KR101082945B1 - 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 낭비되는 지하철의 통풍구에서 배출되는 공기(바람)을 재활용하기 위한 대체에너지 시스템에 관한 것이다.
기존에 지하철에는 많은 통풍구가 설치되어 있고 여기를 통하여 많은 바람들이 계속 방출되고 있다 하지만 이를 재활용하는 방안이 전혀 없다.
배출되는 통풍구의 바람을 활용하기 위하여 풍력을 활용한 대체에너지 시스템을 구현하고자 하는 것이 본 발명의 목적이다.
풍력만 활용하기 보다 풍력의 날개(블레이드) 부분에 태양전지를 설치함으로써 두가지를 함께 운용하므로 보다 높은 에너지를 획득할 수 있다.
전국적으로 많은 지하철 통풍구에 설치할 경우 낭비되는 풍력에너지원을 활용하여 높은 에너지 획득효과를 거둘 수 있다.
대체에너지, 통풍구, 지하철

Description

지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템{Alternative energy system using the subway vents}
본 발명은 지하철 통풍구에서 배출되는 공기를 활용하여 전기를 생산하는 대체에너지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 장치와 태양전지를 동시에 장착하여 낭비되는 통풍구의 공기(바람)를 에너지원으로 전환하고, 태양에너지도 동시에 활용함으로써 전원을 생산하는 신재생에너지 기술에 관한 것이다.
풍력은 바람에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술이다. 풍력의 시스템은 "기계장치부, 전기장치부, 제어장치부" 등으로 구성된다.
기계장치부는 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용효율성 향상을 위한 Brake, Pitching System, Yawing System 등의 제어장치부문으로 구성되어 진다.
전기장치부는 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급하도록 하는 전력안정화 장치로 구성된다.
제어장치부는 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing Controller(바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절), Pitching Controller(날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어)와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 Monitoring System으로 구성된다.
풍력시스템은 다양한 종류로 구성되어 진다.
[표 1]은 풍력시스템의 종류를 표로 나타낸 것이다.
[표 1] 풍력시스템의 종류
Figure 112009502308450-pat00001
풍력시스템을 회전축 방향에 따라 구분하면 수직축 발전기와 수평축 발전기로 나뉘어 진다. 수직축 발전기는 바람의 방향과 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용이 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다. 수평축 발전기는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 일반적으로 중대형급 이상은 수평축 발전기를 사용하고, 100kW급 이하 소형은 수직축 발전기를 사용하는 편이다.
풍력시스템을 운전방식 따른 구분하면 기어형(Geared)과 기어리스형(Gearless)으로 구분된다.
대부분의 풍력시스템은 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 Geared 풍력발전시스템에 해당되며 유도형 발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장착되어 있는 형태이다.
Gearless형은 가변속 운전동기형(또는 영구자석형) 발전기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태이다. 발전효율은 높지만, 유도발전기보다 비싸고 크기도 큰 단점이 있다.
풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다. 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다. 여기서 말하는 바람의 속도는 우리가 서 있는 땅위가 아니라 풍력 발전기의 날개가 있는 높이에서의 속도를 말한다.
풍력발전의 효과를 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 바람의 운동에너지를 이용한 발전방식으로 화석연료 대체효과가 매우 크다.
둘째, 낙도 등의 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하다.
셋째, 풍향이 우수한 해안 및 산간지역에 설치함으로써 국내 토지이용을 합 리화할 수 있다.
넷째, 제주지역과 같은 일부 특정지역의 경우 대규모 풍력발전단지 조성으로 관광자원으로 활용이 가능하다.
풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다. 또한 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 일반적으로 발전 방식에 따른 소요 면적은 풍력 1,335 m2/GWh, 석탄 3,642 m2/GWh, 태양열 3,561 m2/GWh 그리고 태양광 발전 3,237 m2/GWh로서 풍력 발전이 가장 작은 면적을 필요로 한다. 풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200 kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000 kWh의 전력을 생산한다면 약 120-200 톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO2는 2-3.2 톤, NOx는 1.2-2.4 톤, CO2는 300-500 톤, 슬래그(slag)와 분진(ash)은 16-28 톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160 - 280 kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다. 풍력 발전 시스템의 발전 단가는 설치 지역의 풍력 자원에 따라 달라지나 현재 운전되고 있는 미국의 대규모 풍력 단지들은 약 750 $/kW의 시스템 설치비와 약 5 ¢/kWh 내외의 발전 단가를 나타내 기존 발전 방식과 경쟁 가능한 수준이다. 또한 계속적인 투자와 기술 개발이 병행되면 풍력 발전은 15년 안에 3.9 ¢/kWh의 단가 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 풍력발전 관련 기술은 이미 실용화 단계이기 때문에 요소 기술 개발보다는 풍력 발전기의 저가화와 대형화 및 보급 확대에 치중하는 경향이다. 많은 국가에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있으며 1994년말까지 세계적으로는 약 3,7600 MW 용량의 풍력 발전기를 설치하여 연간 약 45억 kWh이상의 전력을 생산하고 있다. 1994년 한해 동안에도 약 611 MW 용량의 풍력 발전기가 새로 설치되었으며, 인도의 경우에는 1995년도에 235.5 MW 규모의 풍력 단지를 건설할 계획이다. 현재 가장 많은 풍력 발전기가 운전되고 있는 국가는 미국, 독일, 덴마크 순으로서 미국의 경우 캘리포니아의 대규모 풍력 단지를 중심으로 1993년에는 연간 30억 kWh의 전력을 생산하여 캘리포니아 전체 전력수요의 1.2% 정도를 공급하였고, 1994년에는 약 35억 kWh의 전력을 생산하였다. 그러나 풍력발전의 비중이 가장 높은 나라는 덴마크로 98년현재 4900개의 풍력 발전기에서 1,135MW를 생산 전기소비량의 7%를 담당하고 있으며 44만가구에 공급하고 있다고 한다. 또 이나라의 "에너지 21"계획에 의하면 2000년까지 10%, 2030년까지 50%로 끌어 올린다는 것이다. 국내의 기술 개발 현황은, 1단계 대체 에너지 기술 개발사 업으로 전국 64개 기상청 산하 기상 관측소의 통계 자료와 도서 및 내륙 일부 지역의 측정 자료를 이용한 풍력 자원 특성 분석이 우리 연구소에 의해 이루어 졌으나 지역적 조건에 크게 영향을 받는 풍력 자원의 특성 때문에 아직 기초 통계 자료의 정비가 미흡한 실정이다. 따라서 앞으로 풍력 발전 유망 지역에 대한 풍력자원의 정밀한 평가와 풍력 단지 건설에 대한 타당성 평가 사업이 지속되어야 한다.
태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술을 의미한다. 햇 빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식이다.
태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성된다.
태양전지(太陽電池:solar cell, solar battery)는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것이다. 금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있다.
태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발되었다. 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 부른다. 이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며, 이 때문에 앞면과 됫면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리이다.
태양광발전의 장점은 공해가 없고, 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 것이다. 반면에 전력생산량이 일조량에 의존하고, 설치 장소가 한정적이며, 초기 투자비와 발전단가가 높은 단점이 있다.
본 발명은 지하철의 통풍구에서 발생하는 바람을 재활용하기 위하여, 풍력발전시스템을 통풍구에 설치하여 전기를 생산하도록 하는 시스템이다. 더불어 풍력발생장치의 날개(블레이드) 부분에 태양전지를 부착하여 태양에너지를 전기로 전환하는 시스템도 동시에 구현하는 방식이다. 풍력시스템과 태양광시스템 두가지를 동시에 구현함으로써 신재생에너지를 구현하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템은 지지대, 날개부, 발전부, 축전지, 안전장치로 구성된다. 지하철 통풍구와 풍력발생장치를 연결하는 지지대와, 바람에 의해 작동하는 블레이드(Blade)와 태양전지가 부착된 날개부와 발전기와 인버터 등이 내장된 발전부와, 발전된 전기를 축전하는 축전지와, 사람들의 안전을 확보하기 위한 안전장치로 구성되어 지는 데 그 특징이 있다.
본 발명에 따른 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 낭비되는 에너지원을 재활용할 수 있다. 지하철의 통풍구에서 지속적 으로 낭비되는 바람의 재활용이 가능하다.
둘째, 구조가 간단하여 제조비용이 저렴하며 유지관리가 편리한 잇점을 지니고 있다.
본 발명에 따른 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템은 지지대, 날개부, 발전부, 축전지, 안전장치로 구성된다.
상기 지지대는 지하철 통풍구에 설치하여 풍력발생장치와 지하철 통풍구가 연결되도록 하는 기능을 수행한다. 지하철 통풍구에 고정시켜 풍력발생장치가 움직이지 않고 몸체를 유지할 수 있도록 한다.
상기 날개부는 지지대에 설치하여 지하철 통풍구에서 나오는 바람에 의하여 회전하는 블레이드와 햇빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지로 구성되어 진다. 태양전지를 블레이드에 부착하여 회전하면서 햇빛을 받아 전력을 생산하도록 이루어진다.
상기 발전부는 지지대 상측에 설치하며 기어형(Geared)과 기어리스형(Gearless)의 두종류로 나누어 진다. 기어형일 경우 내부는 기어증속장치와 유도발전기(정전압/정주파수 발생)로 구성되어 진다. 지하철에서 나오는 바람에 의하여 블레이드가 회전하고 블레이드의 회전에 의하여 기어증속장치(기어박스)가 작동하며, 이로 인하여 유도발전기가 작동하는 방식이다.
기어리스형일 경우 내부는 다극형 동기발전기로 이루어진다. 기어리스형일 경우 direct-drive 방식이므로 기어증속장치(기어박스)가 필요없다. 반면, 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 이를 조정하기 위하여 인버터(Inverter)가 필요하 다.
그러나, 기어형의 경우에는 유도 발전기를 통하여 한전 주파수와 일치하게 맞출 수 있으므로 인버터가 불필요하다.
유도발전기(誘導發電機, induction generator)는 3상유도전동기의 입력·출력의 관계를 반대로 해서 사용한 것이다. 다시말해, 유도전동기는 3상전원에서 전력을 끌어들여 축으로부터 기계적 출력을 끌어내는 것인 데 대해, 유도발전기는 유도전동기를 3상전원에 연결한 채 축에 기계적 동력을 공급하여, 회전부의 속도를 어느 일정값(이 값은 기계의 극수와 교류전원의 주파수에 의해서 정해진다)보다 빠르게 해 주어, 3상전원으로 전력을 내보내게 한 것이다.
동기발전기(同期發電機, synchronous generator)는 교류발전기 중에서 회전자와 고정자(固定子)의 상대속도가 회전자기장과 동기해서 회전하는 발전기이다.
기어형의 장점은 다음과 같다.
첫째, 저렴한 제작비용으로 고신뢰도의 동력전달계 구성 가능하다.
둘째, 장기간의 기술적 노우하우와 경험을 바탕으로 신뢰도가 매우 높다.
셋째, 보편적 요소기술로서 어느 지역에서도 설계제작이 가능한 보편기술이다.
넷째, 유지보수가 용이하며 부분품의 교체로서 쉽게 성능유지가 가능하다.
다섯째, 계통연계가 간편하고 용이한 기술적 특성을 지니고 있다.
기어형의 단점은 다음과 같다.
첫째, 증속기어의 기계적 마모나 이에 따른 유지관리상의 문제야기 될 수 있 다.
둘째, 기계적 소음발생의 원인이며, 고장발생의 주요원인이 될 수 있다.
셋째, 통상 전체시스템의 운전수명인 20년 보다 짧은 8∼10년이내의 운전수명을 지님으로서 유지관리 비용의 상승을 초래된다.
넷째,. 저출력시 추가적인 보상회로에 의한 역률개선이 필요하게 된다.
기어리스형의 장점은 다음과 같다.
첫째, 증속 기어장치등 많은 기계부품을 제거할 수 있다.
둘째, 넛셀(nacelle) 구조가 매우 간단해져 유지보수가 간편하다.
셋째, 증속기어의 제거로 기계적 소음이 획기적으로 저감된다.
넷째, 역률제어가 가능하여 출력에 무관하게 고역률이 실현가능하다.
기어리스형의 단점은 다음과 같다.
첫째, 매우 크고 무거우며 제작비용이 많이 들어가는 다극형 동기발전기가 필요하다.
둘째, 다극형 동기발전기 공극이 외기에 노출되어 염해나 먼지등의 부유물에 영향을 받을 수 있으며, 전기적 절연성에 있어서의 안전성 확보가 절대 필요하다.
셋째, 중량이 큰 발전기를 외팔보 형태로 지지해야 하는 구조적 문제가 있다.
발전부에는 태양전지로부터 발생하는 전기를 조절하는 전력조절장치와 태양전지용 인버터가 내장된다. 전력조절장치는 태양전지가 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치이며, 태양전지용 인버터(inverter)는 태양전지에서 생산된 직류(DC)전기를 교류(AC)로 바꾸는 역할을 수행한다.
축전지는 풍력발생장치의 발전기에서 생산되는 전기와 태양전지로부터 발생하는 전기를 축전하는 기능을 수행한다. 축전지는 필요에 따라 다양한 용량과 전압의 제품을 사용할 수 있다.
지하철 통풍구 주위에 풍력발생장치를 설치할 경우 날개(블레이드)의 회전에 의하여 안전문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 안전장치가 필요하다. 안전장치는 안전 그물망 이나 안전투명 원기둥으로 구성되어 진다. 상기 안전그물망은 사람의 손이나 인체부위가 풍력의 날개에 닿는 것을 방지한다. 그물망이므로 빈공간으로 햇빛은 투과할 수 있으므로 안전은 확보하면서, 태양전지도 활용할 수 있는 방안이다. 상기 안전그물망을 그물망으로 제조하지 않고 투명 플라스틱으로 된 안전투명 원기둥으로 제조하여도 무관하다. 이 경우에는 그물망처럼 빈공간이 전혀 발생하지 않으므로 보다 안전하게 사람들을 보호할 수 있으며, 투명하여 햇빛이 잘 투과되어 태양전지를 활용하는 데도 아무런 불편이 없다.
본 발명에 따른 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템에서 안전그물망은 필요에 따라 그물망 형식이나 안전투명 원기둥으로 된 안전 투명플라스틱으로 제조할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 "지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템"의 일반적인 형태를 나타낸 구조도이다.

Claims (2)

  1. 지지대, 날개부, 발전부, 축전지, 안전장치로 구성되어 지며,
    상기 지지대는 지하철 통풍구에 설치하여 풍력발생장치와 지하철 통풍구가 연결되도록 하는 기능을 수행하며, 지하철 통풍구에 고정시켜 풍력발생장치가 움직이지 않고 몸체를 유지할 수 있도록 하며,
    상기 날개부는 지지대에 설치하여 지하철 통풍구에서 나오는 바람에 의하여 회전하는 블레이드와 햇빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지로 구성되어 지며, 태양전지를 블레이드에 부착하여 회전하면서 햇빛을 받아 전력을 생산하도록 이루어지며,
    상기 발전부는 지지대의 상측에 설치하여 기어형일 경우 내부에는 기어증속장치와 유도발전기(정전압/정주파수 발생)로 구성되어 지며, 지하철에서 나오는 바람에 의하여 블레이드가 회전하고 블레이드의 회전에 의하여 기어증속장치(기어박스)가 작동하며 유도발전기가 작동하며, 상기 발전부 내부에는 태양전지로부터 발생하는 전기를 조절하는 전력조절장치와 태양전지용 인버터가 내장되며, 상기 전력조절장치는 태양전지가 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치이며, 상기 태양전지용 인버터(inverter)는 태양전지에서 생산된 직류(DC)전기를 교류(AC)로 바꾸는 역할을 수행하며,
    상기 축전지는 풍력발생장치에 의해 발전기에서 생산되는 전기와 태양전지로부터 발생하는 전기를 축전하며,
    상기 안전장치는 지지대에 설치된 날개부와 발전부의 외측에 설치하되 안전 그물망이나 안전투명 원기둥으로 구성되어 지며, 상기 안전그물망은 그물망 형태로 햇빛은 투과할 수 있으면서 안전도 확보할 수 있으며, 상기 안전투명 원기둥은 투명 플라스틱으로 된 원기둥으로 그물망처럼 빈공간이 전혀 발생하지 않으므로 보다 안전하게 사람들을 보호할 수 있으며, 투명하여 햇빛이 잘 투과되어 태양전지를 활용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템.
  2. 지지대, 날개부, 발전부, 축전지, 안전장치로 구성되어 지며,
    상기 지지대는 지하철 통풍구에 설치하여 풍력발생장치와 지하철 통풍구가 연결되도록 하는 기능을 수행하며, 지하철 통풍구에 고정시켜 풍력발생장치가 움직이지 않고 몸체를 유지할 수 있도록 하며,
    상기 날개부는 지지대에 설치하여 지하철 통풍구에서 나오는 바람에 의하여 회전하는 블레이드와 햇빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지로 구성되어 지며, 태양전지를 블레이드에 부착하여 회전하면서 햇빛을 받아 전력을 생산하도록 이루어지며,
    상기 발전부는 지지대의 상측에 설치하여 기어리스형일 경우 내부에는 다극형 동기발전기와 인버터(Inverter)가 내장되며, 상기 발전부 내부에는 태양전지로부터 발생하는 전기를 조절하는 전력조절장치와 태양전지용 인버터가 내장되며, 전력조절장치는 태양전지가 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치이며, 상기 태양전지용 인버터(inverter)는 태양전지에서 생산된 직류(DC)전기를 교류(AC)로 바꾸는 역할을 수행하며,
    상기 축전지는 풍력발생장치에 의해 발전기에서 생산되는 전기와 태양전지로부터 발생하는 전기를 축전하며,
    상기 안전장치는 지지대에 설치된 날개부와 발전부의 외측에 설치하되 안전 그물망 이나 안전투명 원기둥으로 구성되어 지며, 상기 안전그물망은 그물망 형태로 햇빛은 투과할 수 있으면서 안전도 확보할 수 있으며, 안전투명 원기둥은 투명 플라스틱으로 된 원기둥으로 그물망처럼 빈공간이 전혀 발생하지 않으므로 보다 안전하게 사람들을 보호할 수 있으며, 투명하여 햇빛이 잘 투과되어 태양전지를 활용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 지하철 통풍구를 활용한 대체에너지 시스템.
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