오래된 자동차를 강력한 발전기로 변환하기

• 도로 주행 가치는 낮지만 엔진은 멀쩡한 Toyota Sienna 미니밴을 활용해, 버려질 차량을 오프그리드 전력원으로 바꾸는 프로젝트임
• 고품질 발전기는 수천~수만 달러까지 들 수 있어, 정상 작동하는 오래된 자동차 엔진이 저렴한 대안이 될 수 있음
• Jake von Slatt는 고장 난 Harbor Freight 발전기의 교류발전기와 Sienna 엔진을 조합해 60Hz AC 출력을 만들려 함
• Arduino Nano Every와 H-bridge가 크루즈 컨트롤 액추에이터를 움직여 엔진을 3600rpm 부근에서 안정화함
• 폐차급 차량과 오래된 발전기 부품을 재사용해, 전력망 밖에서도 쓸 수 있는 실용적인 발전기를 만드는 방식임

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폐차 직전 차량을 발전기 엔진으로 활용

• 발전기는 비싼 장비임
  • 작은 저품질 모델은 수백 달러에 살 수 있음
  • 고품질 발전기는 수천 달러에서 수만 달러까지 비용이 듦
• 오래된 자동차는 특히 도로 주행이 어려운 상태라면 매우 저렴할 수 있음
• Jake von Slatt는 작동하는 엔진이 있는 폐차급 차량을 강력한 발전기로 바꾸는 과정을 영상 시리즈로 공개함
• 이 프로젝트의 엔진은 Toyota Sienna 미니밴에서 가져옴
  • 차량 자체는 도로에 계속 유지할 가치가 낮음
  • 엔진은 여전히 잘 작동함
  • 발전기 용도로 충분한 출력을 갖고 있음
• 교류발전기는 엔진이 고장 난 Harbor Freight 발전기에서 가져옴

Arduino로 60Hz 출력을 유지

• 가정용 기기와 공구를 쓰려면 AC 전압 출력이 안정적인 60Hz를 유지해야 함
• Sienna의 크루즈 컨트롤 시스템은 원래 바퀴 속도를 일정하게 유지하기 위해 스로틀을 움직임
• 이 프로젝트에서는 같은 시스템으로 엔진을 3600rpm으로 안정화해 60Hz를 유지함
• 제어 회로는 Arduino Nano Every board와 H-bridge를 중심으로 구성됨
  • Arduino는 H-bridge를 통해 크루즈 컨트롤 액추에이터의 서보 모터를 제어함
  • 교류발전기 출력 전압은 5V로 낮춰 주파수 감시에 사용함
  • 주파수가 낮으면 Arduino가 액추에이터를 돌려 엔진 속도를 높이고, 60Hz가 되도록 조정함
• 결과적으로 버려질 자동차와 오래된 발전기를 폐기하지 않고 오프그리드 전력을 제공하는 장치로 재사용할 수 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 이렇게 하려면 엔진과 발전기 사이에 기어박스를 넣는 편이 좋음
  자동차 엔진이 3600rpm으로 돌 수는 있지만, 보통은 높은 부하에서 2000rpm 근처가 연비가 가장 좋음. 낮은 부하에서는 더 낮은 회전수가 효율적이지만, 자동차 냉각계가 높은 부하를 오래 감당할 만큼 크지 않을 수 있으니 엔진을 1800rpm으로 돌리고 1:2 기어박스로 발전기에 맞는 회전수를 만드는 게 단순하고 “충분히 가까운” 설계로 보임

  • 제동마력당 연료소비율(BSFC)이 높은 부하에서 가장 좋아진다는 건 맞음. 지도를 보고 싶으면 “brake specific fuel consumption map”을 검색하면 됨
    더 현대적인 엔진은 기술 개선 덕분에 최고 효율이 3000rpm 근처일 수도 있음. 다만 여기서는 엔진 출력과 발전기 최대 출력의 차이가 너무 커서 큰 의미가 없을 가능성이 큼. 이 발전기는 5500W, 즉 7.4마력 정도이고 발전기 효율을 감안해도 최대 부하는 8마력쯤임. Toyota Sienna 엔진은 최고 출력이 약 200마력이라, 자동차 에어컨이 4마력쯤 먹는 것과 비교하면 발전기는 에어컨 두 배도 안 되는 부하임. 결국 엔진 내부 손실을 줄이도록 거의 공회전 수준으로 돌리는 풀리 구성이 더 맞아 보임
  • “기어박스”가 풀리를 뜻한다면, 크랭크축 앞쪽 보조 벨트에 큰 폭의 풀리를 달고 발전기 쪽에는 목표 회전수에 맞는 지름의 풀리를 다는 방식이 아마 가장 효율적일 것임
    전체를 보강한 팔레트 위에 올리면 끝남. 이 구성으로 북미 일반 가정 전력 수요를 몇 달씩 안정적으로 공급하긴 어렵겠지만, 싸구려 발전기의 수상한 150cc 엔진이 망가지기 전에 하던 일 정도는 충분히 해낼 가능성이 큼
  • 정상 주행 중 자동차는 고속도로를 달리며 공기 흐름으로 냉각 효과를 얻는데, 이 경우에는 그게 없음. 냉각계가 문제가 될 수 있음
  • 자동차 변속기는 전력 손실이 꽤 큰 원인이라, 기억상 대략 20% 수준일 수 있음. 단순한 감속 기어나 벨트 구동 풀리가 더 나을 가능성이 큼

• 멋진 구성임. 한동안 요트에서 살았는데, 며칠씩 흐리면 태양광으로 배터리를 채우기 어려워짐
  내가 쓰던 작은 M35 Universal 디젤 엔진은 토크가 많았고, 그 토크로 110V 120A 발전기를 돌렸음. 자동차 발전기처럼 배터리를 충전하지만, 내 경우에는 12V 200Ah 리튬인산철 배터리 6개를 충전했음. 이 배터리로 120V 3000W 인버터, 에어컨, 냉장고, 커피메이커, 담수기, 전기레인지, 조명, 항법 장비, 무전기, Starlink, Xbox 같은 “집” 장비를 며칠씩 돌렸음. 차량이 보기 싫다면 엔진만 스탠드에 올려 영상처럼 배선하면 되고, 엔진을 돌리는 데 필요한 건 연료 라인, 점화, 압축뿐임

  • 거의 모든 엔진을 돌리려면 냉각계도 필요함. 보통 자동차 엔진 냉각계는 최대 출력으로 오래 돌릴 만큼 충분하지 않음
    신호가 초록불로 바뀐 뒤 속도에 도달하기까지는 몇 초뿐이고, 그 뒤에는 훨씬 적은 출력만 필요하기 때문임. 요트는 사실상 무한한 바닷물로 냉각할 수 있음. 그리고 엔진에는 컴퓨터도 필요할 가능성이 높고, 그러면 전기계통도 필요해짐
  • 보트에는 230V를 설치하는 편이 더 낫지 않나 싶음. 현대 전자제품은 대체로 100~240V를 처리하고, 케이블도 아낄 수 있음
  • 디젤로 가면 점화는 필요 없어지지만, 대신 시동이 더 어려울 수 있음

• 준 DIY 발전 영역에서는 Lister 엔진과 그 복제품인 Listeroid도 볼 만함
  디젤로 돌리면 원하는 벨트 시스템을 구동하는 꽤 효율적인 엔진이 되고, 발전기에서 밀, 물펌프로 바꿔 물릴 수도 있음. 바이오디젤이나 폐유 같은 대체 연료도 대부분 쓸 수 있고, 단순한 저회전 구조라 내구성이 좋고 정비도 쉬움
  http://www.justliveoffgrid.com/InstallationGuide.html
  https://diesel-bike.com/Lister_Gen/Lister1.html

  • Lister 엔진은 소리도 정말 좋다고 봄. 사는 곳 특성상 자주 지나가는 걸 듣는데, 천천히 지나가며 스로틀이 올라가는 소리가 훌륭함

• 이 개조가 얼마나 말이 되는지 잘 모르겠음. 원래 엔진이 망가져 폐기된 발전기였고, 기성품 4행정 엔진을 1000달러 미만에 붙일 수 있었음
  대신 폐차 상태로도 새 엔진 가격의 절반쯤은 될 자동차를 가져왔고, 자동차가 차지하는 공간, 전자장비와 제작 비용까지 들였는데 결과는 최고 10마력 정도밖에 못 쓰는 발전기를 거의 200마력짜리 폐차 엔진으로 돌리는 구조임. 즉흥 제작 자체는 훌륭하지만, 두 번째로 똑같이 만들 이유는 상상하기 어려움

  • 이제는 본인 말고는 아무도 수리 못 함. 아주 멋진 학습 경험이고, 거기에 가치가 있음
  • 겉보기엔 공짜로 굴러가는 주행 가능 발전기임. 싫어할 이유가 있나 싶음
    크루즈 컨트롤 클러치를 해제하면 차는 여전히 주행 가능하고, 물건을 옮기거나 용접할 때도 쓴다고 함

• 어리석은 질문일 수 있지만, Prius 같은 하이브리드는 일종의 발전기로 쓰이도록 설계된 차니까 오래된 Prius가 고정식 발전기로 더 나은 선택 아닐까 싶음
  이제 물량도 많고 꽤 싸졌음. 2020년 8월 아이오와 derecho 뒤에 5일간 정전 상태로 살아보니 비상 전력원이 얼마나 중요한지 완전히 알게 됨. 발전기는 구할 수 없었고, 동물보호소에서까지 마당의 발전기가 도난당했음. 휘발유와 얼음도 구하기 어려웠고, 전기레인지라 요리도 힘들었음. 펠릿 그릴도 전기식이라 못 썼고, 3일 뒤에는 냉장고와 냉동고 음식을 전부 버려야 했음

  • https://www.plugoutpower.com/에서 Prius와 다른 차종용으로 그런 키트를 만듦
  • 맞음. Prius는 앳킨슨 사이클 엔진이라 엔진 효율이 훨씬 좋고, 일반 자동차 발전기는 효율이 터무니없이 낮아서 대략 50% 정도일 것임
    Prius의 모터-발전기는 90% 이상에 가까움. 모터-발전기가 100% 듀티 사이클로 계속 돌 수는 없을지 몰라도 최대 출력이 수십 kW라 꽤 큰 부하가 필요함. 많은 자동차 발전기는 장시간 최대 부하를 견디지 못하고 2kW 정도밖에 못 내므로 위험이 있음. 권선이나 전압 조정기가 과열될 수 있고, 열 보호가 있는 경우도 있지만 항상 그렇지는 않음. 원심 팬을 보조하도록 강제 냉각을 붙이면 임시방편은 가능함
  • Joey Hess의 태양광 냉장고 시스템은 깔끔함. 배터리에만 에너지를 저장하지 않고 열용량을 추가로 활용함
    https://fridge0.branchable.com/
    https://fridge0.branchable.com/thermal_mass/
  • 내 Prius 트렁크에는 1800W 12V 인버터가 있고, 기술에 익숙하지 않은 가족도 쉽게 연결할 수 있도록 배터리 쪽에 AMP 케이블을 미리 배선해뒀음
    출력은 제한적이지만 겨울 폭풍으로 정전됐을 때 며칠 동안 기름난방과 인터넷을 돌릴 수 있었음. 엔진은 하이브리드 배터리를 충전해야 할 때만 돌기 때문에 일반 발전기보다 훨씬 효율적임. 140V 하이브리드 배터리에 맞춘 인버터를 붙이면 더 많은 전력을 뽑을 수 있겠지만, 이 방식은 빠르고 쉬웠음. 냉장고를 난방 대신 물려보려 했지만 접지 문제로 인버터가 차단됐음. 다행히 밖이 추워서 버틸 수 있었음. 재해복구 계획은 끝까지 테스트하기 전까지 끝난 게 아님
  • 구동 배터리 출력을 인버터에 물리면 Prius가 팩 전압을 약 30~80% 충전 상태로 유지하는 정상 운전 전략에서 벗어났다는 걸 알아차릴 방법이 없을 것임
    구동 배터리가 특별히 크지 않으니 더 큰 팩에 묶지 않으면 자주 엔진이 돌 것 같음. NiMH 하이브리드 시스템을 속여 LiFePO4 셀을 쓰도록 개조하는 사람들도 있는데, 각 셀에 개별 충전 컨트롤러를 붙이는 방식임. 자동차 제어계가 보는 건 결국 셀 전압뿐임

• 그의 기초적인 제어 알고리즘은 개선 여지가 커 보임. 단순한 PID 제어기만 써도 부하 변화에 훨씬 빠르게 반응하고 적절한 스로틀 위치로 수렴할 수 있음
  컨트롤러가 천천히 기어가는 걸 보는 게 좀 답답했음

  • 영상 댓글에서도 같은 질문이 있었고, 답변은 이랬음
    “그 생각을 했고 좋은 아이디어라고 봅니다. 코딩 실력이 늘면 이 프로젝트로 다시 돌아올 것 같습니다. Arduino에 USB 케이블을 연결해 둬서 코드 업데이트는 아주 쉬울 겁니다!”
  • 보는 내내 여기에는 PID 제어기가 정확히 필요하다고 생각했음. 왜 그걸 선택하지 않았는지 궁금함
    심지어 크루즈 컨트롤 자체를 해킹해서 “속도”를 60Hz로 맞추게 할 수도 있었을 것임
  • 맞음. 그리고 메인 루프는 가능한 한 빨리 돌고, 제어 루프는 필요할 때만 실행해야 함. 사실은 타이머 인터럽트를 쓰는 게 맞음

• 3600rpm은 꽤 높음. 이 장치는 연료를 많이 먹을 것 같음
  제대로 된 소비자용 발전기보다 실제로 돈을 아끼는지 계산해봐야 함. 엔진 자체보다 사용자가 통합한 부품 조합의 신뢰성도 걱정됨

  • 영상을 보면 이 사람은 기계 재활용에 미친 쪽에 가깝고, 자기 땅에서 쓸 이동식 용접기 같은 걸 만들려고 한 것 같음
    본인도 이게 이미 해결된 문제에 대한 Mad Max식 “굴러다니던 잡동사니로 만든 것”이라는 걸 분명히 알고 있음. 개념적으로는 멋지지만 용도가 아주 좁고, 객관적으로 좋은 아이디어는 아님. 큰 클러치 팬과 잘 덮인 라디에이터가 있는 엔진을 쓰면 냉각은 어느 정도 해결할 수 있고, 연료를 아끼려면 더 낮은 회전수에서 엔진의 공회전 제어계를 쓰는 편이 나을 것임. 그래도 돼지에 립스틱 바르는 격이고, Harbour Freight에 가면 더 보기 좋은 돼지를 살 수 있음
  • 높은 회전수가 반드시 연료를 많이 먹는다는 뜻은 아님. 작은 VW Polo 1.0L는 고속도로에서 70mph로 가려면 4000rpm에 머물렀지만, 그래도 50 영국 mpg, 즉 약 6L/100km 정도는 나왔음
  • 상황에 따라 다름. 아주 가끔 쓰고 이미 엔진이 있다면 괜찮을 가능성이 큼. 엔진을 사야 하거나 자주 쓴다면 계산이 더 중요해짐

• 이런 류의 작업은 평균적인 HN 독자가 경험하거나 잘 아는 영역 밖일 때가 많은데도, 여기서는 유독 더 비판적으로 보는 게 흥미로움
  이상적인 구성은 전혀 아니지만, 기계 다루는 사람들은 이런 걸 만지작거리는 걸 좋아함. 나도 포함됨

• DIY 자체는 재미있지만, 더 큰 규모로 생각하려면 이 자료를 볼 만함
  https://academiccommons.columbia.edu/doi/10.7916/D81N8CPF
  초록에서는 소형 대량생산 내연기관 피스톤 엔진을 자동차가 아닌 시스템 설계에 개조해 넣는 가치가 강조됨. 출력 기준으로 정규화하면 내연기관은 기존 대형 발전소보다 100배 저렴하다는 관찰에서 출발함. 또 논문의 가장 큰 부분은 왕복 피스톤 엔진을 압축기로 모델링, 설계, 개조, 시험하는 내용임. 기존 형태의 엔진이 본질적으로 왕복 압축기라는 점을 이용해, 작은 규모의 가스 압축기로 비용 효율적으로 개조할 수 있는지를 봄

  • “출력 기준으로 정규화하면 내연기관이 기존 대형 발전소보다 100배 싸다”는 건 꽤 큰 단서가 붙은 말임. 더 높은 출력에는 훨씬 낮은 효율이 따라오기 때문임
    비상 백업이나 논문에서 말하는 예비력 용도라면 괜찮지만, 일반 발전용으로는 운영비가 매우 비쌈. 모듈화 아이디어는 좋지만, 이미 지금 만들어지는 가상발전소(VPP)에도 포함된 개념임
  • 그 시장은 이미 휴대용 발전기가 담당하고 있지 않나 싶음. Honda 같은 엔진 제조사는 휘발유 발전기를 오래전부터 팔아왔음

• 그 2극 발전기는 단기통 휘발유 엔진이 3600rpm으로 비명을 지르며 도는 용도임
  더 큰 발전기는 4극이라 60Hz에서는 1800rpm, 50Hz에서는 1500rpm으로 돌 수 있음. 5500W도 강력한 편은 아니고 표준 휴대용 휘발유 발전기 헤드 수준임. 자동차 엔진은 출력이 과하고, 효율 좋은 지점 근처에서 동작하지 않을 가능성이 큼. 교류 전동기나 발전기 속도는 RPM = 120f/p이고, 여기서 f는 Hz, p는 극수임

  • 완벽함을 목표로 고려할 해법은 아니니, 이런 프로젝트를 너무 세게 비판할 필요는 없어 보임