KR101637214B1

KR101637214B1 - 자유대류 발전타워

Info

Publication number: KR101637214B1
Application number: KR1020150061422A
Authority: KR
Inventors: 전봉한
Original assignee: 전봉한
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-07-25
Also published as: WO2015167281A1; KR20150125900A

Abstract

본 발명은 대기에 흡수된 태양에너지로 태풍과 토네이도와 같은 강력한 상승기류를 일으켜 풍력발전터빈을 돌려 전력을 생산하는 방법으로서, 더욱 상세하게는 자유대류가 끊임없이 일어나는 적도지방의 높은 언덕(자유대류고도보다 조금 높은 고지)에 굴뚝효과를 하는 타워를 세워 강력한 상승기류를 발생시키므로 풍력발전터빈을 돌려 전력을 생산하는 기상학적 방법과 그 수단인 풍력발전터빈을 포함한 타워구조의 설계를 제시하는 자유대류 발전타워에 관한 것이다.
'기술적 과제'를 순서대로 나열해보면,
(1) 타워의 굴뚝효과를 더 높이면서도 타워의 높이(길이)룰 줄이는 방법,
(2) 타워 속의 상승기류의 흐름을 원활하게 하는 방법,
(3) 수 km의 높은 타워가 넘어지거나 무너지지 않게 설계하는 방법,
(4) 타워 속의 상승기류를 제어하는 방법(시동 또는 정지) 등이다.

Description

자유대류 발전타워{Free Convection Power Tower}

본 발명은 대기에 흡수된 태양에너지로 태풍 또는 토네이도와 같은 강력한 상승기류를 일으켜 풍력발전터빈을 돌려 전력을 생산하는 자유대류 발전타워(Free Convection Power Tower)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자유대류가 끊임없이 일어나는 적도지방의 고지에 굴뚝효과를 하는 타워를 세워 강력한 상승기류를 발생시키므로 풍력발전터빈을 돌려 전력을 생산하는 기상학적 방법과 그 수단인 타워구조의 설계를 제시하는 자유대류 발전타워(이후부터는 간단히 '타워'라 부르기도 할 것이다.)에 관한 것이다.

지구가 1년간 받는 태양에너지(5,200Q, 여기서 1Q=10²¹J)는 인류가 1년간 사용한 에너지(한국에너지경제연구원의 2013년도 에너지통계연보에 의하면 인류가 1년간 사용한 1차 에너지는 12,476.6백만TOE 즉, 0.52Q)의 1만 배에 달하지만, 아직까지 우리 인류는 태양에너지를 효과적으로 이용하지 못하고 있다. 즉, 태양광발전과 태양열발전은 직접 햇빛에 의존하므로 밤에는 물론, 비오는 날 또는 구름이 낀 날에는 가동이 불가능하고, 또 지구가 받는 태양에너지는 넓게 퍼져있어 그 에너지 밀도가 낮아 대용량의 전력을 생산하려면 막대한 부지 면적이 필요한 단점이 있다.

그리고 자연바람에 의한 풍력발전은 풍속이 일정치 않고 미약하여 경제성이 낮은 단점이 있다.

본 발명자는 이와 같은 기존의 단점들을 극복할 수 있는 새로운 태양에너지 회수 방법을 찾던 중, 가공할 위력을 떨치는 태풍과 토네이도에 주목하여 그 에너지 체계를 관찰하게 되었다.

즉, 태풍이나 토네이도가 발생하려면 '대기의 3대 조건'이 충족되어야 한다는 공통점이 있다.

첫째, 태풍의 에너지원인 수증기가 공기 중에 풍부하여야 하고,

둘째, 대기가 불안정하여야 하고,

셋째, 공기의 소용돌이를 만들어주는 전향력이 충분히 작용하여야 한다.

본 발명자는 적도지방의 이러한 대기의 조건을 이용하여 태풍 또는 토네이도와 같은 강력한 상승기류를 생성시켜 풍력발전터빈을 돌려 전력을 생산하는 시스템을 구상하였다. 이러한 구상은 1982년도 미국 마이애미대학 대체에너지연구소에서 개최한 제 4차 대체에너지 마이애미 국제회의에 발표되었다. (Bonghan Jhun, Conversion of Latent Heat of Water Vapor in the Equatorial Sea-Surface Air into Electrical Power by Adiabatic Expansion, Alternative Energy Sources, Vol. 4, No. 4, pp. 65~71, 1982)에 발표되었다.

또한, 계속적인 업그레이드로, 2007년에 국내특허 취득.

(발명의 명칭: 태풍타워 구조, 특허 제10-0736557호)

그러나 이 논문에는 수 km에 달할 수 있는 타워의 구조에 관해서는 구체적인 언급은 없었다. 그 문제는 그 분야의 몫으로 남겨놓았던 것이다. 그런데 본 구상이 발표된 후 30여 년이 지나도록 해답은 나오지 않았다. 그 원인은 본 타워를 보통의 굴뚝과 같이 생각하는 데 있다.

보통의 굴뚝은 내부가 텅 비어 있고, 높이에 비해서 폭의 너비가 훨씬 좁다. 현실적으로 이러한 개념의 수 Km의 높은 타워를 설치하는 것은 거의 불가능하다.

그동안 본 발명이 이용되지 못했던 첫째 원인은 수 km의 높은 타워를 넘어지거나 무너지지 않게 설치하는 문제가 해결되지 않았기 때문이다. 둘째 원인은 의외로, 대기현상의 이론적 지식과 상상력 부족으로 본 발명의 중요성을 깨닫지 못하기 때문이라 생각된다. 따라서 본 발명에서는 대기현상의 이론을 상세하게 설명할 것이다.

본 발명자는 본 발명을 실용화 수준으로 높이기 위해 대기현상을 깊이 있게 분석하고, 건축과 토목 구조역학의 연구를 통해 다음의 기술적 과제를 해결하였다.

'기술적 과제'를 순서대로 나열해보면,

(1) 타워의 굴뚝효과를 더 높이면서도 타워의 높이(길이)를 줄이는 기상학적 방법.

(2) 타워 속의 상승기류의 흐름을 원활하게 하는 방법.

(3) 타워 속의 상승기류를 제어하는 방법(시동 또는 정지).

(4) 수 km의 높은 타워가 넘어지거나 무너지지 않게 설계하는 여러 가지 방법.

이상의 방법을 해결하여 강력한 상승기류를 발생시켜 대용량의 전력을 생산 할 수 있는 자유대류 발전타워의 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 태양에너지 회수방법의 새로운 분야를 개척한 독창적 구상이므로, 본 발명의 전체적 흐름을 논리적으로 알기 쉽게 설명한 후, 간추려 '기술적 해결방법'을 명료하게 기재할 것이다.

1. 대기현상의 고찰

1.1 태양에너지의 보고 적도지방

(1) 대기의 대순환

저위도 지방인 적도지방은 고위도 지방인 극지방보다 태양에너지를 더 많이 받으므로, 연간을 통해서 보면 대략 위도 38°보다 저위도지방은 지구가 흡수하는 열량이 지구가 밖으로 방출하는 열량보다 많기 때문에 열 과잉현상이 일어나고, 위도 38°보다 고위도 지방은 반대 현상이 일어나 열 부족현상이 일어난다. 따라서 지구는 이와 같은 열에너지의 불균형을 해소하기위해, 저위도지방의 과잉 열에너지를 도 1에 도시된 바와 같이 대기와 해수의 순환에 의해서 고위도지방으로 이동시킨다. 본 발명에서는 대기의 대순환에 주목할 것이다.

(2) 열대지방의 대기현상

지구면적의 약 50%를 차지하는 열대지방(30°N~30°S)의 망망대해에서 태양열에 의해 만들어진 고온다습한 공기가 대기의 대순환의 일종인 무역풍(북동무역풍과 남동무역풍)을 타고 적도를 향해 도 1에 도시된 바와 같이 끊임없이 몰려와 쌓여(미쳐 상공으로 빠져나가지 못해) 바람이 거의 불지 않는 적도 무풍지대(doldrums)가 생긴다.

(3) 적도지방의 대기현상

적도지방(5°N~5°S, 1°=110km)의 바다는 태양의 직사광선을 많이 받으므로 수분의 증발량이 많아 고온다습하여 대기는 항상 조건부불안정상태가 심화되어 있다. 따라서 (때때로 30m/s 또는 그 이상의 속도로 적운 또는 적란운이 하늘 높이 솟아올라) 거의 매일 오후에 강한 소나기를 동반한 스콜(squall)이 나타난다.

이와 같이 적도지방은 열대지방의 망망대해에서 생산된 수증기가 끊임없이 몰려와 쌓인 에너지의 보고이지만 태풍, 토네이도 등은 발생하지 못한다. 왜냐하면 적도부근(5°N~5°S)은 전향력(전향력의 크기 f =2mvωsinφ, 여기서 m은 운동하는 물체의 질량, v는 속도, ω는 지구의 자전 각속도, φ는 위도)이 약하기 때문이다. 본 발명자는 처음엔 적도를 조금 벗어난 큰 섬에 날개달린 회전체를 설치하여 전향력을 보충해주어 태풍을 생성시키는 상상을 하며 에너지 수지(收支)관계로 고심하던 중, 소용돌이 공기기둥은 더운 공기를 위로 빨아올리는 굴뚝의 역할을 한다는 것을 간파하고, 이곳에 굴뚝을 세워주면 강력한 상승기류를 발생시킬 수 있겠다는 결정적 아이디어를 얻게 되었다.

1.2 상승공기의 온도변화

(1) 기온감률

대류권에서 대기의 온도는 고도가 100m 높아질 때마다 보통 0.6℃ 정도씩 낮아진다. 이것을 기온감률(lapse late of temperature)이라 한다.

(2) 상승공기의 온도변화

정지 상태에 놓인 대기 중의 어떤 공기덩이(air parcel)가 조금 위로 들어 올려 졌을 때 그 공기덩이가 주위의 공기와 혼합하지 않고(얇은 풍선속의 공기와 같이) 상승한다고 가정할 때 온도변화를 살펴보면, 대기압은 위로 올라갈수록 낮아지므로 공기덩이가 상승하면 부피가 팽창하게 된다. 이때 공기덩이는 외부의 압력에 대항하여 일을 하게 되므로 온도가 낮아지게 된다. 이것을 단열냉각이라 하고 이때의 온도감률을 단열감률이라 하는데, 그 값은 공기덩이가 건조공기(불포화공기)냐 포화공기냐에 따라 다르다. 보통 건조공기가 상승할 때는 약 1℃/100m의 비율로 온도가 낮아진다. 이것을 건조단열감률(dry adiabatic lapse rate)이라고 한다.

이 불포화공기가 계속 상승하면 건조단열감률로 냉각되어가다가 어느 고도에 이르면 포화상태에 달하여 응결이 시작된다. 이때의 고도를 응결고도(condensation level)라고 한다. 이후부터는 이 상승공기덩이가 포화상태가 되어 수증기의 응결이 일어나 잠열이 방출되기 때문에 온도가 약 0.5℃/100m의 비율로 낮아진다. 이경우의 온도감률을 습윤단열감률(moist adiabatic lapse rate)이라고 한다.

그런데 습윤공기가 함유할 수 있는 수증기의 양은 온도가 높을수록 많아진다. 따라서 습윤단열감률은 온도가 높을수록 잠열이 많이 방출되기 때문에 온도감률은 낮아지고, 반대로 온도가 낮아지면 잠열의 방출이 적기 때문에 온도감률이 높아져 건조단열감률에 가까워진다.

도 2에 도시된 바와 같이 상승공기덩이의 고도에 따른 온도변화 곡선은 그것을 잘 나타내 주고 있다. 즉, 온도가 높은 대기하층 부분의 고도B와 고도C사이에서는 습윤단열감률이 매우 낮고, 온도가 낮은 대기상층의 고도D쪽으로 올라갈수록 습윤단열감률이 매우 높아져 건조단열감률에 가까워지고 있음을 알 수 있다.

(3) 불안정상태와 불안정에너지

대기 중의 어떤 공기덩이를 수직방향으로 조금 상승시켜 주었을 때, 그 공기덩이의 단열감률이 주위의 기온감률보다 낮으면 그 공기덩이의 온도가 주위 기온보다 높아지게 되어 그 공기덩이는 부력을 받아 스스로 상승하게 되는데 이런 공기덩이의 상승운동에너지를 불안정에너지(instability energy)라고 하며, 이런 대기를 불안정상태에 있다고 한다. 즉,

불안정: 기온감률>단열감류

(4) 절대불안정과 조건부불안정

대기가 포화, 불포화에 관계없이 불안정이면 절대불안정이라 하고, 기층의 기온감률이 건조단열감률보다 작고 습윤단열감률보다 큰 상태를 조건부불안정이라고 한다. 즉,

절대불안정: 기온감률>건조단열감률>습윤단열감률

조건부불안정: 건조단열감률>기온감률>습윤단열감률

1.3 자유대류고도

도 2는 어느 지역의 대기가 조건부불안정상태에 있을 때 상승하는 공기덩이의 고도에 따른 온도변화를 나타낸 그래프라 가정하고, 도 2의 그래프와 같이 상승하는 공기덩이가 얻게 되는 운동에너지(불안정에너지)를 생각해보자.

대기하층 A에 있던 불포화 공기덩이가 어떤 외부의 힘을 받아 건조 단열적으로 상승하여 응결고도B에 도달하면 여기서부터는 습윤 단열적으로 상승하므로 잠열이 방출되어 주위 공기 온도와 같아지는 고도C에 도달하게 된다. 그리고 이후에는 이 공기덩이가 주위 공기온도보다 높아져 부력을 받으므로 외부의 힘없이도 스스로 상승운동을 하는데 이 고도C를 자유대류고도(level of free convection)라고 한다.

그리고 이 공기덩이가 계속 상승하면 수증기의 감소로 어느 고도D에서 주위 공기온도와 같아지게 되면 부력이 없어져 상승을 멈춘다. 이 고도D를 평형고도(equilibrium level)라고 한다. 도 2에서 면적 S ₁ 은 정(+)의 불안정에너지, S ₂ 는 부(-)의 불안정에너지를 나타내며, 그 면적의 크기는 공기덩이의 운동에너지 증가에 비례한다. 도 2에서 대기의 기온감률곡선을 직선으로 나타낸 것은 이해를 쉽게하기 위해서이므로 양해를 구한다.

본 발명자는 상기와 같은 대기현상의 고찰을 통해, 고온다습한 공기가 풍부한 적도지방의 높은 언덕(자유대류고도)에 굴뚝의 역할을 하는 높은 타워를 세우면 강력한 상승기류를 끊임없이 발생시킬 수 있겠다는 확신을 가지고 대기현상을 더욱 깊이 분석 하여 타워의 높이(길이)를 최대로 낮추도록 노력하였으며, 본 발명의 실용화 달성을 위해 초 고공 타워구조 연구에 적극적으로 매달렸다.

2. 초 고공 타워구조 연구

이제 높은 타워를 통해 강력한 상승기류를 끊임없이 발생시키는 방법과 대기현상에 따른 맞춤형 타워구조의 설계를 생각해보기로 한다.

2.1 타워를 설치할 장소의 고도

대기가 조건부 불안정상태에 있을 때, 상승기류를 중단 없이 발생시켜 대기의 불안정에너지 전체(S ₁ 부분)를 회수하기위해서는, 타워를 자유대류고도만큼 높은 지대에 설치하고, 타워의 높이는 평형고도까지 높이는 것이 가장 이상적이다. 그러나 그렇게 높은 타워(자유대류고도로부터 8km 정도)를 세우는 것은 어려움이 따를 것이다. 따라서 자유대류고도C와 평형고도D 구간사이에서 불안정상태가 탁월한 중간 부분 즉, 고도C보다 조금 높고 고도D보다 조금 낮은 구간 내에 타워를 설치하면 타워의 길이를 줄이면서도 필요한 강력한 상승기류를 중단 없이 발생시킬 수 있을 것이다,

만약, 타워를 자유대류고도보다 낮은 지역에 설치하면 자유대류고도 아래 구간 내에서는 주위의 대기 온도보다 찬 무거운 공기가 발생하여 상승기류의 속도가 감소되고 타워의 길이도 길어져 이중의 손해를 본다는 것을 유념해야 할 것이다

2.2 타워의 구조

강력한 상승기류를 발생시키기 위해서는 수 km에 달할 수 있는 타워가 넘어지거나 벽이 무너지지 않게 설치하는 방법을 생각해보자.

(1) 타워가 넘어지거나 벽이 무너지지 않게 하는 방법:

첫째, 타워가 넘어지지 않게 하기위해서는 도 3에 도시된 바와 같이 높이에 대비(對比)해서 폭의 넓이를 충분히 크게 설정하면 될 것이다.

둘째, 벽이 무너지지 않게 하기위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 타워의 내부 공간에 고층 아파트의 철골구조와 같이 견고한 철골구조를 설치한 후, 여기에 알루미늄보다 가볍고 철보다 탄성과 강도가 뛰어난 탄소섬유 강화 플라스틱 같은 재질을 골판지와 같이 만들어 도 3에 도시된 바와 같이 철골구조를 둘러싸 부착시키면 가볍고 탄탄한 벽이 형성되어 무너질 염려는 없을 것이다.

(2) 타워 내부 중심부에 원뿔기둥이 설치되는 이유:

대기압은 상층으로 올라갈수록 낮아져 상승하는 공기는 팽창하게 된다. 따라서 타워 내부의 상승기류의 흐름을 원활하게 하려면 상승공기의 팽창에 비례해서 상층으로 올라갈수록 타워 내부의 너비를 나팔꽃처럼 넓혀 주어야하는데, 그러면 타워의 안정성에 문제가 생길 것이다. 이를 해소하기위해 도 5에 도시된 바와 같이 타워의 밑바닥 중앙에 타워의 높이와 같은 높이의 원뿔기둥(5)을 설치하면 타워의 내부공간은 상층으로 올라갈수록 넓어지고 타워의 안정성도 강화되므로 일석이조의 효과를 볼 수 있을 것이다.

(3) 풍력발전터빈(1) 설치 위치:

타워 속으로 빨려 들어가는 풍력으로 전력을 생산하기위서는 타워 아랫부분의 벽을 조금 넓혀, 그 벽(6)의 둘레에 도 3에 도시된 바와 같이 풍력발전터빈(1)을 설치하면 될 것이다.

(4) 상승기류의 제어방법:

타워 속에서 초기에 상승기류가 유발(시동)되기 위해서는, 타워 밑바닥 지하로 파이프라인(미 도시)을 설치하여 외부와 연결시킨 다음, 가스버너 등으로 외부의 공기를 가열하여 더운 공기를 주입시켜 강제로 상승기류를 일으켜 주어야한다. 일단 상승기류가 유발되면 밖의 고온다습한 공기가 유입되어 수증기의 잠열이 방출되면서 공기는 부력을 얻어 스스로 상승기류가 일어나므로 더 이상 가열공기를 주입시킬 필요가 없다. 반대로 유사시(고장, 보수 등) 상승기류를 정지시키려면 파이프라인을 통해 소화기의 냉매 등을 주입시켜 공기를 냉각시키면 될 것이다.

(5) 벌집형 타워:

도 6은 단면이 정육각형인 폭이 좁은 단위 타워가 여러 개 결합된 벌집형 타워를 나타낸 것으로서, 높이에 대비해서 폭이 매우 넓어지므로 벌집형 타워는 넘어질 염려는 없다 그리고 벌집구조는 구조 역학적으로 안정성이 매우 뛰어난 장점을 가지고 있어 타워가 무너질 염려도 없다. 여기서 단위 타워의 벽은 탄소섬유 강화플라스틱 같은 재질을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 단위 타워의 내부에 철골구조 설치 여부는 단위 타워의 폭이 좁으면 설치할 필요가 없을 것이고, 폭이 넓으면 설치하는 것이 바람직 할 것이다.

(6) 전기에너지 수송 방법:

적도지방에서 생산된 전기에너지 수송 방법으로서, 적도에서 가까운 지역은 직접 송전선을 통해 공급될 것이고, 먼 지역은 물을 전기분해하여 수소를 천연가스와 같이 운반하면 될 것이다. 이상의 설명에서 간추려 '기술적 해결방법'을 순서대로 기재할 것이다.

1) 타워의 굴뚝효과를 높이면서도 타워의 높이(길이)를 줄이기 위해서는, 자유대류고도C와 평형고도D 구간사이에서 불안정상태가 탁월한 중간 부분 즉, 고도C보다 조금 높고, 고도D보다 조금 낮은 구간 내에 타워를 설치하면 타워의 길이를 줄이면서도 필요한 강력한 상승기류를 중단 없이 발생시킬 수 있을 것이다,

2) 타워 속의 상승기류의 흐름을 원활하게 하기위해서는, 대기압은 상층으로 올라갈수록 낮아져 상승하는 공기는 팽창하게 된다. 따라서 타워 내부의 상승기류의 흐름을 원활하게 하려면 상승공기의 팽창에 비례해서 상층으로 올라갈수록 타워 내부의 너비를 나팔꽃처럼 넓혀 주어야하는데, 그러면 타워의 안정성에 문제가 생길 것이다. 이를 해소하기위해 도 5에 도시된 바와 같이 타워의 밑바닥 중앙에 타워의 높이와 같은 원뿔기둥(5)을 설치하면 타워의 내부공간은 상층으로 올라갈수록 넓어지고 타워의 안정성도 강화되므로 일석이조의 효과를 볼 수 있을 것이다

3) 타워 속의 상승기류를 제어(유발 또는 정지)하기 위해서는, 즉, 초기에 상승기류가 유발(시동)되기 우해서는, 타워 밑바닥 지하로 파이프라인을 설치하여 외부와 연결시킨 다음 가스버너 등으로 외부의 공기를 가열하여 더운 공기를 주입시켜 강제로 상승기류를 일으켜 주어야한다. 일단 상승기류가 유발되면 밖의 고온 다습한 공기가 유입되어 수증기의 잠열이 방출되면서 공기는 부력을 얻어 스스로 상승기류가 일어나므로 더 이상 가열공기를 주입시킬 필요가 없다. 반대로 유사시(고장, 보수 등) 상승기류를 정지시키려면 파이프라인을 통해 소화기의 냉매 등을 주입시켜 공기를 냉각시키면 될 것이다.

4) 수 km의 높은 타워가 넘어지거나 무너지지 않게 하기위해서는,

첫째, 타워가 넘어지지 않게 하기위해서는, 도 3에 도시된 바와 같이 높이에 대비(對比)해서 폭의 넓이를 충분히 크게 설정하면 될 것이다.

셋째, 도 6은 단면이 정육각형인 폭이 좁은 단위 타워가 여러 개 결합된 벌집형 타워를 나타낸 것으로서, 높이에 대비해서 폭이 매우 넓어지므로 벌집형 타워는 넘어질 염려는 없다 그리고 벌집구조는 구조 역학적으로 안정성이 매우 뛰어난 장점을 가지고 있어 타워가 무너질 염려도 없다. 여기서 단위 타워의 벽은 탄소섬유 강화 플라스틱 같은 재질을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 단위 타워의 내부에 철골구조 설치 여부는 단위 타워의 폭이 좁으면 설치할 필요가 없을 것이고, 폭이 넓으면 설치하는 것이 바람직할 것이다.

(1) 본 발명에 따르면, 대기에 흡수된 태양에너지로 강력한 상승기류를 일으켜 풍력발전터빈을 통해 밤낮에 관계없이 그리고 일 년 내내 중단 없이 대용량의 전력을 생산할 수 있는 자유대류 발전타워가 제공된다.

(2) 본 발명에 따르면, 타워를 설치할 장소의 고도에 따라 타워의 높이(길이)를 줄이면서도 강력한 상승기류를 끊임없이 발생시킬 수 있는 자유대류 발전타워가 제공된다.

(3) 본 발명에 따르면, 대기현상에 따른 맞춤형 타워의 구조, 또는 벌집형 타워 구조는 넘어지거나 무너지지 않은 견고한 자유대류 발전타워를 제공한다.

도 1은 대기 대순환의 모델.
도 2는 대기의 조건부불안정상태에서 상승하는 공기덩이의 높이에 따른 온도변화 그래프
도 3은 자유대류 발전타워(간단히 '타워'라 부르기도 할 것이다.)의 사시도.
도 4는 자유대류 발전타워 내부 철골구조의 사시도.
도 5는 자유대류 발전타워 내부 중앙에 원뿔기둥을 포함한 철골구조의 사시도.
도 6은 벌집형 타워의 사시도.
도 7은 벌집형 자유대류 발전타워의 철골구조의 사시도.
도 8은 원통형 타워 내부의 중앙에 원뿔기둥만 설치된 타워의 사시도.
도 9는 자유대류 발전타워의 시뮬레이션.

자유대류 발전타워를 실제로 설치할 때는 그 지역의 기상변화를 1년간에 걸쳐 관측하고 분석하여 중단 없이 강력한 상승기류를 일으키기 위해 자유대류고도의 변화와 필요한 상승기류의 속도에 대응하는 타워의 높이(길이)를 산출해야할 것이다.

본 발명자는 오랜 연구과정에서 얻은 상상력에 의존하여 시뮬레이션(도 9)을 만들어 분석하고자한다.

적도지방(5°N~5°S)의 대기는 매우 고온다습하고 불안정하므로, 자유대류고도가 2km를 넘지 않을 것으로 보고, 평형고도는 토네이도의 모체인 적란운의 높이(10km)에 달할 것으로 예상되므로 타워를 자유대류고도로부터 8km까지 높이면 타워는 토네이도이상의 강력한 상승기류(100m/s 이상)를 일으켜 대기의 불안정에너지를 최대로 회수할 수 있다고 본다. 따라서 그 높이의 절반수준 즉, 길이가 4km정도의 타워를 설치하면 평균 60m/s의 상승기류는 쉽게 발생시킬 수 있다고 본다. 왜냐하면 그 구간은 불안정상태가 탁월하기 때문이다. 그리고 설명을 쉽게 하기위해 타워구조를 도 8에 도신한 바와 같이 중앙에 원뿔기둥만 설치된 높이가 4km이고 반지름이 1.5km인 원통형로 나타내었다. 이제 이 타워가 생산할 수 있는 전력용량을 산출하고 분석하고자한다.

(1) 원뿔기둥의 반지를(r):

도 8에서 타워 상단의 배출구 폭의 넓이와 그 위치의 대기의 밀도를 각각 S ₂ , q ₂ 그리고 타워 하단의 흡입구 폭의 넓이와 그 위치의 대기의 밀도를 각각 S ₁ , q ₁ 이라하고, 타워의 폭의 반지름을 R, 상승기류의 속도를 V라고하면, 원뿔기둥의 반지름r은 다음과 같이 구해진다. 단위는 MKS를 사용한다.

타워 흡입구로 단위시간에 들어오는 공기의 질량과 배출구 밖으로 나가는 질량은 같으므로 다음 식(1)이 성립한다.

S ₁ q ₁ V=S ₂ q ₂ V.....(1)

식(1)에서 S ₁ 에 대하여 정리하면,

S ₁ =S ₂ q ₂ /q ₁ .....(2)

이고, 넓이S ₁ 은 타워 단면의 넓이에서 원뿔기둥의 밑면의 넓이를 뺀 것과 같으므로,

S ₁ =πR ² -πr ² .....(3)

이다. 식(3)을 r에 대하여 정리하면,

r=(R ² -S ₁ /π) ^1/2 .....(4)

이 된다.

이제 식(2)에 S ₂ 의 값(πR ² =3.14×1500 ² )과 고도에 따른 표준 대기의 밀도의 값(q ₁₌ 1.0065, q ₂ =0.6597)을 대입하여 S ₁ 을 구하여 식(4)에 대입하면, 원뿔기둥의 반지름은 약 880m 이다.

(2) 타워가 생산하는 풍력에너지(P)

풍력에너지 공식,

P=qSV ³ /2.....(5)

여기에서 q는 공기의 밀도, S는 공기가 통과하는 단면의 넓이, V는 풍속이다. 그리고 위의 식(1)에서 S ₁ q ₁ =S ₂ q ₂ 이므로 풍력에너지는 타워의 흡입구 또는 배출구 어느 쪽의 값을 대입하여도 같다. 따라서 편의상 배출구 쪽의 값을 대입하여 구해보면,

식(5)에 고도 6km에서의 대기의 밀도의 값(0.6597)과 S의 값(π×1500 ² ) 그리고 V의 값(60)을 대입하면,

P=qSV ³ /2=0.6597×(π×1500 ² )×60 ³ /2≒5×10 ¹¹ (W)

가 된다.

(3) 자유대류 발전타워가 생산하는 전력용량(P_W)

풍력발전터빈(1)의 효율을 35%로 보고, 또 타워 내부의 원뿔기둥을 제외한 철골구조의 기둥들이 차지하는 공간을 2% 정도로 보았을 때, 위에서 구한 풍력에너지로 전력을 생산한 전력용량(P_W)은,

P_W =0.35×0.98×P=0.35×0,98×(5×10 ¹¹ )=1,715×10 ¹¹ (W)≒1.7억(Kw)

로, 한국의 전력용량의 약 2 배 정도, 또는 100만Kw급 원전 170기에 해당 한다.

2013년 11월 8일에 필리핀을 강타한 슈퍼태풍 하이엔(haiyan)의 위력은 미국자료에 의하면 순간최대 풍속은 105m/s이고 중심기압은 870hP _a 정도였다고 한다. 여기서 대기압(1013hP _a )과 중심기압(870hP _a )의 기압차는 143hP _a 이 된다. 굴뚝 속에서 공기가 이정도의 부력을 받는다면 이론적으로 상승기류의 속도는 154m/s가 된다. 따라서 적도지방의 불안정상태가 탁월한 지역에 타워의 넓이의 반지름이 2.5Km이고, 높이(길이)가 8Km인 타워를 세울 수 있다면, 이보다 더 큰 상승기류의 풍속을 얻을 수 있다고 예측된다. 이제 타워가 154m/s의 상승기류를 얻을 수 있다고 가정하고 전력용량을 앞에서의 계산방법으로 구해보면, 80.55억Kw가 된다. 다시 말하면, 100만Kw급 원전 8천기에 해당한다. 그리고 화석에너지를 동력화 하는 효율은 30% 내외이지만 전기에너지를 동력화 하는 효율은 90% 이상인 고급 2 차 에너지이므로, 80.55억kw의 전기에너지는 전 인류가 사용하는 전체 에너지를 충분히 충족시킬 수 있을 것이다.

(4) 원자력발전소로 대체할 때 건설비:

원전 170기와 8천기를 건설할 때 소요되는 비용을 계산해보기로 한다.

100만Kw급 원전 1기를 건설하는 데 소요되는 비용을 30억$로 보고 계산하면,

첫째, 원전 170기의 건설비: 30억$×170=5,100억$

둘째, 원전 8천기의 건설비: 30억$×8,000=24조$

의 비용이 든다.

본 자유대류 발전타워의 건설비를 절감하기위해 타워의 벽의 아랫부분은 저렴한 철판을 사용하고, 윗부분만 가벼운 탄소섬유 강화 플라스틱 등을 사용하며, 원뿔기둥(5)의 아랫부분은 철근콘크리트로 시공하고 윗부분은 내부를 철골구조물로 채운 다음 겉을 철판으로 덮으면 타워의 무게중심이 아래쪽에 생기어, 타워의 안정성도 강화되고 건설비도 절감되어, 본 타워를 원전건설비의 '수(10~100)분의 일'로도 건설할 수 있을 것이다.

또한 본 타워구조는 오랜 연구 끝에 매우 simple하게 다듬어져, 건설비 절감과 현장 건설작업에도 크게 기여하게 될 것이다.

바라건대 본 발명이 인류의 에너지 해결과 병들어가는 지구를 살려, 만물이 생동하는 쾌적한 환경과 풍요로운 지상낙원의 꿈이 실현되기를 기원한다.

화석에너지와 원자력에너지 사용으로 병들어가는 지구를 살리기 위해 무한정하고 깨끗한 태양에너지 개발이 시급한 시점에서, 본 자유대류 발전타워의 탄생은 인류의 구세주 같은 존재가 될 것이다.

: 1 풍력발전터빈 2 : 타워의 벽
3 ： 타워 내부 철골구조의 각층의 단면 4 ： 벌집형 타워의 단위 타워
5 ： 원뿔기둥 6 : 풍력발전터빈을 설치할 벽둘레

Claims

자유대류가 일어나는 곳에 타워(굴뚝)를 세워 열대지방 대기의 풍부한 수증기의 잠열의 에너지를 공기의 운동에너지(상승기류)로 변환하여 굴뚝효과로 속도를 가속시켜 풍력발전터빈(1)을 통해 전력을 생산하는 자유대류 발전타워에 있어서,
상기 자유대류 발전타워는 자유대류가 끊임없이 왕성하게 일어나는 적도지방의 높은 언덕(자유대류고도)으로부터 평형고도를 넘지않는 범위 내에서 높게 설치되고,
상기 자유대류 발전타워를 형성하는 구조는 굴뚝역할을 하는 타워와 그 아래 벽(6) 둘레를 따라 뚫린 벽 구멍에 풍력발전터빈(1)이 설치되고,
상기 자유대류 발전타워 내부에는 타워를 지지하는 철골구조와 중심부에 원뿔기둥(5)이 설치되고,
상기 자유대류 발전타워 밑바닥에는 지하를 통해 파이프라인이 외부로 연결되어있는 자유대류 발전타워.
제 1항에 있어서,
원뿔기둥(5)의 높이는 자유대류 발전타워의 높이와 같게 그리고 밑면의 넓이는 팽창하며 상승하는 공기(상승기류)의 속도가 일정하게 유지되도록 산출된 자유대류 발전타워.
제 1항에 있어서,
단면이 정육각형인 단위 굴뚝(4)이 여러 개 결합된 벌집형 타워로 된 자유대류 발전타워.
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
타워 내부의 상승기류를 유발(시동)시키거나 정지시키기 위해 타워 밑바닥 지하를 통해 파이프라인을 외부로 연결되게 하여 외부에서 가열공기나 냉매를 주입시킬 수 있는 자유대류 발전타워.
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