KR101178031B1 - 바람 가이드 및 이를 구비하는 건물 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람 가이드 및 이를 구비하는 건물 풍력 발전기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 건물 풍력 발전기용 바람 가이드는 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 결합된 전방부와 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부와 후방부의 상승 각도를 조절한다.
본 발명은 전방부와 후방부의 길이에 따라 상승 각도를 조절하여 바람을 풍력 발전기의 회전자로 모아주며 회전자를 지날 때 바람의 속도를 빠르게 하여 풍력 발전기의 발전 효율을 높일 수 있다.

Description

바람 가이드 및 이를 구비하는 건물 풍력 발전기 {Wind guide and building wind power generation having the same}

본 발명은 바람 가이드 및 이를 구비하는 건물 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 결합된 전방부와 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부와 후방부의 상승 각도를 조절하여 풍력 발전기의 발전 효율을 높이는 바람 가이드 및 이를 구비하는 건물 풍력 발전기에 관한 것이다.

최근 우리 사회는 에너지의 고갈 및 환경오염 등의 문제에 직면해 있으며, 이에 따라 풍력, 태양광 등과 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 신재생 에너지 중 풍력 에너지는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없어 청정 에너지로서 각광을 받고 있어 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 전력을 생산하는 발전에너지로 널리 이용되고 있다. 대부분의 풍력 발전은 바람의 자원이 풍부한 해안지대 등을 중심으로 대형화에 편중되어 있으며, 최근에는 소형 풍력 발전 시스템의 사용이 선진국을 중심으로 점차 증가하고 있는 추세이다.

건물의 경우 풍력 발전기를 이용해 자체적으로 전기를 생산해 이용하는 시스템이 확산되고 있다. 특히 해안가나 섬에 위치한 주택의 경우 강한 해풍을 이용하여 발전하면 많은 양의 전기를 생산할 수 있다.

건물 풍력 발전기는 일반적으로 건물의 지붕에 설치된다. 예를 들어 대한민국 공개특허 제2011-0083257호에는 다수의 회전체의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산하는 터빈으로 구성된 풍력 발전 장치가 각 가정이나 대형 건물의 지붕이나 옥상에 간단하게 설치하여 전기에너지를 생산할 수 있도록 한 건물의 지붕에 설치하는 소형 풍력 발전 장치에 대해서 기재되어 있다. 그러나 이러한 건물 풍력 발전기는 지붕의 형태를 고려하지 않고 설치되며, 건물 풍력 발전기의 회전자에 바람을 모아주기 위한 별도의 설비를 하지 않는다. 따라서 발전 효율이 낮다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 바람 가이드를 이용하여 건물 풍력 발전기의 회전자에 바람이 빠른 속도로 유입되도록 하여 풍력 발전기의 발전 효율을 높일 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바람 가이드가 설치되는 환경에 따라 바람 가이드의 형상을 최적화하여 동일한 바람으로도 많은 양의 전기를 생산할 수 있는 건물 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바람 가이드에 풍력 발전기의 회전자를 연결시켜 고정함으로써 회전자의 회전이 건물에 미치는 영향을 최소화하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드는 상단부와 고정부를 포함한다. 상단부는 전방부와 후방부를 구비하며, 전방부와 후방부는 건물 풍력 발전기의 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 일단이 접하여 결합된다. 고정부는 상단부를 건물에 지지 고정한다. 조절 구동부는 전방부와 후방부의 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있다. 상단부는 바람의 진행 방향에 따른 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부 및 후방부의 상승 각도를 조절한다.

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본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드는 고정부의 단면을 타원형으로 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드는 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 2:1인 경우에 전방부의 상승 각도를 25~35°로 하며 후방부의 상승 각도를 5~10°로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드는 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 1:1인 경우에 전방부의 상승 각도와 후방부의 상승 각도를 동일하게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드는 상부면이 평평하게 형성되며 바람이 유입되는 전단이 상부면을 향해 상승하는 경사면을 구비하고, 상단부와 이격되어 회전자 하부에 위치하여 건물에 부착되는 하단부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 하단부는 하부면에 건물에 부착이 용이하도록 결합홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기는 바람 가이드와 회전자를 포함한다. 바람 가이드는 상기 설명한 것과 같은 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드일 수 있다. 회전자는 바람 가이드의 상단부의 하부에 위치한다.

본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기에서 회전자는 복수일 수 있다. 복수의 회전자는 복수의 고정부에 의해 각각 분리된다.

본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기에서 회전자는 바람 가이드에 연결되어 고정될 수 있다.

본 발명은 상단부의 전방부와 후방부의 길이에 따라 상승 각도를 조절하여 바람을 풍력 발전기의 회전자로 모아주며 회전자를 지날 때 바람의 속도를 빠르게 하여 풍력 발전기의 발전 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 바람 가이드가 설치되는 위치 및 바람의 방향에 따라 바람 가이드의 전방부와 후방부 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있도록 하여 풍력 발전기의 발전 효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명은 바람 가이드의 고정부를 단면이 타원형인 기둥으로 형성하여 고정부의 설치로 인한 발전 효율의 저하를 막고 오히려 발전 효율을 높을 수 있다.

또한 본 발명은 풍력 발전기의 회전자가 바람 가이드에 연결 고정됨으로써 회전자의 회전에 의한 진동 및 소음이 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 상단부를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 타원형 고정부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 상단부의 전방부와 후방부가 길이 및 상승 각도를 조절하는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 하단부를 구비하는 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 하단부의 하부에 결합홈이 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기를 나타내는 사시도와 정면도이다.
도 9는 회전자가 상단부에 고정된 건물 풍력 발전기는 나타내는 도면이다.
도 10은 바람 가이드의 전방부와 후방부 및 지붕(또는 하단부)만을 설정하여 해석하는 형상을 나타내는 도면이다.
도 11은 유동 특성을 파악하기 위한 검사체적과 경계조건을 나타내는 도면이다.
도 12는 해석 형상에 대한 격자 생성을 나타내는 도면이다.
도 13은 표 3에 기재된 16개의 case에 대한 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 나타내는 도면이다.
도 14는 표 3에 기재된 16개 case의 해석결과의 SN비를 망대 특성으로 분석한 것을 나타내는 도면이다.
도 15는 case 1, case 9, case 12의 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 16은 수학식 1로부터 구한 바람 가이드의 성능 지수를 16개의 case에 대해서 나타낸 차트이다.
도 17은 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1로 하고 전방부의 상승 각도의 변화에 따른 유속 증가를 알아보기 위한 해석 형상을 나타내는 도면이다.
도 18은 전방부의 상승 각도를 변화시키는 경우의 유동 분포를 나타내는 도면이다.
도 19는 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험 조건을 나타내는 도면이다
도 20과 도 21은 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험에 적용한 경계 조건과 Mesh 정보를 나타내는 도면이다.
도 22와 도 23은 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험의 수치 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 24는 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 상단부를 나타내는 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 타원형 고정부를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드(100)는 상단부(110)와 고정부(120)를 포함한다. 상단부(110)는 전방부(111)와 후방부(112)를 구비한다. 전방부(111)와 후방부(112)는 일단이 접하며 서로 대향하며 상승하는 형태로 결합된다. 전방부(111)와 후방부(112)는 판 형상이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 전방부(111)와 후방부(112)의 끝단은 라운드 처리하여 바람의 저항을 덜 받게하며 난류의 발생을 감소시킬 수 있다. 상단부(110)의 상측면은, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 전방부(111)와 후방부(112)가 접하는 부분으로 일정한 경사를 이루면서 v자 형상이 될 수 있다. 이 경우 상단부(110)의 전체적인 무게가 줄어들어 고정부(120)에 하중이 덜 가해지며, 재료를 아낄 수 있어 경제적이다. 이 경우 필요에 따라서는 접하는 부분에 배구수가 형성될 수도 있다. 상단부(110)의 상측면은, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 평평하게 형성될 수도 있다. 상단부(110)의 상측면 형상은 설치 환경에 따라 달라질 수 있다.

상단부(110)는 고정부(120)를 통해 건물의 지붕(200)에 지지 고정된다. 고정부(120)는 타원형으로 형성할 수 있다. 보다 정확하게는 고정부(120)는 바람의 진행 방향에 대해 수평인 단면이 타원형이 될 수 있다. 고정부(120)가 타원형으로 형성되면 고정부(120) 사이에 위치하는 회전자로 바람이 더 빠르게 통과하는 효과가 있다.

상단부(110)의 하부에는 건물 풍력 발전기의 회전자(미도시)가 위치한다. 도 3 및 도 4에에 도시된 바와 같이, 상단부(110)의 폭에 따라 고정부(120)는 3개 이상이 설치될 수 있으며, 복수의 고정부(120) 사이에는 복수의 회전자가 위치할 수도 있다. 이와 같이 복수의 고정부(120)에 의해 각각의 회전자가 분리되면 하나의 회전자가 다른 회전자의 회전에 따른 유동 교란과 간섭의 영향을 받는 것을 방지할 수 있다.

복수의 고정부(120)는 각각 그 크기를 달리 할 수 있다. 특히 상단부(110) 측면의 양 끝단을 지지하는 고정부(120a, 120b)는 내측에 위치하는 고정부보다 더욱 굵게 형성하여 상단부(110)을 안정적으로 지지할 수 있도록 할 수 있다.

바람 가이드(100)는 전방부(111)로 바람이 유입되어 후방부(112)로 배출되도록 설치된다. 다만, 바람의 방향은 가변적이므로 바람 가이드(100)로 유입되는 바람의 방향을 바뀔 수 있지만, 건물 풍력 발전기용 바람 가이드(100)가 설치되는 위치에서 주된 바람의 방향을 고려하여 설치한다.

본 실시예에서는 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 방향 비율(Lf:Lr)에 따라 전방부(111)의 상승 각도(θ1)와 후방부(112)의 상승 각도(θ2)를 조절한다. 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 방향 비율(Lf:Lr)은 전방부(111)의 길이와 후방부(112)의 길이를 기준면에 투영시켰을 때의 길이 비율이다. 전방부(111)와 후방부(112)의 상승 각도(θ1, θ2)는 전방부(111)와 후방부(112)가 기준면과 이루는 각도이다. 여기서 기준면이란 고정부(120)에 대해 수직인 면을 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 상단부의 전방부와 후방부가 길이 및 상승 각도를 조절하는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.

바람 가이드(100)가 설치될 건물이 결정되면, 건물의 높이나 주변 환경 등에 따라 건물 풍력 발전기용 바람 가이드(100)의 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 방향 비율이 정해지게 되며, 따라서 전방부(111)와 후방부(112)의 상승 각도(θ1, θ2)도 결정될 수 있다. 즉, 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 및 상승 각도(θ1, θ2)는 설치시에 고정될 수도 있다. 그러나 바람의 방향이 자주 바뀌는 위치나 주변의 장애물 등에 따라 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 및 상승 각도를 가변적으로 할 수도 있다.

이에 대해서 구체적으로 살펴보면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 전방부(111)와 후방부(112)는 길이를 조절할 수 있다. 이를 위해 건물 풍력 발전기용 바람 가이드(100)는 조절 구동부(미도시)를 구비할 수 있으며, 전방부(111)와 후방부(112)는 각각 두 개의 직사각형 판을 구비한 형태가 될 수 있다. 두 개의 직사각형 판은 슬라이딩 가능하게 결합되며, 조정 구동부에 의해 두 개의 직사각형 판 중 하나가 이동이 가능하다. 따라서 전방부(111)와 후방부(112)의 길이를 늘리거나 줄일 수 있다.

또한 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 조절 구동부는 전방부(111)와 후방부(112)의 경사를 변경하여 상승 각도(θ1, θ2)를 조절할 수 있다. 따라서 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 변화에 따라 전방부(111)와 후방부(112)의 상승 각도(θ1, θ2)를 조절하는 것이 가능하다. 이를 위해 전방부(111)와 후방부(112)는 중심축(130)을 중심으로 회전 가능하게 결합될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 및 상승 각도를 상황에 따라 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 해안가에 위치한 주택에 바람 가이드(100)가 설치되는 경우 낮에는 해풍이 강하므로 전방부(111)와 후방부(112) 중 해풍이 유입되는 측을 기준으로 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 및 상승 각도를 결정한다. 밤에는 육풍이 강하므로 전방부(111)와 후방부(112) 중 육풍이 유입되는 측을 기준으로 전방부(111)와 후방부(112)의 길이 및 상승 각도를 결정한다.

도 6은 하단부를 구비하는 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 하단부의 하부에 결합홈이 형성된 것을 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기용 바람 가이드(300)는 상단부(310), 고정부(320), 하단부(340)를 포함한다. 상단부(310), 고정부(320)는 도 1 내지 도 5에서 설명한 것과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

바람 가이드(300)가 설치되는 건물의 지붕에 평평한 부분이 형성되어 있고 바람이 유입되는 부분에 바람이 잘 유입되도록 하는 경사면이 형성되어 있다면, 바람 가이드(300)를 설치하기가 용이하다. 그러나 대부분의 건물은 지붕에 평평한 부분이 형성되어 있지 않다.

따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 건물의 지붕(400)에 하단부(340)를 설치하고 하단부(340)의 상측에 고정부(320)를 설치할 수 있다. 즉, 하단부(340)는 상단부(310)와 이격되어 위치하며, 건물 풍력 발전기의 회전자는 상단부(310)와 하단부(340) 사이에 위치하게 된다. 하단부(340)는 상부면이 평평하게 형성되며, 바람이 유입되는 전단이 상부면을 향해 상승하는 경사면을 구비한다.

건물의 지붕에 하단부(340)의 설치를 용이하게 하기 위해, 도 7에 도시되 바와 같이, 하단부(340)의 하부면에 결합홈(340a, 340b)이 형성될 수 있다. 결합홈(340a, 340b)은 지붕의 형상에 따라 다양한 형상이 될 수 있다.

이와 같이 건물 풍력 발전기용 바람 가이드(300)가 하단부(340)를 구비하면, 지붕의 형상에 관계없이 바람 가이드(300)를 설치가 용이하며 하단부(340)의 전단에 형성된 상승하는 경사면을 조절함으로써 건물 풍력 발전기의 회전자로 유입되는 바람의 유동을 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기를 나타내는 사시도와 정면도이고, 도 9는 회전자가 상단부에 고정된 건물 풍력 발전기는 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 발전기(1000)는 바람 가이드(1100) 및 회전자(1200)를 포함한다. 바람 가이드(1100)는 상단부(1110)와 고정부(1120)를 구비한다. 바람 가이드(1100)는 도 1 내지 도 7에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

회전자(1200)는 바람에 의해 회전하는 부분으로, 상단부(1100)의 하부에 위치한다. 본 실시예에서는 수직축 풍력 발전기를 예로 설명하지만 수평축 풍력 발전기에도 본 발명이 적용 가능하다.

회전자(1200)는 복수개 설치될 수 있다. 이 경우 복수의 회전자(1120)는 복수의 고정부(1120)에 의해 각각 분리되어 위치한다. 이와 같이 복수의 고정부(1120)에 의해 각각의 회전자(1200)가 분리되면 하나의 회전자(1200)가 다른 회전자(1200)의 회전에 따른 유동 교란과 간섭의 영향을 받는 것을 방지할 수 있다.

또한 회전자(1200)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 회전축(1210)의 양 끝단이 지지부(1220)에 의해 바람 가이드(1100)에 고정될 수 있다. 풍력 발전기(1000)의 회전자(1200)가 바람 가이드(1100)에 연결 고정됨으로써 회전자(1200)의 회전에 의한 진동 및 소음이 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한 회전자(1200)가 안정적으로 지지되므로, 내구성이 강해진다.

건물 풍력 발전기용 바람 가이드의 전방부와 후방부의 상승 각도 및 지붕(E또는 하단부) 전단의 경사 변화 따라 건물 풍력 발전기의 회전자로 유입되는 유동 특성을 분석하였다. 이를 위해 상용 CFD코드인 Sc/Tetra를 사용하였다.

해석 형상은, 도 10에 도시된 바와 같이, 바람 가이드의 전방부와 후방부 및 지붕(또는 하단부)만을 설정하였다. 변수는 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 지붕 전단의 경사(C)로 하였다. 해석 형상에 대한 구체적인 제원은 표 1과 같으며, 전방부와 후방부의 폭은 1m로 설정하였다.

Contents	Length(m)
l	3
l_f	2
l_r	1
h_w	1.5
h_r	1

여기서 표 2와 같이 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 하단부 전단의 경사(C)를 변수로 하여 4수준으로 변화시키면 총 81개의 해석 case가 나온다. 81개의 case를 수치 해석을 하기에는 시간과 비용이 오래 걸리므로, 실험계획법중 하나인 다구찌 기법을 사용하여 해석 횟수를 표 3과 같이 16번으로 줄였다.

수준 요소	A(degree)	B(degree)	C(degree)
1	10	10	15
2	20	20	20
3	30	30	25
4	40	40	30

case	A(degree)	B(degree)	C(degree)
1	10	10	15
2	10	20	20
3	10	30	25
4	10	40	30
5	20	10	20
6	20	20	15
7	20	30	30
8	20	40	25
9	30	10	25
10	30	20	30
11	30	30	15
12	30	40	20
13	40	10	30
14	40	20	25
15	40	30	30
16	40	40	15

해석 대상의 유동 특성을 파악하기 위해 1) 해석내부의 공기는 비압축성이며, 2) 중력에 대한 효과는 무시하고, 3) 정상상태를 유지한다고 가정하였다. 검사체적과 경계조건은 도 11에 도시된 바와 같다. 검사체적은 바람 가이드의 크기의 전방부는 10배, 후방부는 20배, 윗부분은 10배로 설정하였다. 경계조건은 표 4에 자세히 기재되어 있다. 여기서 Stationery wall은 실제 벽 조건이 적용되는 wall이고, Free slip wall은 가상의 벽으로 유체의 점성 효과가 나타나지 않는다.

Contents	Boundary condition
inlet	5 m/s
outlet	static pressure (0 pa)
up	Natural inflow/outflow
roof	Stationery wall
Wind guide	Stationery wall
Free slip wall	Free slip wall
Turbulent model	Standard k-ε

격자 생성은 도 12에 도시된 바와 같다. 해석 정확도를 높이기 위해 해석형상 주변에는 프리즘 레이어(prism layer)를 넣었으며, 그 두께는 5 mm로 설정하였다. 또한 해석형상 주변에 격자 밀집도를 향상시켰다. 격자 최대 사이즈는 2 m 이고 최소 사이즈는 0.03 m이다. 격자수는 약 19만개이다.

도 13은 표 3에 기재된 16개의 case에 대한 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 나타내는 도면이다. 유속의 증가량을 바람 가이드의 성능 지수로 정하고 수학식 1로 구한다. 여기서

은 mean velocity이고

은 inlet velocity이다. 이때 유동 분포 평균값은 풍력 발전기의 회전자가 설치될 면적에서 구한다.

설계 인자인 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 지붕 전단의 경사(C)가 유속 증가량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 바람 가이드와 지붕 사이의 유동분포의 평균값을 minitab 14.1에 입력했다. 여기서 SN비를 이용하여 설계인자별 해석영향을 구하였다. 유동분포의 평균값이 높을수록 좋으므로 망대특성으로 분석하였다.

도 14는 표 3에 기재된 16개 case의 해석결과의 SN비를 망대 특성으로 분석한 것을 나타내는 도면이다. 인자별 분석은 전방부의 상승 각도(A)는 3번일 때, 후방부의 상승 각도(B)는 1번일 때, 지붕 전단의 경사(C)는 4번일 때 가장 좋은 결과를 가져올 수 있다는 것을 나타내고 있다. 즉, 전방부의 상승 각도(A)는 30 °, 후방부의 상승 각도(B)는 10 °, 지붕 전단의 경사(C) 30 °일 때이다. 이 경우 해석 case에는 없었지만 case 9번이 가장 비슷한 형상이다. 실제 제작시에는 제작 오차를 고려하여 전방부의 상승 각도(A)는 10~35 °, 후방부의 상승 각도(B)는 5~10 °로 할 수 있다.

도 15는 case 1, case 9, case 12의 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 비교하여 나타내는 도면이다.

case 9는 case 1과 비교 하였을 때 풍력 발전기의 회전자 부분에서 바람의 속도가 더욱 증가 된 것을 확인할 수 있다. 이는 바람 가이드의 전방부의 상승 각도(A)가 증가함에 따라서 유동을 더욱 많이 모아줄 수 있는 구조가 되었기 때문이다.

case 12에서는 풍력 발전기의 회전자 부분에서 유속이 매우 낮아 진 것을 확인할 수 있다. 이는 후방부의 상승 각도(B)가 10 °에서 40°로 증가하여 전방부의 상승 각도(A)의 증가에 의해 모아진 유동이 유지되지 못하고 강풍 영역이 뒤쪽으로 밀려나 나타난 형상으로 보인다.

도 16은 수학식 1로부터 구한 바람 가이드의 성능 지수를 16개의 case에 대해서 나타낸 차트이다. case 9는 1.54, case 13은 1.56으로 좋은 값을 나타내고 있다. 이는 전방부의 상승 각도(A)가 커져서 앞에서 오는 유동을 많이 모아주고 후방부의 상승 각도(B)가 작아져서 앞쪽에서 모아준 유동을 그대로 유지시켜줘서 나타난 결과로 보인다. 따라서 바람 가이드의 성능 지수를 높이기 위해선 바람이 불어오는 쪽의 각도는 높이고 그 뒤쪽의 각도는 낮아야 풍력 발전기가 설치될 곳에서의 유속이 빨라질 것이다.

도 17은 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1로 하고 전방부의 상승 각도의 변화에 따른 유속 증가를 알아보기 위한 해석 형상을 나타내는 도면이고, 도 18은 전방부의 상승 각도를 변화시키는 경우의 유동 분포를 나타내는 도면이다.

해석 형상에 대한 구체적인 제원은 표 5와 같다.

Contents	Length(m)
L	3
L_f	1.5
L_r	1.5
H	1.5
H_r	1.2

전방부의 상승 각도(A) 변화에 따른 유동 분포를 알아보기 위해, 표 6과 같은 조건에서 실험을 하였다.

	A(degree)	B(degree)	C(degree)
(a)	10	10	15
(b)	30	10	15

도 18에 나타난 바와 같이, 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1인 경우 전방부의 상승 각도(A)의 변화에 따른 유동의 변화가 크지 않다. 따라서 전방부의 상승 각도(A)와 후방부의 상승 각도(B)를 동일하게 하여 바람의 변화가 생겨 후방부로 바람이 유입되는 경우에도 동일한 효과가 나타나도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 도 14에서 후방부의 상승 각도(B)가 낮을수록 효과가 좋다는 것을 알 수 있으므로, 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1인 경우 전방부의 상승 각도(A)와 후방부의 상승 각도(B)를 낮은 수치에서 동일하게 하는 것이 바람직하다.

고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위해 도 19에 도시된 바와 같이, 고정부가 없는 경우, 고정부가 사각형 기둥인 경우, 타원형 기둥인 경우로 나누어 실험하였다. 실험에 적용한 경계 조건과 Mesh 정보는 도 20과 도 21에 도시된 바와 같다.

수치해석 결과는 도 22와 도 23에 나타나 있다. 도 22와 도 23에서 알 수 있는 바와 같이, 고정부가 사각형 기둥인 경우에는 고정부가 없는 경우보다 바람의 평균 속도가 느려진다. 따라서 고정부로 인해 풍력 발전기의 발전 효율이 낮아지는 문제가 있다. 그러나 고정부를 타원형 기둥으로 하는 경우에는 고정부가 없는 경우보다 바람의 평균 속도가 빨라진다. 따라서 고정부를 설치함으로써 오히려 풍력 발전기의 발전 효율이 높아지게 된다.

이를 성능 지수로 비교하면 도 24에 도시된 바와 같다. 성능 지수는 수학식 1에서 정의한 바와 같다. 고정부가 없는 경우의 성능 지수는 1.47, 고정부가 사각형 기둥인 경우의 성능 지수는 1.28, 고정부가 타원형 기둥인 경우의 성능 지수는 1.58이다. 고정부가 사각형 기둥인 경우는 고정부가 없는 경우보다 성능 지수가 12.92%감소하였고, 고정부가 타원형 기둥인 경우는 고정부가 없는 경우보다 성능 지수가 7.48% 증가하였다.

이와 같은 실험을 통해 고정부의 형상에 따라 발전 효율이 달라질 수 있으며, 고정부의 형상은 사각형 기둥보다는 타원형 기둥인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100, 300 : 바람 가이드 110, 310 : 상단부
111 : 전방부 112 : 후방부
120. 320 : 고정부 130 : 중심축
200, 400 : 지붕 340 : 하단부
340a, 340b : 결합홈 1000 : 건물 풍력 발전기
1100 : 바람 가이드 1110 : 상단부
1120 : 고정부 1200 : 회전자
1210 : 회전축 1220 : 지지부

Claims (10)

1. 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 일단이 접하여 결합된 전방부 및 후방부를 구비하는 상단부와,
   상기 상단부를 건물에 지지 고정하는 고정부와,
   상기 전방부와 후방부의 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있는 조절 구동부를 포함하며,
   바람의 진행 방향에 따른 상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율에 따라 상기 전방부 및 후방부의 상승 각도가 조절되는 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정부는 단면이 타원형인 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 2:1인 경우,
   상기 전방부의 상승 각도는 25~35°이며, 상기 후방부의 상승 각도는 5~10°인 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 1:1인 경우,
   상기 전방부의 상승 각도와 상기 후방부의 상승 각도를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상부면이 평평하게 형성되며 바람이 유입되는 전단이 상기 상부면을 향해 상승하는 경사면을 구비하고, 상기 상단부와 이격되어 상기 회전자 하부에 위치하여 상기 건물에 부착되는 하단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
7. 제6항에 있어서,
   상기 하단부의 하부면에는 상기 건물에 부착이 용이하도록 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 바람 가이드.
8. 제1항 또는 제3항에 기재된 바람 가이드; 및
   상기 상단부의 하부에 위치하는 회전자;를 포함하는 건물 풍력 발전기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 회전자는 복수이며,
   상기 복수의 회전자는 복수의 고정부에 의해 각각 분리되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 발전기.
10. 제8항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 바람 가이드에 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 발전기.

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