 물을 펌핑하고 전기를 생산하는 것으로 확대되었습니다. 경제적으로 덜 발달한 나라에서는 수제 풍차에서 생성된 전기를 배터리와 휴대전화를 충전하거나 조명 장치, 라디오 및 관개 펌프를 작동하는 데 자주 사용합니다.

상업적으로 판매되는 현대식 풍력 터빈은 특정 풍속에 맞게 조정되었으며 각 터빈에서 메가와트의 전기를 생성할 수 있습니다. 그러나 수제 솔루션은 종종 저기술이며 최적화 측면에서 거의 검토되지 않았습니다. 이 보고서는 가장 많은 전기를 생성하기 위해 다가오는 바람과 관련하여 블레이드를 기울이는 가장 좋은 각도를 식별하고자 합니다.

윌리엄 캄크밤바는 이 보고서에 제시된 분석으로부터 이익을 얻을 수 있는 사람의 훌륭한 예입니다. 그는 자신의 독창성과 시행착오적 사고방식을 사용하여 풍차를 건설할 수 있었습니다. 그는 주변의 폐기물을 빛과 관개를 모두 제공하는 기능적인 풍차로 성공적으로 변형했습니다. 그의 작업은 전 세계 사람들에게 영감을 주는 동시에 그의 가족과 친구들에게 더 나은 삶을 제공했습니다. 그러나 그의 제한된 정규 교육을 바탕으로 그는 설계를 최적화하기 위해 엔지니어링 계산을 통합하지 않았습니다. 더 많은 사람들이 바람의 잠재력을 활용하려고 함에 따라 이러한 장치를 최적화하여 사회적 이익을 극대화하는 데 큰 가치가 있습니다.

윌리엄에 대한 더 많은 정보와 그의 감동적인 이야기를 아래에서 볼 수 있습니다.

플랫 블레이드의 이점

플랫 블레이드는 다른 디자인보다 덜 일반적이지만, 특히 저소득 또는 외딴 지역에서 상당한 이점을 제공합니다. 플랫 블레이드를 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 쉽게 구축 가능
• 디자인 및 지역 지식이 덜 필요함
• 공사에 필요한 장비 및 시간이 적습니다.
• 블레이드의 모양과 크기가 일관된지 확인하는 것이 더 쉽습니다.

공학 계산

바람에 저장된 운동 에너지는 베르누이의 원리에 따라 찾을 수 있습니다.

KE = 1 / 2 ⁽ m * v2 )

바람의 에너지를 찾으려면 실린더의 질량을 찾아야 합니다. 이는 실린더의 부피에 유체의 밀도를 곱한 값에 기초합니다.

m = ρ * V

원통형 기둥으로 표현되는 유체의 총 부피는 다음과 같습니다.

V = A * L

우리는 다음과 같은 방법으로 원통 밑면의 면적을 계산할 수 있습니다.

A = 1 / 4(π ^* D2 )

실린더의 길이는 풍차의 쓸어넘긴 영역을 통과한 유체의 양을 나타냅니다. 이는 풍속에 시간을 곱하여 계산합니다.

L = v * t

이를 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.

KE = 1 / 8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

마지막으로, 바람의 힘은 단순히 단위 시간당 에너지입니다.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

입증된 바와 같이, 바람의 힘은 공기의 속도와 관련이 높고, 블레이드의 직경과는 관련이 적습니다. 유체의 에너지 양은 유체의 속도의 세제곱과 관련이 있으며, 이는 강한 풍속의 중요성을 나타냅니다. 따라서 에너지 출력을 높이기 위해 가장 중요한 요소는 강한 풍속의 위치를 ​​찾는 것입니다. 이는 타워를 만들어 풍차를 더 높은 곳에 배치함으로써 달성할 수 있습니다. 이렇게 하면 지상에서 장애물의 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다. 터빈 블레이드의 크기도 중요하며, 더 많은 전력을 얻는 방법으로도 고려해야 합니다.

가능한 최대 효율성

베츠 한계는 알버트 베츠가 개발했으며, 주어진 속도에서 유체 흐름에서 장치가 얻을 수 있는 최대 에너지를 나타내기 위한 것입니다. 풍차의 경우, 얇은 로터의 최대 이론적 효율은 다음 가정에 따라 찾을 수 있습니다.

• 로터는 날개의 수가 무한하고 저항이 없기 때문에 이상적인 것으로 간주됩니다.
• 로터의 유입 및 유출 흐름은 축방향이며 보존 방정식에 따릅니다.
• 유체는 비압축성 흐름을 기반으로 모델화됩니다.

Betz 한계는 전력 계수의 이론적 최대값을 0.593으로 예측했습니다. 이는 유체에서 제거된 전력의 이론적 한계가 59.3%임을 의미합니다. 이에 비해 상업용 풍력 터빈은 현재 블레이드 설계 및 기계적 공정과 관련된 약간의 비효율성으로 인해 40~50%의 전환을 달성할 수 있습니다. ^{[ 1 ]}

블레이드의 최적 각도

유체 흐름에서 사용 가능한 에너지의 양은 아래에 표시되어 있으며 유체 속도와 블레이드의 스윕 영역과 밀접한 관련이 있습니다. 다른 중요한 구성 요소는 다가오는 유체에서 얼마나 많은 에너지를 얻을 수 있는지입니다. 평평한 블레이드의 경우, 유체 흐름과 비교하여 풍차 블레이드가 기울어진 각도는 얼마나 많은 에너지를 회전 운동으로 변환할 수 있는지 결정하고 시스템에서 의미 있는 작업을 위해 포착합니다. 최적의 각도는 아래에서 계산되었습니다.

풍압은 날개의 단위 면적당 바람이 가하는 힘의 양이며 다음과 같이 주어집니다. P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• 여기서 c는 상수이고 긴 평판의 경우 1.0과 같습니다.

풍차 날개에 대한 바람의 힘은 바람 압력에 다가오는 흐름을 마주보는 날개의 면적을 곱한 값에 기초합니다. 날개가 다가오는 기류에 대해 각도로 기울어진 경우 유체에 노출된 날개의 면적은 sin θ 의 인자로 줄어듭니다 . 따라서 바람 압력 계산은 날개에 대한 바람의 힘을 얻기 위해 A * sin θ 로 곱해집니다 . 또한 회전 운동으로 변환된 바람의 힘은 다가오는 유체 흐름에 대한 날개의 각도와 관련이 있습니다. 이 관계는 cos θ 의 인자로 제공됩니다 .

또한 블레이드는 유체의 흐름에 수직인 자체 축에서 회전할 때 블레이드 각도와 관련된 항력 계수를 겪게 됩니다. 이 항력 계수는 D * cos θ 로 표시됩니다 .

따라서 블레이드의 힘의 균형을 결정하기 위한 종합적인 계산은 다음과 같습니다.

F = ρ * v ² * A * 죄 θ * cos θ * D * cos θ

주목해야 할 중요한 관계는 힘과 θ 사이의 관계입니다. 결합된 힘의 평형은 힘과 sin θ * cos θ * cos θ 사이의 관계를 나타냅니다 .

결과적으로 블레이드의 최적 기울기는 sin θ * cos θ * cos θ 가 최대가 되도록 공기 흐름에 각도를 제공합니다. 이 값은 θ가 조정됨에 따라 값이 어떻게 변하는지 보여주기 위해 아래 그래프에 표시되었습니다 . 

각도는 라디안으로 조정되며 약 0.62라디안 또는 약 35.5도에서 최대값을 나타내는 것으로 보입니다. 이는 풍력의 최대 38.5%가 회전 운동으로 변환됨을 의미합니다. 따라서 평평한 날개 풍차를 사용하여 최적의 에너지량을 얻으려면 날개를 다가오는 기류에서 약 35.5도 각도로 기울여야 합니다.

이 블레이드 각도에 대한 전산 유체 역학(CFD) 분석은 블레이드를 통과할 때 압력 분포와 공기 흐름을 조사하기 위한 것이었습니다. 안타깝게도 CFD 소프트웨어인 Fluent의 라이선스가 만료되었습니다. Gambit 프로그램을 사용한 블레이드 설계의 메시 모델이 아래에 포함되었습니다.

완성된 CFD 분석은 Fluent나 이와 동등한 소프트웨어 프로그램에 대한 액세스가 가능해지면 게시될 예정입니다.

지역적 고려 사항

이 기술의 대상 지역은 사람들이 도구나 용품에 대한 접근성이 제한적인 지역, 예를 들어 사하라 이남 아프리카입니다. 또한 해당 지역은 합리적인 풍력 자원과 특정 핵심 소재에 대한 접근성이 있어야 합니다. 이러한 소재에는 발전기 및 모터와 같은 많은 기술적으로 진보된 소재가 포함됩니다. 그러나 이러한 소재는 기능적이고 기본 요구 사항을 충족할 수 있는 한 폐기물 처리장에서 찾을 수 있습니다. 많은 사람들이 이러한 품목을 살 여유가 없지만, 충분한 고장난 자동차와 가전제품이 많이 있습니다.

사회적 영향 측면에서 전기에 접근할 수 있는 능력은 지역 사회를 빈곤에서 벗어나게 하는 데 도움이 되는 강력한 장치입니다. 반대로, 경제적 격차를 영속시키고 확대하는 데 도움이 되는 것으로 반복적으로 나타났습니다. 에너지는 존중을 받으며 불행한 사람들을 더욱 빈곤하게 만드는 도구로 사용되지 않는 것이 중요합니다.

자료

다음 목록은 집에서 또는 폐기물 재료를 사용하여 풍차를 만드는 데 필요한 기본 재료를 나타냅니다. 윌리엄 캄크밤바가 무엇이 가능한지 보여주고 전 세계 사람들에게 영감을 주었기 때문에 그가 첫 번째 풍차를 만드는 데 사용한 재료는 아래와 같습니다. ^{[ 2 ]}

풍차를 건설하고 전기를 저장하려는 의도가 있는 경우 다음 재료도 필요합니다. ^{[ 3 ]}

• 딥사이클 배터리 12V (사용자가 전기 에너지를 저장하려는 경우)
• 배터리 충전량을 조절하는 충전 컨트롤러
• DC/AC 컨버터
• 브리지 정류기(전기가 배터리로 흐르도록 보장)

도구

손에 도구에 제약이 없다면 톱, 스크루드라이버, 나사, 망치, 못, 와셔, 너트와 볼트, 수평기와 마커가 있으면 가치가 있을 것입니다. 게다가 전기 작업은 플라이어와 전압, 전류, 저항계가 있으면 더 쉬울 것입니다. 그러나 세계의 시골 지역에서는 사람들이 사용 가능한 자원을 더 창의적으로 사용해야 합니다. 다음은 이러한 경우의 몇 가지 예입니다. ^{[ 4 ]}

• 평평한 칼날은 PVC 파이프를 세로로 자르고 톱이나 비슷한 장치를 사용한 다음 불 위에서 파이프를 가열하여 만들 수 있습니다. 뜨거워지면 길고 평평한 칼날로 성형할 수 있습니다.
• 와셔는 병 뚜껑을 망치로 두드려 평평하게 만든 다음 가운데에 구멍을 뚫어서 만들 수 있습니다.

이런 상황에서 못, 바위, 불, 나무가 풍력 터빈을 만드는 도구가 됩니다. 강철이나 바위는 망치로 사용할 수 있고, 자전거 스포크는 바위를 따라 긁어서 평평한 모서리를 만들 수 있으며, 비닐 봉지는 녹여서 한쪽 끝에 손잡이를 만들 수 있습니다. 게다가, 옥수수 속을 손잡이로 사용하고 못을 밀어서 드릴을 만들 수 있습니다. 그런 다음 못을 노천에서 가열하여 빨갛게 달군 다음 특정 재료를 관통하는 데 사용할 수 있습니다.

기술과 지식

풍력 터빈의 에너지 생성 잠재력을 활용하려면 주어진 위치에 얼마나 많은 바람이 있는지 이해하는 것이 중요합니다. 보퍼트 풍력 계급은 다양한 시각적 단서를 기반으로 풍속을 나타냅니다. 이러한 단서는 지상의 풍속을 나타내지만 고도가 높아질수록 바람에 더 많은 에너지가 흐를 가능성이 있습니다. 이는 지구 표면에서 발달하는 경계층과 바람의 흐름에 영향을 미치는 지상의 다양한 장애물을 기반으로 합니다. 보퍼트 풍력 계급은 아래와 같습니다. ^{[ 5 ]}

더욱 자세한 신체적 식별 요소 목록을 보려면 이 링크를 클릭하세요.

또한, 조명, 라디오 작동 또는 배터리 충전과 같은 응용 분야에 사용할 전기를 전송하려면 원하는 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 전압 및 전류와 같은 전기 이론을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 지식의 개요는 여기에서 찾을 수 있습니다.

기술 사양

윌리엄은 아래에 표시된 개략도를 기반으로 자신의 풍차를 만들 수 있었습니다. ^{[ 6 ]} 그런 다음 그는 나무로 만든 큰 탑에 장착했습니다.전반적으로 이 기계는 개념적으로 상당히 단순하며 주요 제한 사항은 사용 가능한 재료와 제한된 도구 접근성입니다.윌리엄은 테스트를 통해 자신의 디자인을 사용하면 4개 날개의 풍차가 3개 날개의 대응 제품보다 더 많은 전력을 생성할 수 있음을 발견했습니다. ^{[ 7 ]}

예상 비용

윌리엄은 자신의 풍차 제작 비용이 약 15달러였으며 자전거 발전기가 가장 구하기 어려웠다고 밝혔습니다. ^{[ 8 ]} 다양한 구성 요소의 비용은 그가 폐차장이나 가족에게서 무료로 찾을 수 있었던 것에 따라 추산되었습니다.

시골 지역에서는 부품 비용은 회수할 수 있는 재료나 현지에서 또는 인근 마을에서 구매해야 하는 재료에 따라 상당히 다릅니다. 따라서 특정 재료의 접근성의 변동성에 따라 예상 비용 범위를 제공하는 것이 더 적절합니다. 이는 순전히 추정치이지만 부품에 대해 얼마나 지불할 것으로 예상할 수 있는지에 대한 아이디어를 제공합니다.

표시된 대로 비용 범위는 약 $0-$99이며, 얼마나 많은 것을 구제할 수 있는지에 따라 일반적인 프로젝트 비용 범위를 제공합니다. 이러한 추정에 따르면 윌리엄의 $15 예산은 다른 사람들이 낭비라고 생각하는 것에서 대부분의 재료를 찾을 수 있었기 때문에 범위의 하단에 있는 것으로 보입니다.

초기 비용을 넘어, 바람에서 얻은 전력은 소득 창출 기술이 될 수 있는 기회를 가지고 있습니다. 휴대전화는 다양한 상품의 가격을 결정하기 위해 이웃 시장에 전화를 걸고자 하는 개인에게 휴대전화를 임대하는 많은 사람들에게 일자리를 제공했습니다. 마찬가지로, 전력은 조명 애플리케이션이나 라디오 청취에 사용할 수 있는 휴대전화나 기타 배터리를 충전하고자 하는 사람들에게 판매될 수 있습니다. 

일반적인 실수

윌리엄 캄크밤바가 사용했고 이 섹션 전체에서 개선된 풍차 설계에는 많은 변형이 있습니다. 그러나 일반적으로 사용되고 성능에 부정적인 영향을 미치는 몇 가지 변형이 있습니다. 이러한 예 중 하나는 블레이드를 만드는 재료로 나무를 사용하는 것입니다. 나무는 무거운 물질이기 때문에 회전을 시작하고 더 많은 회전을 달성하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 좋지 않은 선택입니다. 다른 재료를 고려해야 합니다.

또한, 블레이드가 균일한 모양이어야 흔들림이 발생할 수 있으므로 매우 중요합니다. 흔들림은 성능을 저하시키고 추가 진동으로 인해 풍차의 수명을 단축시킵니다. 또한 풍차 블레이드는 더 강력하고 일관된 바람 흐름을 얻기 위해 다른 모든 장애물 위에 높게 배치해야 합니다. 경험에 따르면 터빈을 근처 장애물의 두 배 높이로 배치하는 것이 좋습니다.

다른 디자인

톱과 사포와 같은 추가 장비를 사용할 수 있다면 아래 영상에서 보여준 디자인을 사용할 수도 있습니다. 또한 풍력 터빈은 회전할 수 있고 꼬리를 사용하여 블레이드를 바람으로 향하게 한다는 점에 유의하세요.

참고문헌

페이지 데이터

의 일부	메크425
키워드	공학 , 풍력 발전
지속가능개발목표	SDG07 저렴하고 깨끗한 에너지
저자	하워드 슈워츠
특허	저작권: CC-BY-SA-3.0
조직	퀸스 대학교
언어	영어 (en)
번역	이탈리아어 , 힌디어 , 프랑스어 , 스페인어 , 한국어 , 폴란드어 , 독일어 , 네덜란드어
관련된	8개의 하위 페이지 , 22개의 페이지가 여기에 링크되어 있습니다.
영향	49,395 페이지 뷰 ( 더 보기 )
생성됨	2010년 4월 3일 Howard Swartz 작성
마지막 수정	2024년 3 월 6일 14.139.204.210
인용하다	하워드 슈워츠 (2010–2024). "수제 풍차를 위한 최적화된 블레이드 디자인" . Appropedia . 2025년 2월 17일 검색 .
API 쿼리	기본 , 의미론 , html , 파일 , 더 보기