스크랩 자전거 발전기 제작기 (고철/캠프 에코토피아)

[智元]

고철(koedipus)

http://cafe.naver.com/campecotopia/278

7월 말 부터 8월 중순까지 자전거 발전기 제작을 몇몇의 도움을 받아 했습니다. 처음 목표는 자전거 발전량을 모아 프로젝터를 돌린다 였는데, 발전기의 출력 자체가 기대에는 못미쳐서 몇 분 돌리지는 못했습니다.

 여하튼 그동안 제작 과정을 소개합니다.

밑에는 대강의 구상도입니다.

26인치 바퀴를 쓰는 자전거는 아무 것이나 올려놓고 페달을 돌리면 발전 할 수 있는 시스템을 생각했습니다. 제너레이터에서 나오는 교류 전기가 정류기를 통해서 직류전기로 바뀌고 납 축전기에 충전했다가 인버터를 통해서 액정프로젝터를 돌리는 것이지요.

#준비물

 1)자전거 로라 - 자전거 실내 연습기 입니다. 그림에 보시면 바퀴가 걸리는 롤러 오른쪽에 회전에 부하를 주는 저항기가 달려있습니다. 연습시 발에 걸리는 힘을 조절하기 위한 것이지요. 이 로라를 중고로 구하는 게 힘들었습니다. 이건 좀 저가형인데 비싼건 중고로 사도 20만원이 넘어가지요. 와일드 바이크에서 중고로 나온 걸 10만원에 구했습니다.

2) 제너레이터 - 실제 회전에 의해 전기를 생산하는 놈입니다. 처음 제너레이터를 뭘로 살지에 대한 감이 전혀 없어서 네이버 휴먼파워 까페에서 소개한 것을 보고 구입했습니다.

http://www.devicemart.co.kr/mart7/mall.php?cat=017004006&query=view&no=11123

디바이스 마트에서 1만 5천원에 판매하는 것입니다. 회전 시켜주면 AC(교류)전기가 발생합니다.

3) 정류소자 - 브리지 다이오드라는 놈입니다. 제너레이터에서 발생하는 AC(교류)를 DC(직류)로 바꿔주는 놈입니다. 용량을 어떨 걸 사야할지 고심을 했는데 제너레이터 판매하는 사이트에서 제일 용량 작은 놈으로 샀습니다. W02M 이라는 건데 최고 200V 정도까지 정류가 되고 평균 140V가 정격이라는 것 같습니다.  값은 220원

4)밧데리 - 친구의 친구의 아버지가 카센터를 하신데서 중고로 자동차 밧데리를 구했습니다. 용량이 12V/60Ah 입니다. 와트로 환산하면 720wh 인데 계산상으로는 350w 짜리 프로젝터를 2시간 돌릴 수 있을 정도의 양의 축전됩니다. 그러나 너무 용량이 과한 밧데리란 것이 나중에 밝혀지지요. 4만원에 구했습니다.

5)인버터- 밧데리에 충전된 전기를 일반 220V 교류 전열기를 쓸 수 있도록 교류 전기로 변환해주는 기기 입니다. 어쨌든 액정프로젝터를 돌릴 다는 목표가 있었기 때문에 출력은 600w 정도 되는 것으로 샀습니다. 중국산 상표없는 묻지마 인버터로 3만 5천원 들었습니다.

http://www.yongsan.com/shop/product_info.html?pid=27741

6) 넘어가며..

 물론 이외에도 몇개의 물품을 더 구매해야 했습니다. 전압, 전류 테스트를 위한 테스터기, 정류기 제작을 위한 납땜기, 나중에 회전 전달 방식을 바꾸면서 풀리랑 벨트도 필요했지요. 여기에 소개 되지 않은 것은 이후 제작과정을 설명하면서 다시 설명하기로 합니다.

 

본격적인 제작 이야기에 들어 갑니다. 사실 전기회로에 관한 지식이나 기계에 관한 기술이 거의 없는 상태에서 제작에 나섰기 때문에 삽질도 많이하고 전반적인 수준이 좀 허접합니다. 그래도, 누구나 시도해 볼 만하다라는 것을 보여줄 수는 있을 것 같내요.

1) 제너레이터를 자전거 로라랑 연결하기

 로라를 받고 나서 회전부위에 있는 저항기를 제거했습니다.

분해를 하고 나니 끝에 나사선이 있었습니다.
그래서 모터축에 구멍을 뚫어서 나사선을 만들면 축과 직렬로 붙이면 간단히 해결 되겠다라는 판단을 하게 됩니다. 그러나 나중에 이것이 오판이었다는 것이 드러납니다. ㅡ.ㅡ;;

어쨌든 그래서, 정밀기계 선반가공하는 곳에 가서 제너레이터 축에 구멍을 뚫고 나사선을 새겨왔습니다. 이 작업은 제너레이터 자체를 분해하고 재조립해야 되서 돈도 많이 들고, 제너레이터도 상태가 나빠졌습니다. 만5천원 짜리에 구멍뚫는데 3만원 들었습니다.

그런데 문제는 그 이후 발생했습니다. 처음 고려 할때 축의 회전 방향을 생각하지 못했던 것이지요. 자전거를 돌리면 밑에와 같이 축이 시계방향으로 돌게 되는데 이는 오른 나사선이 풀리는 방향이 됩니다. 결국 회전을 시키면 로라 축과 연결한 제너레이터가 풀리는 상황이 된 것이지요.

역시 일이 너무나 잘 풀린다 생각했더니 문제가 발생하내요. 결국에는 연결이 풀리는 것을 막기 위해 나무를 가지고 뒤에서 단단히 고정하기로 했습니다.

마무리는 노끈 신공까지 동원했습니다. 그러나, 처음에는 그래도 좀 되는 것 같았으나 결국 문제를 일으켰습니다. 지속적인 회전에서 연결 부위가 느슨해져서 헛도는 비율이 높아져 버렸습니다. 결국에는 고무바를 이용해서 연결했는데 이는 뒤에 다시 소개하도록 하겠습니다.

여튼 여기까지 연결 한 상태에서 부하가 걸리는 것이 없이 회전을 시키면 전압이 60-70V 까지 올라갔습니다. 전류는 전압과 동시에 측정해야 의미가 있다는 데 테스터기가 하나뿐이라 측정할 방법이 없어서 정확한 측정치가 없습니다.

나중에 보니까 전압, 전류의 크기가 어떤 것과 연결 했느냐에 따라 달라지더군요.

1) 정류기 제작

어찌되었든 간에 위와 같이 연결하여 회전을 시키면 교류전기가 발생합니다. 이는 간단히 얘기하면 +전기와 -전기가 계속 바뀌는 것을 의미합니다. +였던 쪽이 -가 되고 -였던 쪽이 +가 되는 것이지요. 일상생활에서 쓰는 전기는 220V 60Hz 전기입니다. 이는 220V의전기가 1초에 60번 극성이 바뀌는 것을 의미합니다. 이런 교류를 주로 쓰는 이유는 장거리 전송에 효율이 훨씬 좋기 때문이라고 얼핏 본 것 같은데 정확히는 모르겠내요. 그러나, 일반 전자장치에서는 대부분 내부적으로 직류로 변환을 해서 회로가 작동한답니다.

하옇든 이런 교류를 밧데리에 충전하기 위해서는 직류로 변환을 해주어야 합니다. 밧데리는 극성이 고정되어 있기 때문이지요. +극과 -극이 명확히 분리되어 있습니다. 그래서 교류를 직류로 바꿔주는 회로를 정류회로라 한다는 군요. 정류 회로 종류가 몇가지가 되던데 그중 가장 무난해 보이는 브리지 정류회로를 이용하기로 했습니다. (디바이스 마트에서 인용)

보기에는 복잡한 거 같아도 4개의 다이오드가 하나에 들어있는 브리지 다이오드를 팔기 때문에 실제로는 부품하나로 해결 됩니다. 다리가 4개인데 교류가 들어가는 곳 2개랑 +,-직류가 나오는 2개의 다리를 갖고 있습니다. 그래서 모터에서 오는쪽과 밧데리로 나갈 쪽을 잘 연결 해주면 됩니다. 중학교 이후로 처음 납땜질 한 것 같은데 손이 떨리면서도 쾌감이 있더군요.

하옇든 정류기는 어의없을 정도로 쉽게 완성되었습니다. 사실, 이렇게 발전된 전기를 곧바로 전기기기에 연결해야 한다면 위 회로만 가지고 안된답니다. 정류를 한 상태에서도 위에서 보다시피 널뛰기 파형을 갖기 때문이죠. 이를 맥류라 그러던데, 전자 기기들은 그런 전류를 그대로 쓰면 오작동을 하거나 고장이 날 수 있다는 군요. 그러나, 밧데리를 충전하거나 전등을 켜거나 혹은, 전기난로같은 전열기등은 크게 상관 없는 것 같습니다.

2) 연결

우선 제너레이터에서 나오는 선을 정류기에 연결합니다.

정류기를 통해 직류로 변경된 전류를 밧데리의 극성에 맞게 연결합니다.

+전기는 +극에 -전기는 -극에 연결 합니다. 여기까지가 충전 시스템의 완성입니다.

그리고, 실제 전기기기를 사용하기 위해서 인버터를 극성에 맞게 연결해주면 되지요.

전체 연결 모습

테스트 장면

3) 테스트 결과

밧데리 연결 없이 회전을 시키거나 30w 전구를 연결해서 테스트 할 때는 전류는 극히 적게 흐르고 전압이 올라갑니다. 회전을 빨리 하면 할 수록 전압이 증가합니다. 최고 60~70V 정도되는 전압이 발생하더군요.

밧데리를 연결했을 경우에는 전압은 원래 밧데리 정격 전압인 12V에서 안정되고 회전이 빨라질 수록 전류량이 증가하더군요. 최대 3A 이상이 되는 전류가 흐르는 것을 확인 했습니다. 그리고, 이경우 부하가 없거나, 전구를 연결했을때보다 제너레이터에서 저항이 생겨서 페달을 돌리는데 더 힘이 들었습니다.

3A 정도의 전류가 흐른다면 12V*3A=36W 정도의 전력이 생산되는 셈이지요.

1) 바이크 썸머 버전 - 고무바 고정

뭐 어쨌거나 허접하긴 허접 한데로 완성은 되었고, 바이크썸머에 시연을 하기로 해서 전날 마지막 테스트를 해보고 있는데, 처음 우려대로 나무토막 등으로 고정시켜논 제너레이터가 연결이 헐거워지면서 헛바퀴를 도는 비율이 높아져 버렸습니다..

그래서, 부랴부랴 분해를 해서 탄력이 있는 고무바로 대신 고정을 했습니다.  빠른 회전시에 많은 열이 발생해서 고무가 늘어나면서 힘이 약해져 고무바가 벗겨져 버리는 등의 문제가 있었지만, 몇몇의 도움을 받아 보다 강하게 고무바를 땡겨줌으로써 문제가 해결되는 듯 보였습니다..

처음에는 그럭저럭 회전도 잘되고 자전거를 돌리는 사람들이 힘도 좋아서 전류도 3A 이상 발생하는 등 충전이 순조로워 보였지요.

그러나,  두가지 문제가 발생했는데, 하나는 발전기 설치와 충전이 너무 늦다 보니까 충분한 양의 전기가 충전되지 못해서인지 액정프로젝터를 돌린지 얼마 안돼서 (15분 여 정도) 인버터에서 경고음이 뜨고, 전기가 나간 것이었고, 두번째는 나중에는 로라 자체가 회전이 안되는 것이었습니다.

나중에 연결을 풀고 확인 봤더니,  제너레이터 자체가 베어링이 망가졌는지 축이 돌지 않았습니다. 이로서 축에 구멍 뚫는 데 돈이 더 들어간 제너레이터를 날려먹은 것이었지요.

2)에코토피아 버전

 바이크 썸머에서의 실패를 거울삼아 제너레이터를 직접 연결 하지 않고 회전축과 벨트를 이용하여 연결하는 것으로 바꿔야 겠다라는 생각이 들었습니다. 그러나, 벨트를 걸 풀리(pulley)를 어떻게 구해야 하는지 벨트는 어떤 걸 써야 하는지 몰라서 청계천과 구로 공구 상가를 물어 물어 돌아다녔습니다.

결국에는 세운상가 근처에 쇠를 깎아 풀리를 직접 제작하시는 분을 찾아갔는데,  친절하게 도와주셔서 풀리도 만들고, 오링(O-ring)이라는 것을 이용해서 연결하면 된다는 것도 알게 되었습니다. 하옇든 이러저런 우여곡절 끝에 만들어 진것이 벨트를 이용한 모델입니다.

워낙 급하게 만든거라 연결도 시멘트 블럭에 노끈 신공으로 고정한 것이지만, 이전 버전 보다 회전의 안전성을 확실히 나았습니다. 다만 연결 과정의 문제인지 회전에 쓰인 자전거의 차이인지 아니면 패달질 하는 사람의 힘의 차이인지 이전보다는 전류량이 좀 적게 나왔습니다. 1.5A ~2A 정도가 꾸준히 발전할 수 있는 정도의 전류량이었지요.

대강 3시간여의 충전을 하고 프로젝터를 연결 했으나, 5분정도 만에 역시 전원이 나가버렸습니다.

3) 마무리 지으며

사실 계산상으로도 이 같은 시스템으로 액정프로젝터를 보기는 쉽지 않습니다.

액정프로젝터 출력을 350w 정도로 잡으면 두시간 동안 영화를 볼려면 350w*2h=700wh

정도의 충전량이 필요하지요.

2A 정도로 꾸준히 충전한다면 충전전력은 12V*2A=24w 정도이고 이 정도 전력으로

위의 전력량을 충전할려면

700wh / 24w = 29.16 h

 약 30시간 동안 충전을 해야 한다는 얘기입니다. 헉!

물론, 이 시스템에서 제너레이터를 바꾼다던가 연결을 개선한다던가 해서 발전량을 보다 높일 수도 있을 것입니다. 그래도, 한대의 자전거로 액정프로젝터 정도를 돌릴 정도의 전기를 생산하기는 쉽지 않을 것 같습니다. 다만, 여러 대를 병렬로 연결해서 발전을 할 수 있다면 충분히 가능한 일이기도 하겠지요. 어느 사진을 보니 여러명이서 페달돌리면서 콘서트도 열고 하더만..

막판에 시간에 쫓기면서 만드느라고 발전기에 질리기도 해서, 에코토피아 이후에 발전기에 눈도 안가고 있습니다. 뭐 나중에 열정이 다시 솟구치면 다시 손을 댈지도.... 사실, 앵글 같은 것을 짜서 제너레이터 부분을 고정시킬 것도 필요한 것 같고, 밧데리 용량을 줄이고 부하가 낮은 기기를 연결해서 아 충전이 정말 됐구나 하는 것을 보여 줄 수 있는 것을 만들면 좋겠다라는 생각도 들고 하는데 아직은 몸이 안 움직입니다..

긴 제작기 봐주셔서 감사!!