스팀엔진을 통한 자가용 발전장치 구현

[세옹지마]

스팀엔진을 통한 자가용 발전장치 구현

Steam Powered Battery Charger

이 짧은 동영상은 우리가 만든 새로운 증기엔진(증기기관)을 이용한 발전장치이다. 이 엔진은 1903년도 6마력  CB & C이고, 보일러는 1940년산 로크아웃 보일러가 모델이 되어 만들어진 발전장치이다. 우리는 이 발전장치를 풍력터빈라인에 병렬로 설치했다. 분속 200회전에서 정격 2[kW]가 생산되어, 밧데리 뱅크에 저장된다.  이발전 시스템은 이지역에서 지속적으로 나오는 폐나무를 이용하여 발전을 한다. 백업용 발전장치로서 상당히 좋다. 보다

여기에 비오는날에도 2[kW]와트의 안정적 출력을 갖는 증기기관 발전기를 동영상으로 보여주고 있다.  여기에 사용되고 있는 연료는  못쓰는 통소나무이다. 이 비디오에 보이는것이 증기엔진(증기기관)이고, 잠깐동안 보여지지만, 벽쪽에 있는것이 3상 정류장치이다.  이정류장치(렉티파이어)를 이용해서 교류3상 발전기로부터 직류를 얻어 밧데리에 충전한다.  우리는 이와 유사한 발전창치인 리스토이드 1/6,  디젤발전기도 함께 가지고 운영하고 있는데,  나이프스위치(절환,절체스위치)를 사용해서 스팀 또는 디젤엔진을 선택적으로 사용하도록 시스템을 구성하였는데, 물론 양쪽에서 발전되는 전력을 하나의 정류장치(렉티파이어)를 사용하도록 구성하였다.

 

이페이지는 백압용 발전기로서 밧데리에 충전시키는 스팀용 발전장치를 만드는 과정과 노력을 사진일기 형식으로 담고 있다.  대부분의 에너지원은 소형의 600와트 태양광과 20인치 직경을 갖는 풍력터빈으로부터 우리가 필요로 하는 에너지를 충복받고 있지만,  발전기를 가동할 필요가 있을때( 바람이 안불고, 그리고 흐린날이 지속될때)가 있는데, 이때 석유(화석연료)에 의존하지 않고 우리 주면에서 구할수 있는 나무를 사용하므로서 이런 문제점들을 해결한다.

이프로젝트는 요구되는 부품을 시간을 가지고 모으면서, 일년여에 걸쳐서 천천히 진행되었다. 이 증기엔진(증기기관)은 1903년 C&BC 모델로 약 6마력의 스팀엔진이다.  옥션에서 이것을 150불 이하에 구입(도둑질하다 시피한 금액임)했지만 상태는 상당히 양호했지만 재조립하고 수리하기 전까지는 결코 엔진 가동이 불가능하다고 생각했다.  보일러는 일년후에 구입했는데, 약 4마력정도되는 것으로 추죽된다. 이 보일러는 1940년대의 록크아웃트 보일러사 제품이다.  상태는 강당히 좋은것처럼 보였다. 첫단계로서, 보일러에 대한 수압테스트를 시행했다. 온힘을 다해 보일러에 물을 채운후 150psi이상의 에어로 압을 가했서 누수가 되는곳이 있는지를 보았다. 다행히도 그압력에 보일러는 잘 견뎠다. 이보일러는 우리는 상시 100psi에서(7kg/cm2) 사용할것이므로  150psi이하(10kg/cm2)에서는 안전하게 사용할수 있을것이다.

위의 그림은 우리가 해왔던 일들의 극히 일부를 기록한것에 지나지 않는다.(즉 피나는 노력을 해서 이 설비를 만들었다는 말씀),, 스팀 경적은 1880년대의 크레인 경적을 사용했다. 또한 3/4인치 인젝터를 이용했다. 인젝터는 스팀을 만들기 위한 물을 공급하는 데 필요한 설비로서 보일러 급수펌프같은 역확을 하지만 여기서는 전동기를 사용하기 않기 때문에 스팀 인젝터를 사용해서 가중중 보일러에 급수를 담당한다. 그리고 위에 그림에서 가로놓여진 두개가 윤활작용을 해주는 오일러이고, 스팀게이지 및 보일러및 인젝터에 물이 역수되지 않도록 하는 체크밸브이다. 물론 이외에도 많은 밸브류 및 파이프등이 필요하다. 필수부품으로 안전밸브(팝오프 밸브)가 필요한데, 이 안전변은 보일러 압이 100psi가 넘어서게 되면 보일러를 보호하기 위해서 작동) 및 엔진 윤활장치가 필요한데 윤활장치는 오일을 스팀안으로 주입시킨켜 이 기름으로 실린더안쪽을 윤활한다.

There is almost the full setup up and running. So far so good...

대부분 완성된 상태로 가동되고 있는 보습,, 동작이 양호함....

 

완성된후 처음의 데스트는 10인치 직격을 갖는 풍력터빈과 엔진이 서로 계통적으로 맞물릴수 있도록 시험하는 것이었다. 이 발전기는 대략 1[kW]출력으로서 스테이터의 발열로 말미암아 대략 50%의 효율을 가지고 있다.  상당히 효율은 좋지 않았지만 테스트는 아주 재미있었그며, 좀더 대형인 1.5[kW]정도고 제작이 가능하다는 자신감을 갖게 되었다.  이발전장치로부터, 주변에서 구할수 있는 60파운드 정도의 통소나무를 연료로 활용해서 1[kW]의 발전기 가능하다.  이정도면 크게 나쁘진 않다고 생각한다.

 

따라서, 우리는 대형 발전기를 만들기 시작했다.  상기 사진은 12개 코일덩어리를 갖는 3상 발전기의 스테이이터이다. 이 스테이터는 직경 17인치를 풍력터빈용으로 제작된것으로 모양변경없이 그대로 사용했는데 콘크리트 패드 위에 고정할것이다. 풍력과 다소 다른것은 코일을 감는 권선이 다소 다를뿐이다. 이 코일은 코일굵기 #15번의 4표준 코일을 사용해서 감았는데, 각 코일당 약 40번의 권선으로 코일덩어리를 만들었다

상기그림은 스테이터를 케스팅하는 장면으로 케스티은 ATH라는 물질을 필러로 사용했는데, 이것은 비닐과 에스터를 50대 50으로 섞은 물질로 이것으로 코일 주위를 채웠다.

 

There the stator is setting up in the mold - we've clamped a clear Plexiglas lid onto it.

스테이터를 몰드안데 고정시키고 있는장면으로, 깨끗한 플렉시글래스 립을 사용 바이스로 고정 하고 있는 장면..

발전기는 2중 로터를 축방향 플럭스 형태를 채택, 이것은 기본적으로 풍력터빈에서 사용하는 방법과 같은 형태로 만들었다.  금속자석을 이용한 로터는 18인치의 직경을 갖으며, 두께는 1/2인치이다.

여기에 한쪽로터를 보여주고 있는데 자석이 부착되어져 있다. 각각의 로터는 16N40 등급의  NdFeB자석으로 이루어져 있으며, 각각의 자석 크기는 1.5" x 3" x .75 이다. 다시 말하지만 이것은 17인치 풍력터빈으로 만들어진 것이므로 다소 증기발전에는 특이한 부분이 있다는 것을 기억하시라....

로터의 스트랩핑(굴렁쇠 띠) 자료로는 3/4인치(약 1.9센티미터) 폭을 갖는  스텐레스를 가지고 만들었는데, 이것이 로터의 원주주변에 덮여진다. 자석을 놓을 자리를 갖추기 위해서 약간의 튀어나옴(약 2밀리)을 만들었고, 로터에 꼭 맞도록 하기 위해서 용접(원형의 굴렁쇠 같은 모양)을 했다. 이재질을  색갈이 변할때까지 열을가했다. (스텐레스는 어느정도 열을 가하면 표면이 약간 황금색으로 변한다). 열을 가한 곳으로부터 열전달에 의해서 열이 퍼지면,  로터에 끼워넣는데, 그상태로 열이 식으면 금속이 팽창되었던것이 움추러 들어 꼭 같게 된다. 이렇게 하므로서 로터에 꽉끼게 되어 로터에 자석이 부착되어서 회전할때의 원심력에 의한 자석 이탈을 막아주어 신뢰성능을 증가시켜준다.

일단 밴드(굴렁쇠 띠)가 로터의 자석바깥쪽을 감싸주도록 하였고, 자석은 비닐에스터레진(ATH)으로 고정시키고,  위쪽은(스테인레스 띠가 있는 쪽) 화이어 글래스를 채웠다. 축쪽은 테일러 허브를 로터에 볼트로 고정했다. 이것은 덱스터 81-9A 테일러 허브로, 10인치 풍력터빈에 적용했던 것이다. 스팀엔진에 맞도록 베이링레이스 부분을 뜯어냈고, 내부직경을 확장해서 엔진축에 꼭맞도록 개조했다.

 

There is the back magnet rotor mounted to the shaft of the engine.

위에 보이는 로터가 안쪽로터(자석부착)로 엔진축에 안착되었다.

조오지와 톰은 3인치 앵글 두개를 스테이터 사이 양쪽에 고장했다. 이 금속 앵글은 베이스로 작용하며, 스테이터를 콘크리트 패트(바닥 콘크리트)에 볼트로 고정된다.

상기그림에서, 로터에 맞도록 스테이터를 바닥에 고정하는 장면을 보여주고 있는데, 로터와 정확이 맞도록 위치를 마킹하고 있다. 그런다움 바닥에 0.5인치 비트 햄머로 드릴링을 한후 스테이러를 바닥에 고정했다

There it is all finished up. Time to fill the boiler, light a fire and see what happens!

완성된 상태,  보일레에 물을 채우고, 불을 붙일 시간이다.. 다음에 무슨 현상이 벌어질까???

연료에 불을 붙이는 작업도 대단히 재미있다.  최상의 연료는 이지역에서 구하기 쉬운 통소나무....  참나무 또는 그 어떤 연료라도 사용할수 있기를 바라면서,,,나무가게에서 살수도 있을 것이다.  나무는  다소 커도 아무런 문제가 없다.. 

약 40분 동안 보일러를 가동해서 냉수로부터 80파운드의 증기를 얻었는데,  이것을 가지고 증기엔진을 가동한다. 상기 그림은 엔진이 위쪽에 붙어 있는 가바나로 제어되어 가동된다.  이장치에서 정상동작중에는 가바너는 별 필요가 없는데, 발전기는 일정부하이기 때문에 별도의 제어가 필요없다.  발전기는 선로와 분리된다면, 엔진이 과속될수 있는데, 이때 가바나가 속도를 제어해준다.

이발전기는 분당 120회전으로 돌아 48볼트 밧데리 뱅크에 전력을 저장한다. 분속 200에서, 약 2킬로 이상의 전력을 발전한다. 이것은 상당히 흥분되는 내용으로,,,,  우리 주변에 여기 저기에서 구할수 있는 저급의 나무를 사용해서  이정도 수준의 전력을 발전하는것은 아주 어렵지 않게 할수 있다. 이정도 출력을 내는데 있어 발전기는 전혀 과열되지 않았고,  매우 효율적인 것처럼 보인다.  잠깐동안 3킬로 정도까지 출력을 내보았는데,  이출력을 낼정도의 보일러 압을 유지할수가 없었다. (보일러 용량이 작음) 안정적인 최대 출력은 약 2.5킬로 정도가 아닐까 생각해본다.  아무튼 대단한 기쁨이며,,  엄청난 즐거움이.....

 

대단한 즐거움이였고,  계획했던 것보다 훨씬 좋은 출력이 나오는 이 발전기를 너무 너무 사랑한다.  스팀에너지는 놀랄만한 에너지이라는 것을 새삼 느끼게 되는데,,, 물 1겔런에 포함된 에너지(증기도 되었을때의 에너지) 얼마나 되는지.. 새삼 놀라움을 금치 못한다. 엔진이 가동되는 동영상은 위에 올려놓은 것을 보시기 바란다.   지금도 잘 작동되고 있다....