KR101010407B1 - 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법 - Google Patents

빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 단지 내에 설치되며, 상기 단지 내에 발생하는 빌딩풍을 이용하여 풍력 발전을 수행하는 풍력 발전 장치를 포함하는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명은 빌딩풍을 이용하여 저비용 고효율의 풍력 발전이 가능한 효과가 있다.

Description

빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법 {Method of installing wind power generation system using building wind }
본 발명은 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저비용 고효율의 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전은 자연풍을 이용하여 풍력발전기를 가동함으로써, 전기를 얻는 발전 방법을 의미한다. 현재 국내에 설치되어 있는 대부분의 풍력발전은 대관령이나 제주도 등에 설치되어 있는 대형풍력발전단지(Wind Farm) 구조를 가진다. 그러나 국내의 지형여건상 대규모의 풍력발전기를 설치할 수 있는 지역은 극히 한정적이고 설치비용도 고가이기 때문에, 최근 해상풍력발전으로 방향을 모색하고 있는 상황이다.
최근에는 대형풍력발전단지의 대안으로서 소형풍력발전이 개발되어 있다. 예를 들면, 자연풍이 아닌 인위적인 바람(완풍기 바람, 에어컨 실외기 바람 등)을 이용하여 풍력발전을 수행하는 방안이 그 예이다. 이 때 사용되는 풍력발전기를 일반적으로 소형풍력발전기라고 하여, 대체적으로 발전량은 1,000㎾ 이하급의 발전 기를 지칭한다. 그러나 이러한 인위적인 바람을 이용한 풍력발전은, 본연의 시스템 자체에 부가적인 장치이며 부하를 유발할 수 있기 때문에, 많은 제약이 발생하여 발전효율이 낮은 가능성이 있다.
본 발명은 저비용 고효율의 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 단지 내에 설치되며, 상기 단지 내에 발생하는 빌딩풍을 이용하여 풍력 발전을 수행하는 풍력 발전 장치를 포함하는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 단지 내의 복수 개의 위치에 따른 빌딩풍의 풍향 및 풍속을 분석하여, 데이터베이스를 구축하는 단계와, 상기 데이터베이스를 근거로 하여, 상기 복수 개의 위치별로 풍력 발전 장치의 설치하여 운전할 경우, 생산되는 풍력 발전량을 예측하여, 상기 복수 개의 위치 중에서 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정하는 단계를 포함하는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법에서는, 빌딩풍을 이용하여 저비용 고효율의 풍력 발전이 가능한 효과가 있다.
도 1에 본 발명의 실시예에 따른 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법을 보여주는 순서도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 먼저 대상 단지를 선택한다(S110 단계). 상기 단지는 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 가상적인 공간을 의미한다. 즉, 상기 단지는 담과 같은 구획물로 구획되지 않아도 된다. 상기 단지의 일 예로서, 아파트 단지, 빌딩 단지 등이 있다.
풍력 발전 장치를 선정하기 위하여, 먼저 상기 단지 내의 복수 개의 위치에 따른 빌딩풍의 풍향 및 풍속을 분석하여, 데이터베이스를 구축하여야 한다. 상기 데이터베이스의 구축을 위하여, 2가지 방법 중의 하나가 선택된다(S120 단계).
먼저, 풍동 실험을 선택할 수 있다. 풍동 장치는 축소모형을 이용하여 구조물에 작용하는 풍응답 등을 측정하기 위하여 제작된 실험기기이며, 대표적인 국내 건설용 풍동 장치로는, (주)현대건설 기술연구소의 대형경계층 풍동이 있다(도 2참조). 상기 풍동 실험을 통한 데이터베이스의 구축 방법은 아래와 같다.
상기 단지에 대응하는 축소 모형을 제작한다(S131 단계). 상기 풍속 실험을 위해서, 상기 단지 내에서 빌딩풍이 발생할 것으로 예상되며, 풍향 및 풍속을 예측하기 위하여 측정이 요구되는 복수 개의 위치들(이하 '설치 예상 위치들'이라고 함)에 대해서 검토가 선행되어야 한다. 이를 바탕으로, 상기 풍동 실험에 적합하도록 축소율이 결정된 후, 상기 축소 모형을 제작한다. 상기 축소 모형 제작 시에는, 상기 설치 예상 위치들에 각각 대응하는 측정 위치들이 가능하면 실제와 유사해지도록, 세심한 주의를 기울여야 한다.
도 3은 상기 축소 모형이 나타내는 실제 단지를 나타내는 도면이며, 도 4는 상기 축소 모형의 일부분을 촬영한 사진이다. 도 2에서 숫자로 나타낸 부분은 측정 위치들을 나타낸다. 그리고, 기상청 데이터베이스를 이용하여, 상기 단지의 설정 기간에 대한 풍향 및 풍속 발생빈도에 대한 기상정보를 수집한다(S133 단계). 상기 설정 기간은 1년이며, 상기 단지에 가장 가까운 위치에서의 기상정보를 이용한다. 상기 기상정보는 1년 중 특정 풍속 범위 및 풍향 범위를 가지는 일 수에 대한 정보이다.
상기 풍동 장치를 이용하여, 상기 축소 모형에서 상기 측정 위치들에서 풍속 데이터 및 풍향 데이터를 측정한다(S135 단계). 그리고, 상기 기상정보, 상기 풍속 데이터 및 상기 풍향 데이터에 근거하여, 상기 설치 예상 위치들에서 각각 상기 설정 기간 동안 발생하는 풍속을 확률 분포로 계산한다. 이를 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
각 측정 위치에서의 풍속을 계측하게 되면, 각 측정 위치에서 기준높이에 대한 풍속비를 산출할 수 있게 된다. 여기에서, 기준 높이는 Weibull 계수를 구한 높이를 나타내며, 보다 상세하게는, 상기 기상청 정보 중에서 상기 단지에 가장 가까운 위치에서의 기상정보가 측정되는 높이를 의미한다.
풍속의 발생빈도는 확률적 분포의 하나인 Weibull 분포에 의해서 잘 예측될 수 있는 것으로 알려져 있다. Weibull 분포에 의해, 임의의 풍향(
Figure 112008064108023-pat00001
)에서 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00002
) 이상의 풍속이 발생할 수 있는 확률, 즉 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00003
)의 초과확률은 다음과 같이 나타낸다.
Figure 112008064108023-pat00004
특히, 상기 풍동 실험에서
Figure 112008064108023-pat00005
및
Figure 112008064108023-pat00006
는 상기 기상청 정보로부터 도출되는 값이다.
상기의 식을 응용하여, 상기 설치 예상 위치에서 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00007
)의 초과확률을 구할 수 있다. 상기 기준높이(Weibull 계수를 구한 높이)에서의 풍속을
Figure 112008064108023-pat00008
, 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00009
)의 초과확률을 구하고자 하는 측정 위치에서의 풍속을
Figure 112008064108023-pat00010
라고 할 경우, 상기 설치 예상 위치에서 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00011
)의 초과확률은 풍속비(
Figure 112008064108023-pat00012
)를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112008064108023-pat00013
도 5a 내지 도 5h는 상기 풍동 실험을 통하여 상기 단지 내에 발생되는 빌딩풍의 특징을 보여주는 개략도이다. 도 5a는 가로풍을 나타내고, 도 5b 및 도 5c는 각각 박리류와 개구부풍을 나타낸다. 도 5d 내지 도 5h는 각각 곡간풍, 후류, 역류, 하강풍 및 상승풍을 나타낸다. 즉, 상기 단지 내의 빌딩풍의 풍향은 매우 다양하게 발생될 수 있는 바, 모든 풍향에서 발생되는 빌딩풍을 이용하는 풍력 발전 장치가 요구된다. 도 6a 내지 도 6c는 각각 수직형 풍력 발전 장치의 개략적인 부분 사시도이며, 상기 수직형 풍력 발전 장치는 풍향에 관계없이 풍력 발전이 가능한 장치이다.
본 실시예에서, 상기 풍력 발전 장치로서 수직형 풍력 발전 장치가 채택되는 것으로 가정하면, 각 풍향에 대해서 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00014
)의 초과확률을 계산하고, 이것을 전체풍향에 대해서 합치면, 임의의 지점에서 모든 풍향에 대한 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00015
)의 초과확률을 아래와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112008064108023-pat00016
상기의 식은 확률 함수이며, 상기 식을 이용하여 설정 풍속 구간별로 확률을 계산한다(S137 단계). 예를 들면, 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00017
)이 10㎧ 이상 12㎧ 미만의 확률을 구할 경우, 상기 식에 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00018
)을 10㎧로 대입하여 계산된 확률에서 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00019
)을 12㎧로 대입하여 계산된 확률을 차감하면 된다. 이러한 방법으로, 상기 설치 대상 위치들에서 상기 설정 풍속 구간별로 풍속에 따른 확률 분포를 계산할 수 있다. 도 7에 30개의 설치 대상 위치들에서 특정 설정 풍속 이상으로 빌딩풍이 발생할 가능성을 계산한 결과를 보여준다.
상기에서는, 상기 풍동 장치를 이용하여, 상기 데이터베이스를 구축한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다시 도 1을 참조하면, 상기 풍동 장치 대신에 CFD(Computational Fluid Dynamics, 이하 'CFD'라고 함) 해석을 이용하여, 상기 데이터베이스를 구축할 수 있다.
CFD 해석은 유체(공기, 물 등)흐름을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 파악한다. CFD 해석의 목적은 상기의 풍동 실험과 동일하다. 다만, 풍동실험의 경우 단지별로 혹은 건물별로 모형을 제작하여 실험을 하는 반면에, CFD 해석은 컴퓨터 모델링을 통해서 수행하는 바, 풍동실험에 비해 단기간에 수행 가능한 장점을 가진다. 따라서, 상기 단지 모델링 및 해석을 통하여 풍속비(
Figure 112008064108023-pat00020
)를 결정하고, 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00021
)의 초과확률을 구하는 수학식에서 나머지 값들은 기상정보를 이용하여 구함으로써, 상기 설치 대상 위치들에서 상기 설정 풍속 구간별로 풍속에 따른 확률 분포를 계산할 수 있다(S141단계 내지 S145 단계). 상세한 사항은 전술한 상기 풍동 실험을 통한 확률 분포 계산 과정을 참조하면 된다. 도 8a 내지 도 8c에 상기 단지 내의 일 부분에서 기류 흐름을 CFD를 통하여 해석한 결과가 도시되어 있다.
상기 풍동 실험 또는 상기 CFD 해석을 통하여, 상기 설치 대상 위치들에서 상기 설정 풍속 구간별로 풍속에 따른 확률 분포를 예측하면, 상기 설치 대상 위치 들 중에서 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정한다. 상기 선정의 구체적인 방법은 다음과 같다.
먼저, 상기 기상정보 및 상기 확률 분포를 이용하여, 상기 설치 대상 위치별로 상기 풍력 발전 장치의 발전량을 예측한다(S150 단계). 즉, 상기 확률 분포가 1년을 기준으로 계산된 경우, 특정 풍력 발전 장치에 대하여 설정 풍속 구간에 따른 발전량을 계산한다. 예를 들어, 1년 중 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00022
)이 a ㎧ 이상 b ㎧ 미만의 확률이 c라고 하고, 상기 설정 풍속에서 발전량을 d ㎾라고 하면, 1년간 발전량(P, ㎾h)은 365 (day)× c× 24(h/day)× d(㎾)이다.
도 9는 30개의 설치 대상 위치에 따른 연간 발전량을 계산한 결과를 보여준다. 도 9에서 구간별 출력은 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00023
)의 구간에 따른 풍속으로부터 계산된 출력을 의미하며, 평균 풍속 출력은 특정 설정 풍속(
Figure 112008064108023-pat00024
) 이상의 풍속에 대한 평균 풍속으로부터 계산된 출력을 의미한다. 상기 연간 발전량을 기준으로 하여 설치 대상 위치를 선정한다(S160 단계). 도 9를 참조하면, 3번, 8번, 9번, 18번, 19번 지역에서 풍력발전이 가능하고, 각 지역에 500kw급 발전기를 1대씩 설치한다면 1년간 약 3,500kwh를 생산할 수 있다.
상기에서는 연간 발전량을 계산하고, 이를 근거로 하여 풍력 발전의 효율성을 분석하고 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 연간 발전량뿐만 아니라 설치비용, 운영비용 등을 종합하여 경제성 분석을 추가할 수도 있다.
또한, 상기에서는 상기 설치 대상 위치들에서 특정 높이를 대상으로 하여 분석하고 있다. 하지만, 상기 설치 대상 위치들에서 높이에 따른 자료를 상기 데이터베이스에 추가될 수 있다. 상기 풍력 발전 장치가 낮은 높이에 설치되면, 공기와 지면 사이의 마찰에 의하여 속도가 감소할 뿐만 아니라, 사람의 이동이 불편할 수도 있다. 하지만, 상기 풍력 발전 장치가 지나치게 높은 곳에 설치되면, 빌딩풍의 효과를 거의 얻을 수 없다. 따라서, 상기 설치 대상 위치에 따라 복수 개의 높이에 따른 풍동 실험 또는 CFD 해석을 수행하여, 이를 바탕으로 풍력 발전 장치가 설치될 수 있는 최적의 위치 및 높이가 결정될 수 있다. 상기 높이에 따른 풍동 실험 또는 CFD 해석은 전술한 바와 유사한 바, 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 (주)현대건설 기술연구소의 대형경계층 풍동의 개략적인 구조도이다.
도 3은 풍동 실험 대상 단지를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 단지에 대한 축소 모형의 일 부분을 촬영한 사진이다.
도 5a 내지 도 5h는 풍동 실험을 통하여 단지 내에 발생되는 빌딩풍의 특징을 보여주는 개략도이다.
도 6a 내지 도 6c는 각각 수직형 풍력 발전 장치의 개략적인 부분 사시도이다.
도 7은 30개의 설치 대상 위치들에서 특정 설정 풍속 이상으로 빌딩풍이 발생할 가능성을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 3에 도시된 단지 내의 일 부분에서 기류 흐름을 CFD를 통하여 해석한 결과 해석 그래프이다.
도 9는 30개의 설치 대상 위치에 따른 연간 발전량을 계산한 결과를 보여주는 그래프이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 단지 내의 복수 개의 위치에 따른 빌딩풍의 풍향 및 풍속을 분석하여, 데이터베이스를 구축하는 단계; 및
    상기 데이터베이스를 근거로 하여, 상기 복수 개의 위치별로 수직축 풍력 발전 장치의 설치하여 운전할 경우, 생산되는 풍력 발전량을 예측하여, 상기 복수 개의 위치 중에서 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정하는 단계를 포함하고,
    상기 데이터베이스를 구축하는 단계는,
    상기 단지에 대응하는 축소 모형을 제작하는 단계;
    상기 단지의 설정 기간에 대한 풍향 및 풍속 발생빈도에 대한 기상청의 기상정보를 수집하는 단계;
    풍동 장치를 이용하여, 상기 축소 모형의 상기 복수 개의 위치들에 대응하는 측정 위치들에서 풍속 데이터 및 풍향 데이터를 측정하는 단계;
    상기 기상정보, 상기 풍속 데이터 및 상기 풍향 데이터에 근거하여, 상기 복수 개의 위치들에서 각각 상기 설정 기간 동안 발생하는 풍속을 확률 분포로 계산하는 단계를 구비하고,
    상기 선정하는 단계는,
    상기 기상정보 및 상기 확률 분포를 이용하여, 상기 복수 개의 위치별로 상기 풍력 발전 장치의 발전량을 예측하는 단계;
    상기 발전량에 근거하여, 상기 복수 개의 위치에 따른 풍력 발전 효율성을 분석하는 단계;
    상기 풍력 발전 효율성의 분석에 따라, 상기 복수 개의 위치 중에서 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정하는 단계를 구비하고,
    상기 각 위치에서, 임의의 풍향(α)에 대하여 설정 풍속(
    Figure 112010069302870-pat00045
    ) 이상의 풍속이 발생할 수 있는 확률(P(V≥υ,α))은 Weilbull 분포에 의하여 아래의 식과 같이 결정되는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법.
    Figure 112010069302870-pat00046
  5. 하나 또는 복수 개의 건물들이 위치하는 단지 내의 복수 개의 위치에 따른 빌딩풍의 풍향 및 풍속을 분석하여, 데이터베이스를 구축하는 단계; 및
    상기 데이터베이스를 근거로 하여, 상기 복수 개의 위치별로 수직축 풍력 발전 장치의 설치하여 운전할 경우, 생산되는 풍력 발전량을 예측하여, 상기 복수 개의 위치 중에서 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정하는 단계를 포함하고,
    상기 데이터베이스를 구축하는 단계는,
    상기 단지의 설정 기간에 대한 풍향 및 풍속 발생빈도에 대한 기상청의 기상정보를 수집하는 단계;
    CFD 해석을 이용하여, 상기 복수 개의 위치들에서 풍속 데이터 및 풍향 데이터를 계산하는 단계;
    상기 기상정보, 상기 풍속 데이터 및 상기 풍향 데이터에 근거하여, 상기 복수 개의 위치들에서 각각 상기 설정 기간 동안 발생하는 풍속을 확률 분포로 계산하는 단계를 구비하고,
    상기 선정하는 단계는,
    상기 기상정보 및 상기 확률 분포를 이용하여, 상기 복수 개의 위치별로 상기 풍력 발전 장치의 발전량을 예측하는 단계;
    상기 발전량에 근거하여, 상기 복수 개의 위치에 따른 풍력 발전 효율성을 분석하는 단계;
    상기 풍력 발전 효율성의 분석에 따라, 상기 복수 개의 위치 중에서 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치를 선정하는 단계를 구비하고,
    상기 각 위치에서, 임의의 풍향(α)에 대하여 설정 풍속(
    Figure 112010069302870-pat00047
    ) 이상의 풍속이 발생할 수 있는 확률(P(V≥υ,α))은 Weilbull 분포에 의하여 아래의 식과 같이 결정되는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법.
    Figure 112010069302870-pat00048
  6. 삭제
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 데이터베이스를 구축하는 단계에서, 상기 복수 개의 위치별로 높이에 따른 빌딩풍의 풍향 및 풍속을 더 분석하고,
    상기 선정하는 단계에서, 상기 복수 개의 위치별로 높이에 따른 풍력 발전량을 더 예측하여, 상기 풍력 발전 장치가 설치되는 위치뿐만 아니라 상기 위치에 따른 높이도 더 선정하는 빌딩풍 이용 풍력 발전 시스템의 설치 방법.
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