축사 배기팬을 이용한 소형 풍력 발전 시스템의 개발 및 평가 = Evaluation of Small-scale Wind Power System Utilizing Ventilation fan of a Livestock Building
저자
홍세운 ( Se-woon Hong ) ; 이인복 ( In-bok Lee ) ; 서일환 ( Il-hwan Seo ) ; 권경석 ( Kyeong-seok Kwon ) ; 하태환 ( Tae-hwan Ha )
발행기관
학술지명
한국농공학회 학술대회초록집(Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference)
권호사항
발행연도
2012
작성언어
Korean
주제어
자료형태
학술저널
수록면
79-79(1쪽)
제공처
풍력 에너지는 저탄소, 친환경적인 이미지의 신재생 에너지로서 각광받고 있으며, 풍력 에너지를 축산 시설의 배기구에서 인공적으로 조성된 연중 지속적이고 고속인 한기 기류에 접목함으로써 풍력 에너지의 활용 방안을 제시하고, 더불어 최근 에너지 비용 상승으로 힘든 축산 농가에도 경제적인 도움을 줄 수 있다. 이에 따라 본 연구의 목적은 풍력에너지를 활용하여 축산 농가의 사육비를 절감할 수 있는 축산 농가 보급형 소규모 풍력 발전 시스템을 개발하는데 있다.
환기팬 후면의 복합한 기류의 프로파일을 얻기 위하여 tuft flow visualization 실험을 진행하고 이미지 분석을 통하여 기류의 방향 측정하였다. 이는 전산유체역학 시뮬레이션의 경계조건으로 활용되어 환기팬을 직접 모의하지 않고도 동일한 기류를 모의할 수 있는 편의를 제공한다. 분석된 기류를 기반으로 익요소운동량이론(BEMT)으로 블레이드의 형상을 설계하였다. 일반적으로 BEMT는 균일한 풍속 분포에 대한 설계방법을 제공하지만, 본 연구의 불균일한 기류 분포에 맞춰 BEMT의 설계 방법을 수정하여 도입하였다. 128개의 NACA 계열 익형을 대상으로 모두 설계를 진행한 후 최적화 과정을 통하여 최적의 성능을 보인 NACA63(2)-615 익형을 선정하였으며, 이에 대한 설계안을 선택하여 실제 제작에 적합하도록 보완하였다. 풍력 터빈용 블레이드는 컴퓨터가공을 이용하여 목재와 에폭시 수지로 각각 제작하였다. 발전기는 영구자석을 사용한 동기식 3상 교류발전기를 제작하였으며, 많은 실험을 거쳐 성능을 보완하였다. 전력 변환부와 전력 출력부는 풍력 터빈과 발전기가 최적의 출력을 낼 수 있도록 시행착오를 거쳐 제작되었으며, 타워부는 시스템의 구조적 안정성, 경제성, 심미성 등을 고려하여 디자인되었다. 이 외에도 디스플레이, 냉각팬 등의 악세사리를 구성하여 제품의 완성도를 높이고자 하였다.
풍력 발전 시스템을 제작하여 현장에 설치하고 성능을 측정한 결과, 풍력 발전 시스템은 안정적으로 300W의 전기를 생산하여 환기팬이 외부로 배출하는 약 1 kW 미만의 에너지 중 약 30% 정도를 다시 회수하여 가용 에너지로 변환하는 것으로 나타났다. 실제 발전기에서 전송되는 전기는 330W 정도로 나타났지만, 약 10% 정도가 전력 변환 과정에서 손실된 것으로 판단되었다. 또한 이러한 과정에서 기존의 환기 시스템의 부하를 측정한 결과 환기팬의 구동과 소요 전력에는 변화가 없었으며 환기량만 약 1.5 % 정도 감소하는 결과를 보여, 기존 환기팬으로의 부하는 거의 없는 것으로 판단되었다. 최종 풍력 발전 시스템의 활용 방안에 대하여 다각도로 모의하고 그 경제성을 분석하였으며, 풍력 발전 시스템에서 생산된 전기 에너지를 조명 장치와 연계하였을 때 가장 좋은 경제성을 보였다. 풍력 발전 시스템의 초기 투자비와 운영비를 고려하였을 때, 약 5년 만에 모든 비용을 회수하고 매년 약 800,000원 정도의 이익을 발생시킬 수 있는 높은 경제성을 보였으며, 가장 적절한 방안이라고 판단되었다.
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