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Capstone Design
for the Better World

[15] 에너지 하베스팅 열발전 시스템(작업-물)

  • 김영목 [ 인천대학교 ]
  • 조회수394 리뷰수6 좋아요18
  • 작품번호 : 미입력
  • 공개여부 : 공개
  • 카테고리 : 전자, 전기, 기계, 교육/연구
  • 등록일 : 2021-09-08
  • 팀원(공동개발자) : 구경욱, 김해성, 김현준, 최정빈, 최동하
  • 출품작 : 제17회(2021년) 인천대학교 창의적 종합설계 경진대회

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수행 목적

기존의 열 발전기 내에서 손실되는 에너지를 에너지 하베스팅과 융합하여 발전 효율을 증가시킴으로써 환경 오염의 부담을 덜어주는 친환경적인 모습의 발전기를 설계 주제로 선정하였다.

상세설명

1. 수행배경

 국내 발전의 현 상황은 시간이 지남에 따라 증기발전의 비중은 감소하는 추세임에도, 80% 이상의 발전 비중을 차지하고 있다. 또한 설계의 목적은 다음과 같다.

 ① 에너지 자원의 가치 증가

에너지 분야는 시간이 갈수록 중요도가 증가한다. 에너지 자원은 시간이 지남에 따라 고갈되므로 사용 효율을 증가시키는 것이 중요하다.

 ② 열 발전 효율 향상의 필요성

열에너지 자원을 이용한 발전의 전력생산량이 전체 전력 생산 중 80%를 차지한다. 열 발전 사이클에서 낭비되는 잉여자원(유체의 위치에너지 등)을 활용하여 열 발전 사이클의 효율을 향상시켜야한다.

 ③ 친환경에 대한 중요도 증가

동일 자원으로 더 많은 에너지를 생산하여 발전과정 중 소모되는 자원과 생산되는 대기, 수질 오염물의 발생을 최소화해야한다.

2. 수행기간

작품 제작

내용

추진일정

비 고

5

6

7

8

9

시장 조사 및 3D 설계

 

 

 

 

 

 

필요 물품 구매

 

 

 

 

 

 

시장 조사 및 3D 설계

 

 

 

 

 

 

완제품 제작, 실용성 판단

 

 

 

 

 

 

구조 보완 및 수정

 

 

 

 

 

 

성과물

 

 

 

 

 

 


3. 개발작품 설명

. 고온부

 a. 가열부

고화력 버너를 이용해 완전히 밀폐되고, 압력이 일정하게 유지될 수 있는 압력 용기 안에 저온 부를 지나서 유입되거나, 기존에 존재한 약 3L의 물을 가열하여 증발시켜, 상단에 연결된 파이프로 증기가 이동한다.

 b. 기 발전기

고온부에서 들어온 증기가 터빈의 블레이드를 돌리며, 전력을 1차적으로 생산하게 된다. 터빈의 블레이드를 통과한 증기는 터빈 장치 하단부에 설치된 파이프를 통해 열 교환기로 이동하게 된다.

 c. 열 교환기

수냉식 열교환 시스템을 이용하여 증기를 물로 상변화 시킨다.

 

. 저온부

 a. 계영배

사이펀 효과는 특정 형상으로 인해 물이 일정 높이에 도달해야, 다른 지점으로 물이 이동하는 원리이다. 이를 통해 주기적이고, 일정한 유량의 물을 흘러보낼 수 있다.

 b. 질량-충격변환기 및 압전 소자

계영배를 통해 일정한 유량을 가진 물이 먼저 질량-충격변환기에 물이 모이게 된다. 모인 물은 여러개의 압전소자와 연결된 강체에 충격을 가하게 되고, 압전 소자 내의 압력이 가해져 2차 발전을 하게 된다.

 c. 수력 터빈

에너지 하베스팅의 다른 활용방안으로 수력 터빈을 이용하여 3차 발전을 한다. 그 과정에서 수력터빈의 형상과 질량 관성 모멘트를 고려하여 실험을 통해 적합한 형상으로 설계하였다.

 d. 물탱크 및 펌프

에너지 하베스팅 부에서 사용된 유체를 펌프를 이용해 고온부로 이동시켜 사이클을 반복한다. 펌프의 공회전을 막기위해 물탱크를 사용하였다.

 

. 제어부

 a. 아두이노

전류 센서와 발전기 그리고 디스플레이를 연결하여 전류 및 전압을 표시하고 릴레이 모듈을 이용해 스위치로 LED를 제어한다.

 

4. 활용방안

위 작품의 결과를 활용하여 실제발전소에 적용했을 시 자원의 낭비를 막을 수 있다.
구체적으로 본 작품은 0.76%의 효율을 보여주고 있고 이는 2019년 국내 증기기관 총 발전량인 103,669MW에 적용했을 시 787.9MW를 추가적으로 생산할 수 있고, 3인 가구 기준 한 가구당 전력 소모량인 0.008365MW의 이용하여 계산하면 약 94,200가구의 전력을 공급할 수 있다.

소개 슬라이드

기타자료

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댓글 달기

  • 우희민 [인천대학교]2021-09-15 21:11:53

    좋은 아이디어 같아요! 기업과 함께 더 발전했으면 좋겠습니다.

  • 조웅희 [인천대학교]2021-09-13 16:18:52

    신기하네요 새로운 내용도 배울 수 있었습니다.
    좋은 아이디어, 기술들과 함께 여러 업체에서 효율적인 기술개발이 이루어졌으면 좋겠습니다

  • 장준호 [일반회원]2021-09-12 18:39:32

    인상깊네요.

  • 고현주 [한양대학교]2021-09-10 12:56:52

    인상깊네요.. 좋은 아이디어같습니다

  • 김용준 [안양대학교]2021-09-09 07:20:24

    탄탄하네요 많이 배웠습니다

  • 박준철 [인천대학교]2021-09-09 01:32:51

    멋지네요
    에너지 문제를 해결할수있는 하나의 방안이 되었으면 좋겠습니다

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