풍력 발전 보고서

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풍력 발전 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론
1.1. 이론적 배경
1.2. 실험 목적

2. 실험 방법

3. 결과 및 토론
3.1. 거리에 따른 전력량 측정
3.2. 바람세기에 따른 전력량 측정

4. 결론

본문내용

, 높이의 관계를 수량적으로 나타낸 베르누이 정리를 보면 유체의 흐름이 빠른 곳의 압력은 유체의 흐름이 느린 곳의 압력보다 작아진다는 이론을 설명하고, 유체의 위치에너지와 운동에너지의 합은 항상 일정하다고 밝힌 이론이다.
베르누이 정리를 식을 통해보면 다음과 같다. 점성이 없고, 수축되지 않는 유체의 정상인 흐름에서는, 하나의 유선에 대해서
(단, v=유속, p=압력, ρ=밀도, g=중력의 가속도, z=어떤 임의의 수평면으로부터의 높이) 가 성립된다. 이는 유체의 운동에 관한 에너지 보존의 법칙을 나타내는 것이다.
베르누이의 정리를 적용하기 위한 전제 조건들
1. 유체는 비압축성이어야 한다. (압력이 변해도 밀도가 변하지 않아야 한다)
2. 점성력이 존재하지 않아야 한다.
기준점에 대한 높이 h로 위치에너지를, 유체가 흐르는 속도 v로 운동에너지를, 압력 P로 일(에너지)을 나타낼 수 있는데 어느 한 점에서 이 세 에너지의 합은 다른 점에서의 세 에너지의 합과 같음을 나타내는 식이다. 이 때 유체의 밀도는 변하지 않는다고 가정한다. 또 유체의 위치에너지나 운동에너지는 밀도 ρ를 써서 나타낸다. 이 관계식을 이용하여 흐르는 유체의 유속을 측정할 수 있다. 즉 흐르는 유체의 압력이 유체의 유속과 기준점에 대한 높이와 관계되기 때문이다.
다음으로 풍력에너지란 바람으로부터 에너지를 얻는 신재생 에너지이다. 바람을 이용해 풍차를 회전시키고 이를 터빈으로 돌리는 과정으로 전환하여 전기를 생산한다. 이때 증폭기를 이용하여 효율을 높일 수 있다. 현재 풍력 발전기 효율은 30%정도의 효율을 내며 바람이 많이 불고 넓은 대지를 필요로 하는 만큼 사막이나 바다와 가까운 위치에 설치한다.
1.2. 실험목적
모터와 프로펠러를 이용하여 거리와 바람의 세기에 따라 생성되는 전력량을 구해보고 각 변수와 전력량의 관계를 생각해본다.
2. 실험 방법
먼저 실험 도구는 다음과 같다.
멀티미터
악어클립
선풍기
모터
- 자
먼저 거리에 따른 전력량 측정은 멀티미터와 모터의 한쪽씩 악어클립을 통해 회로를 구성하고 선풍기를 마주보는 방향으로 프로펠러를 위치시킨다. 자를 이용해 선풍기의 중앙선을 기준으로 거리를 제어 10cm, 20cm, 30cm, 40cm 길이에서 전압과 전류를 측정한다. 정지상태에서 프로펠러를 회전시킬때는 처음 가동시키는 힘이 부족하여 손으로 살짝 힘을 주면 더 쉽게 측정할 수 있다. 다음은 바람의 세기에 따라 전력량을 비교한다. 선풍기의 세기 변화인 미풍, 약풍, 강풍을 통해 바람의 세기 변화를 준다. 거리가 멀어질수록 프로펠러가 돌아가지 않았기 때문에 바람의 세기가 약할 때에도 프로펠러가 구동이 되려면 가장 가까운 상태에서 바람의 세기를 변화를 주는게 맞다.
3. 결과 및 토론
3.1. 각도에 따른 전력량 측정
위 사진은 10cm 강풍에서 측정한 실험값이며 이후 측정방식도 위와 같다.
실험값은 다음과 같다.
거리(cm)
측정된 전압(V)
측정된 전류(mA)
측정된 전력량(mW)
풍속 예측(η=100%)
풍속 예측(η=30%)
10
0.23/0.26/0.25
6.9/7.41/7.23
1.795
84
126
20
0.18/0.20/0.21
4.83/4.54/4.3
0.912
67
100
30
0.13/0.12/0.09
2.95/2.83/2.89
0.3179
47
70
40
0.06/0.03/002
1.34/1.22/1.30
0.0516
26
38
풍속예측은 η=100%일 때에는 식을 통해 풍속을 구한다. 이때 측정된 전력이 mW인데 W값으로 단위를 변환해준다. 속력의 단위는 m/s이다.
η=30%일 때에는 식을 통해 풍속을 예측한다. 풍속예측은 전력량이 작아질수록 거리가 줄어들수록 작고 η값이 커질수록 작아지는데 이는 풍속을 구하는 식에서 분모값이 작아지는 이유 때문이다.
거리가 멀어질수록 전력량이 감소하는 경향이지만 거리에 비례하여 감소하진 않는다. 거리에 따라 감소되는 전력량이 커진다. 추세선 식은 2차 함수인이다.
3.2. 거리에 따른 전력량 측정
실험값은 다음과 같다.
풍속
측정된
전압(V)
측정된
전류(mA)
측정된
전력량
(mW)
풍속
예측
(η=100%)
풍속
예측
(η=30%)
강풍
0.25/0.26/0.27
6.9/7.3/6.88
1.8278
85
126
약풍
0.17/0.16/0.17
5.2/5.18/4.87
0.8467
65
98
미풍
0.04/0.03/0.06
3.18/3.27/2.89
0.1337
35
53
풍속 예측은 거리에 따른 전력량 예측에서 사용한 식을 사용하여 구했다. 전력량은 바람의 세기가 셀수록 크다. 바람의 세기에 따라 전력량 그래프를 그리는데, 바람의 세기는 실제 값이 나오는 것이 아니므로 위 그래프에서는 1=강풍, 2=약풍, 3=미풍으로 이해하면 된다.
날개의 개수에 따른 전력량을 생각해본다. 실제 풍력 발전에서 3개의 날개를 가진 풍력발전기부터 2개, 1개의 날개로 갈수록 실제 풍속에 비해 날개 끝 속도를 매우 늘려야 최대효율을 낼 수 있으므로 날개 개수가 적어질수록 바람의 세기를 증가시켜야하는데 실험에서 최대의 바람의 세기를 주는 게 한정되어있다. 날개가 모두 최대 효율을 같는 상황일 때에도 날개가 가장 많은 3개일 때 가 효율이 가장 높았으므로 4개일 때 더 전력량이 클 것으로 예상된다.
4. 결론
거리와 바람의 세기에 따라 전력량 값이 어떻게 나오는지 실험하고 경향성을 파악해보았다. 오차원인이 있다면 모터를 위치시킬 때 측정도중 미세하게 손의 움직임으로 변화할 수 있다. 또한 프로펠러가 선풍기를 보는 방향이 미세하게 틀어지거나 정지하여도 아무래도 유체의 흐름이 일정하지 않으니 전압과 전류 값이 미세하게 변화하는 것을 실험에서 볼 수 있었는데 그 것도 오차원인으로 포함 시킬 수 있다.
참고문헌
[네이버 지식백과] 베르누이의 정리 [Theoreme de Bernoulli, Bernouille\'s Theorem] (물리학백과)
[네이버 지식백과] 베르누이 정리 [Bernoulli\'s theorem] (두산백과)
[네이버 지식백과] 풍력 발전기 [wind power generator, 風力發電機] (두산백과)

키워드

풍력,   발전,   실험