KR101037489B1 - 굴뚝용 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴뚝용 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입관을 통하여 공급되는 배기가스를 대기로 분산시키는 굴뚝; 상기 굴뚝 상단부에 고정 설치되면서 배기통로 상에 블레이드가 배치되어 있는 발전기; 상기 굴뚝 하부에 안내관으로 연결되면서 외부 공기를 공급하는 송풍기; 상기 발전기와 송풍기에 연결되면서 조작부를 포함하는 제어부; 및 상기 제어부에 연결되는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝용 풍력발전기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 종래 단순히 배기가스 등을 배출하기 위한 용도로만 사용되던 굴뚝을 풍력발전기의 기둥(pole)으로 재활용하여 굴뚝의 활용도를 높일 수 있고, 굴뚝을 통하여 배출되는 배기가스 등과 굴뚝 상공을 통과하는 바람을 이용하여 전기를 생산하고 이러한 방법으로 생산된 전기를 배터리에 저장하거나 직접 활용하여 굴뚝의 송풍기나 굴뚝 조명 등을 작동시키는 에너지의 일부로 재활용할 수 있어 친환경적일 뿐만 아니라 이에 따라 굴뚝의 운전비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

풍력발전, 굴뚝, 송풍기, 배터리, 발전기

Description

굴뚝용 풍력발전기{AEROGENERATOR FOR CHIMNEY}

본 발명은 굴뚝용 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴뚝 상단부에 발전기를 설치하여 굴뚝을 통하여 배출되는 배기가스 및 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람으로 전기에너지를 생산하고, 이러한 전기에너지를 배터리에 저장한 후 송풍기의 작동용 전기에너지의 일부 등으로 재활용함으로써 굴뚝의 운용비용을 절감하고 굴뚝의 활용도를 높인 친환경적인 굴뚝용 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기라 함은 블레이드를 통해 풍력을 운동에너지로 전환하고, 전환된 운동에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 장치를 말한다. 최근에는 석탄이나 석유 등의 화석연료의 대량사용으로 인한 지구온난화 문제, 원유가격 상승 및 화석연료의 고갈 문제로 인한 친환경적인 대체 에너지의 개발 필요성 등이 대두됨에 따라 풍력 등과 같은 친환경적인 발전방법에 대한 연구개발이 확대되고 있는 실정이다.

산업설비 중의 하나인 굴뚝은 열병합 발전소, 화력발전소, 산업용 보일러나 소각로 등에서 발생 되는 배기가스를 대기로 분산시킴으로써 발전소, 공장, 주택가 주변이 오염되는 것을 방지하기 위한 목적으로 설치·운용되고 있다. 이러한 굴뚝 에는 일반적으로 배기가스가 원활하게 배출될 수 있도록 강제로 송풍을 하기 위한 송풍기가 설치되는데, 굴뚝 내부로 외부공기를 공급하기 위해 이러한 송풍기를 연속적으로 작동시키게 되므로 굴뚝의 운전비용이 상승하게 되는 문제점이 있다.

한편, 풍력발전기 본체는 일반적으로 블레이드, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되는데, 상기 풍력발전기 본체를 운전 가능한 적정한 높이에 설치하기 위해서는 적게는 수 미터, 경우에 따라서는 수 십 미터에 이르는 기둥(pole) 또는 타워을 세워야 하며, 상기 기둥을 설치하는 데에는 상당한 비용이 발생하게 된다.

이에 따라 본 발명자는 지금까지 대기 중으로 배기가스 등을 배출하는 용도로만 사용되던 굴뚝을 풍력발전기 설치용 기둥(pole) 또는 타워로 활용함으로써 풍력발전기의 설치비용을 대폭 절감함과 동시에 종래 굴뚝의 활용도를 높이고, 이와 같이 설치되는 풍력발전기를 이용하여 생산한 전기에너지를 굴뚝 송풍기의 작동용 에너지의 일부나 굴뚝 조명 등의 에너지원으로 재활용할 수 있도록 한 새로운 형태의 풍력발전기를 개발하고 이를 제안하기에 이르렀다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로써, 종래 굴뚝 상단부에 발전기를 설치하여 굴뚝을 통하여 배출되는 배기가스 및 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람을 이용하여 전기를 생산하고, 이러한 전기를 배터리에 저장하거나 직접 활용하여 송풍기의 작동용 전기의 일부 등으로 재활용할 수 있도록 함으로써 종래 굴뚝의 활용도를 높이는 한편 굴뚝의 운전비용을 절감할 수 있도록 한 새로운 형태의 친환경적인 굴뚝용 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유입관을 통하여 공급되는 배기가스를 대기로 분산시키는 굴뚝; 상기 굴뚝 상단부에 고정 설치되면서 배기통로 상에 블레이드가 배치되어 있는 발전기; 상기 굴뚝 하부에 안내관으로 연결되면서 외부 공기를 공급하는 송풍기; 상기 발전기와 송풍기에 연결되면서 조작부를 포함하는 제어부; 및 상기 제어부에 연결되는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 굴뚝 상부에 테이블이 고정 설치되고, 상기 테이블에는 발전기가 안착되는 블럭이 설치되며, 상기 블레이드는 굴뚝의 배기통로 상에 위치하면서 굴뚝의 상측으로 이격 설치되어 배기가스 및 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람에 의해 회전하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제어부는 발전기에서 생산된 전기에너지를 배터리에 저장하고, 상기 배터리에 저장된 전기에너지는 송풍기의 작동용 전기에너지의 일부 로 재공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래의 굴뚝 상단부에 풍력발전기를 설치하여 굴뚝을 통하여 배출되는 배기가스 및 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 것으로, 풍력발전기를 설치하기 위해 별도로 기둥이나 타워를 세울 필요가 없어 풍력발전기의 설치비용을 대폭 절감할 수 있는 우수한 효과가 있다. 또한 풍력발전 자체가 화석연료의 대체효과가 매우 큰 친환경적인 발전방식일 뿐만 아니라 이러한 방법으로 생산된 전기를 배터리에 저장하거나 직접 활용하여 이를 굴뚝의 송풍기를 작동시키거나 굴뚝 조명 등의 에너지원으로 이용할 수 있어 굴뚝의 운전비용(송풍기, 굴뚝 조명 등의 운전비용)을 획기적으로 감소시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

본 발명은, 유입관을 통하여 공급되는 배기가스를 대기로 분산시키는 굴뚝; 상기 굴뚝 상단부에 고정 설치되면서 배기통로 상에 블레이드가 배치되어 있는 발전기; 상기 굴뚝 하부에 안내관으로 연결되면서 외부 공기를 공급하는 송풍기; 상기 발전기와 송풍기에 연결되면서 조작부를 포함하는 제어부; 및 상기 제어부에 연결되는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴뚝용 풍력발전기에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 굴뚝 상부에는 테이블이 고정 설치되고, 상기 테이블에는 발전기가 안착되는 블럭이 설치되며, 상기 블레이드는 굴뚝의 배기통로 상에 위치하면서 굴뚝의 상측으로 이격 설치되어 배기가스 및 바 람에 의해 회전하도록 되어 있다.

본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르며, 상기 제어부는 발전기에서 생산된 전기에너지를 배터리에 저장하고, 상기 배터리에 저장된 전기에너지는 송풍기의 작동용 전기로 다시 공급할 수 있도록 되어 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인하여 한정되는 것은 아니다.

일반적으로 굴뚝이라 함은 연소에 필요한 공기를 공급하고 연도(煙道)를 통하여 나온 연기나 가스 등을 하늘 높이 뿜어내게 한 구조물을 말한다. 굴뚝의 역할은 연소기기에서 발생된 연소가스를 모아 옥외로 내보내는 '배출역할'과 연소가스를 배출시키고 연소장치에 새 공기가 공급되게 하는 '흡입역할'을 한다.

한편, 굴뚝의 통풍방식에는 강제통풍식과 자연통풍식이 있는데, 일반 가정이나 소규모 시설에서 사용하는 굴뚝은 자연통풍식이며, 대형 보일러나 연소기, 소각로 등의 대형설비에서는 강제통풍식을 이용하는 것이 일반적이다. 본 발명은 산업용 보일러나 연소기, 소각로, 발전소 등에서 이용하는 강제통풍식 대형 굴뚝 등에 적용하는 것을 주목적으로 하지만 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 3에서 살펴보면, 먼저 굴뚝(2)은 열병합 발전소, 화력발전소, 산업용 보일러나 소각로 등에서 발생 되는 배기가스를 대기로 분산시킴으로써 연소를 원활하게 하고, 배기가스에 의해 발전소, 공장, 주택가 주변이 오염되는 것을 방지하기 위한 목적으로 이용된다.

상기와 같은 굴뚝(2)의 높이는 발전설비나 소각로 규모, 가스배출량, 배출가스의 온도 등 여러 가지 요인에 의해 다르게 설계될 수 있는데, 필요에 따라서는 100미터 이상의 높이로 설계될 수도 있다.

상기와 같은 굴뚝(2)은 지면에 설치한 베이스(4) 상에 수직으로 설치되고, 상기 굴뚝(2)의 하부에는 발전소, 보일러, 소각로 등에서 발생하는 배기가스의 통로인 유입관(6)이 연결되며, 상기 유입관(6)의 선단부에는 열교환기(8)가 연결되면서 굴뚝(2)의 측벽을 관통하여 설치되고, 상기 열교환기(8)를 통과한 토출관(10)은 굴뚝(2) 내부로 배치된다.

또한, 상기 열교환기(8)에는 외부공기를 강제로 공급하는 송풍기(12)가 안내관(14)으로 연결되고, 상기 안내관(14)의 선단부는 굴뚝(2)의 측벽을 관통하여 연결됨으로써 공기가 열교환기(8)를 통과하여 굴뚝(2) 내부로 공급될 수 있게 설치된다.

상기 굴뚝(2)의 상부 둘레에는 테이블(16)이 고정 설치되고, 상기 테이블(16)상에는 발전기(20)가 장착될 수 있는 블럭(18)이 설치되며, 상기 발전기(20)의 축에는 블레이드(22)가 결합되는데, 이때 상기 블레이드(22)는 굴뚝(2)의 배기통로 상에 위치하면서 굴뚝(2)의 상측으로 이격되어 설치된다.

따라서 상기 블레이드(22)는 굴뚝의 연도를 통하여 상승·배출되는 배기가스뿐만 아니라 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람에 의해서도 회전력을 얻을 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 발전기(20)와 송풍기(12)에는 제어부(24)가 조작 부(26)를 포함하면서 연결되고, 상기 제어부(24)에는 발전기에 의해 얻어진 전기에너지를 저장 및 공급할 수 있는 배터리(28, 축전지)가 연결된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저 조작부(26)에서 시작모드를 선택하면 발전기(20)로부터 생산되는 전기에너지는 제어부(24)를 지나 배터리(28)로 이동하여 저장되는데, 필요시 제어부(24)는 배터리(28)에 저장된 전기에너지를 송풍기(12)를 작동하기 위한 전기에너지의 일부로서 송풍기(12)에 공급하게 된다.

따라서 상기 송풍기(12)는 최초 작동시에는 외부로부터 공급받는 전기에너지에 의해 구동되나, 풍력발전에 의해 충분한 양의 전기에너지가 상기 배터리(28)에 저장되면, 상기 배터리(22)로부터 송풍기(12) 작동에 필요한 전기에너지의 일부를 공급받아 작동을 할 수 있게 된다. 이와 같이 굴뚝 운용시 강제 송풍을 위해 소비되는 전기에너지의 일부를 풍력발전에 의해 얻어지는 전기에너지로 대체할 수 있으므로 송풍기의 운전비용을 획기적으로 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 발전소, 보일러, 소각로 등에서 발생되는 고온의 배기가스는 유입관(6)을 따라 이동하여 열교환기(8) 내부를 순환하며 통과하게 되고, 동시에 상기 안내관(14)을 통해 공급되는 저온의 외부공기는 열교환기(8)를 통과하게 된다.

이때, 상기 열교환기(8)를 통과한 배기가스는 열교환됨으로써 고온에서 저온상태로 변환되는데, 따라서 상기 배기가스는 포함된 수분이 응축되어 제거됨으로써 건조한 상태가 된다.

상기와 같이 열교환기(8)를 순환하여 통과한 배기가스는 건조한 상태로 굴 뚝(2) 내부로 공급되고, 상기 열교환기(8)를 통과한 외부공기는 가열되어 고온상태로 굴뚝(2) 내부로 공급된다.

계속하여, 상기와 같이 굴뚝(2) 내부로 송풍기(12)가 약 10m/sec 정도의 풍속으로 외부공기를 연속하여 공급하는 관계로 배기가스와 외부공기는, 굴뚝(2) 내부로부터 부상하여 대기로 배출되는데, 이때 배출되는 배기가스(공기 포함)는 굴뚝(2) 상단부에 위치한 블레이드(22)를 밀어 일측 방향으로 회전시킴으로써 발전기(20)를 작동시키게 된다.

풍력발전기는 블레이드(22), 변속장치(미도시), 발전기(20)의 세 부분으로 구성되는데, 블레이드는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이며, 변속장치는 블레이드에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시키는 역할을 하고, 발전기는 블레이드에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 한다.

일반적으로 대기경계층(지표면으로부터 약 1km 이내의 대기층; 지표의 마찰이 주요하게 작용하는 대기층)에서의 평균적인 바람의 세기는 대기경계층의 최하층에서 지수적으로 증가하는 특징을 보이며 그 이상의 높이에서는 로그함수로 증가하는 모습을 보인다. 풍속의 증가는 지형이나 기온 감율, 풍속 등의 요인에 의해 달라지기는 하나, 특히 지표에서 100m까지 풍속은 높이에 따라 빠르게 증가하는 경향을 보인다.

한편, 풍력발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생 산할 수 있기 때문에 풍력발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다. 일반적으로 풍력으로 발전하려면 평균 4m/sec 이상으로 부는 바람이 필요하다.

상기 굴뚝(2) 상부는 지표면보다 바람의 양이 많고, 풍속도 세므로 상기 블레이드(22)은 배출되는 배기가스 이외에도 굴뚝 상공을 통과하는 바람에 의해 일측 방향으로 회전하게 되어 회전속도는 더욱 크게 증가하게 된다. 이러한 경향은 본 발명에 따른 풍력발전기가 설치되는 굴뚝의 높이가 높으면 높을수록 크게 나타난다.

더욱이, 상기 굴뚝(2) 상부로 부상하는 배기가스는 굴뚝(2) 상부 주위를 통과하는 바람에 의해 상승속도(통풍력)가 더욱 증가되어 10m/sec 이상의 속도로 대기중에 배출된다. 이에 따라 상기 블레이드(22)의 회전속도는 더욱 증가하게 되며 발전기(20)의 발전량 또한 증가하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은 여기에 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 굴뚝에 발전기가 설치된 상태도.

도 2는 본 발명에 따른 굴뚝의 상측 부분 상세도.

도 3은 본 발명에 따른 발전기와 송풍블레이드가 제어부에 연결된 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2:굴뚝 4:베이스

6:유입관 8:열교환기

10:토출관 12:송풍기

14:안내관 16:테이블

18:블럭 20:발전기

22:블레이드 24:제어부

26:조작부 28:배터리

Claims (3)

1. 삭제
2. 유입관(6)을 통하여 공급되는 배기가스를 대기로 분산시키는 굴뚝(2);

   상기 굴뚝(2) 상단부에 고정 설치되면서 배기통로 상에 블레이드(22)가 배치되는 발전기(20);

   상기 굴뚝(2) 하부에 안내관(14)으로 연결되면서 외부 공기를 공급하는 송풍기(12);

   상기 발전기(20)와 송풍기(12)에 연결되면서 조작부(26)를 포함하는 제어부(24); 및

   상기 제어부(24)에 연결되는 배터리(28);를 포함하는 굴뚝용 풍력발전기에 있어서,

   상기 굴뚝(2) 상부에 테이블(16)이 고정 설치되고,

   상기 테이블(16)에 발전기(20)가 안착되는 블럭(18)이 설치되며,

   상기 블레이드(22)는 굴뚝(2)의 배기통로 상에 위치하면서 굴뚝(2)의 상측으로 이격 설치되어 배기가스 및 굴뚝 상공 주위를 통과하는 바람에 의해 회전하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 굴뚝용 풍력발전기.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제어부(24)는 발전기(20)에서 생산된 전기에너지를 배터리(28)에 저장하고,

   상기 배터리(28)에 저장된 전기에너지는 송풍기(12)의 작동용 전기에너지의 일부로 재공급되는 것을 특징으로 하는 굴뚝용 풍력발전기.

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