KR20090115469A - 건물 일체형 풍력발전장치 및 풍력발전장치를 구비한 건물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건물의 상층부에 형성된 통공에 설치되는 건물 일체형 풍력발전장치와 이러한 풍력발전장치를 구비한 건물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 건물 일체형 풍력발전장치는 건물의 외벽에 형성된 통공에 설치되는 블레이드와, 상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함한다.

본 발명에 따른 건물 외벽에 통공이 형성되어 있고, 상기 통공에는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치가 설치되며, 상기 풍력발전장치는 블레이드 및 상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함한다.

건물, 풍력발전장치, 통공, 최대출력점제어

Description

건물 일체형 풍력발전장치 및 풍력발전장치를 구비한 건물{Wind power apparatus integrated in building and Building having wind power apparatus}

본 발명은 건물 일체형 풍력발전장치 및 이를 구비한 건물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건물의 상층부에 형성된 통공에 풍력발전장치를 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 건물 일체형 풍력발전장치와, 이와 같은 풍력발전장치를 구비한 건물에 관한 것이다.

풍력 발전은 저렴한 비용으로 전기를 얻는다는 장점이 있기 때문에, 현재 직면해 있는 화석 에너지의 고갈 및 환경오염 문제에 대한 대안으로서 그리고 무공해 대체 에너지로서 각광받고 있다.

풍력 발전으로는 대형 풍력 발전방식과 소형 풍력 발전방식이 있는데, 대형 블레이드를 이용하는 대형 풍력 발전은 소형 풍력 발전에 비해 발전 단가가 적다는 이점이 있다.

하지만, 대형 풍력 발전의 경우에도, 발전장치 1기에 의한 발전량이 충분하지 아니하므로, 가정이나 공장에서 사용하기 위한 충분한 전력을 생산하기 위해서는 대단위의 풍력 발전탑을 건설하여야 한다. 이러한 대단위 풍력 발전탑 건설을 위해서는 많은 면적이 필요할 뿐만 아니라, 큰 소음이 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 대형 풍력 발전 시설을 설치할 수 없는 지역에서는, 주택이나 사무용 빌딩 등의 건물에 1~20kw 급의 옥외용 소형 풍력발전장치를 설치하여 풍력 발전을 하는 방식이 시도되고 있다. 소형 풍력발전장치는 대형 풍력발전장치에 비해 비교적 낮은 풍속에서도 발전이 가능하다는 장점이 있는데, 건물에 사용될 때는 건물의 옥상에 별도의 발전탑을 설치하고 그 발전탑에 블레이드를 장착하는 것이 일반적이다.

하지만, 위와 같이 건물의 옥상에 별도의 발전탑을 설치하고 발전탑에 블레이드를 장착하여 발전을 하는 경우, 주풍향에 대해 효율적으로 발전 효과가 발휘되도록 위해서는, 블레이드 사이에 충분한 거리가 생기도록 발전탑을 설치하여야 한다. 이와 같이, 풍력발전장치 사이에 충분한 이격거리를 두어야 한다는 제한 때문에, 한정된 건물 옥상에는 소수개의 풍력발전장치만을 설치할 수밖에 없으며, 따라서 전력 수요량을 충족시킬만큼의 충분한 발전량을 기대할 수가 없다는 한계가 있다.

특히, 각각의 블레이드는 전력변환장치와 연결되어야 하는데, 종래와 같이 건물 옥상이라는 설치 공간의 제약으로 인하여 소수의 블레이드만을 고가의 전력변환장치와 연결하여 사용하게 되면 그 만큼 운영효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 발전탑을 건물 옥상에 설치하지 않고서도 다수개의 풍력발전장치를 건물에 설치할 수 있는 건물 일체형 풍력발전장치와, 이러한 풍력발전장치를 구비한 건물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고가의 전력변환장치에 다수개의 블레이드가 연결될 수 있도록 함으로써 전력변환장치의 활용도를 극대화시킬 수 있는 건물 일체형 풍력발전장치와, 이러한 풍력발전장치를 구비한 건물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 건물 일체형 풍력발전장치는 건물의 외벽에 형성된 통공에 설치되는 블레이드와, 상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함한다.

또한, 교류 전원 및 직류 전원을 상호 변환시키는 직류 교류 변환장치 및 상기 직류 교류 변환장치에서 변환된 직류 전원을 저장하는 전력 저장장치를 더 포함할 수도 있다. 상기 제너레이터에서 생산된 전기는 상기 직류 교류 변환장치에서 직류 전원으로 변환되고 상기 전력 저장장치로 전달되어 저장된다.

또한, 상기 제너레이터는 권선형 유도발전기로 구성될 수도 있다.

또한, 상기 건물 일체형 풍력발전장치는 상기 제너레이터의 스테이터 측과 연결되는 주차단기와 상기 제너레이터의 로터 측과 연결되어 전력을 제어하는 제어기를 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 건물은 외벽에 통공이 형성되어 있고, 상기 통공에는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치가 설치된다. 상기 풍력발전장치는 블레이드 및 상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함한다.

또한, 상기 풍력발전장치는 교류 전원 및 직류 전원을 상호 변환시키는 직류 교류 변환장치 및 상기 직류 교류 변환장치에서 변환된 직류 전원을 저장하는 전력 저장장치를 더 포함할 수도 있다. 상기 제너레이터에서 생산된 전기는 상기 직류 교류 변환장치에서 직류 전원으로 변환되고 상기 전력 저장장치로 전달되어 저장된다.

또한, 상기 풍력발전장치의 제너레이터는 권선형 유도발전기로 구성될 수도 있다.

또한, 상기 풍력발전장치는 상기 제너레이터의 스테이터 측과 연결되는 주차단기와 상기 제너레이터의 로터 측과 연결되어 전력을 제어하는 제어기를 포함할 수도 있다.

본 발명은 별도의 발전탑을 건물 옥상에 설치하지 않고서도 건물 외벽에 형성된 통공을 이용해 풍력발전장치를 건물에 설치할 수 있도록 한다. 풍력발전장치 를 건물 외벽에 형성된 통공에 나란히 설치하므로, 풍력발전장치 사이에 이격거리를 두어야 한다는 제한 없이 다수개의 풍력발전장치를 건물에 설치할 수 있다. 따라서, 다수개의 풍력발전장치를 이용하여 전기를 생산할 수 있어, 건물의 옥상에 발전탑을 설치하여 풍력발전을 하는 경우 보다 큰 전력을 건물 내외부의 부하에 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 건물에 다수개의 블레이드를 설치하는 경우, 고가의 전력변환장치에 다수개의 블레이드가 연결될 수 있다. 따라서, 고가의 장비인 전력변환장치의 활용도를 극대화 시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 제너레이터에서 생산된 전력을 저장장치에 저장할 수 있도록 한다. 저장된 전력을 비상시 사용할 수 있어 정전 등과 같은 상황 발생시에 건물에 전력 공급을 계속할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따라 건물에 풍력발전장치가 설치된 상태를 보여주는 개략도이다.

고층의 오피스 빌딩이나 아파트 등의 건물의 경우, 그 상층부에는 평균 풍속 3~4 m/s의 바람이 부는데, 이 정도의 풍속은 소형의 풍력발전장치를 구동하는데 충분한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 건물의 상층부 외벽에는 다수개의 통공이 형성되며, 상기 통공에는 풍력발전장치의 블레이드(10)가 각각 설치된다.

종래의 경우처럼, 건물의 옥상에 별도의 발전탑을 설치하여 블레이드를 부착하는 경우에는, 옥상 부지의 크기가 제한되어 있어, 블레이드 설치 개수가 충분하지 아니하였으나, 본 발명의 경우에는, 건물의 상층부에 있는 외벽에 다수의 통공을 상하 좌우로 형성하여, 풍력발전장치의 블레이드(10)를 설치하게 되므로, 충분한 개수의 블레이드를 설치할 수 있게 되는 장점이 있다.

위와 같이 블레이드(10)를 설치하기 위한 통공을 형성함에 있어서, 건물의 외벽에 반드시 새로운 통공을 형성하여야 하는 것은 아니며, 기존에 형성되어 있던 창문을 블레이드 설치용 통공으로 활용할 수도 있다. 또한, 통공의 형성 위치도 반드시 건물의 정면에 한정되지 아니하며, 건물에 부는 바람의 방향 등의 특성에 맞추어 건물의 측면이나 배면에 통공을 형성할 수도 있다.

도 2는 풍력발전장치의 블레이드(10)와 제너레이터(20)가 통공에 설치된 형상과, 풍력발전장치에 의해 생성된 전기가 각종 부하로 공급되는 것을 보여주는 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 블레이드(10)와 제너레이터(20)를 구비한 풍력발전장치가 건물의 상층부 외벽에 형성된 통공에 설치되며, 블레이드(10)의 회전에 의하여 제너레이터(20)에서 발전된 전기는, 제너레이터(20)에 연결된 전력선(80)을 통하여 각종 전기 장치 등의 부하로 공급된다. 도 2에서 부재번호 140은 가로등(140)을 나타내며, 부재번호 120은 환풍기(120)를 나타내고, 부재번호 40은 전력저장장치(40)를 나타낸다. 즉, 건물의 외벽에 설치된 블레이드(10)의 회전에 따라 제너레이터(20)를 통해 발전된 전기는, 건물 내부의 각종 부하(70)나 환풍기(120) 등으로 직접 공급되거나, 가로등(140)과 같은 건물 외부의 전력 소비 부하로도 공급될 수도 있으며, 전력저장장치(40)에 저장될 수도 있다. 전력저장장치(40)에 저장된 전력은, 건물의 정전 발생 등과 같은 상황에서 비상 전력원으로써 사용될 수 있다. 제너레이터(20)를 통해 발전된 전기는 직류/교류 변환장치(30)에 의해 저장할 수 있는 형태의 전원인 직류전원으로 변환되어 전력저장장치(40)에 저장된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 건물의 상부층에 설치된 풍력발전장치에 의하여 발전된 전기는 건물 내의 여러 가지 전기 장치 등의 부하로 공급되어 건물 자체에서 소비되는 전력을 충당하게 되며, 전력저장장치(40)에 저장되어 필요한 경우 비상용 전원으로도 활용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제너레이터(20), 직류/교류 변환장치(30) 및 전력저장장치(40) 자체는 이미 공지된 것인데, 제너레이터(20)로는 권선형 유도발전기를 사용하는 것이 바람직하다. 권선형 유도발전기는 로터측의 회전에 의해 스테이터측에 유도 기전력이 발생하도록 하여 발전을 하게 되는데, 일반적으로 안정된 전력 생산을 위해 3상 발전기로 구성된다. 이러한 권선형 유도발전기는 값이 비교적 싸고 내구성이 우수하므로, 본 발명에서와 같이 다수의 블레이드(10)에 연결되어 전력을 생산하는데 유리하다.

도 3에는 풍력발전장치의 제너레이터(30)로서 3상 발전기를 사용한 실시예의 구성을 보여주는 개략도가 도시되어 있는데, 제너레이터(20)의 상기 스테이터 측과 건물 내 전력선(80) 사이에는 주차단기(50)가 구비되고, 상기 제너레이터(20)의 로터측과 건물 내 전력선(80) 사이에는 제어기(60)가 구비된다.

상기 주차단기(50)는 제너레이터(20)의 스테이터 측과 건물내 전력선(80)을 연결하여, 전력선(80)에 과부하가 발생하는 경우에 전력을 차단하는 기능을 한다. 상기 제어기(60)는 제너레이터(20)의 로터 측과 전력선(80) 사이에서 전력을 제어한다.

풍력 발전에서는 바람의 운동에너지를 최대한 이용하도록 하는 제어 방법이 중요하다. 특히 건물 상층부는 난류가 되기 쉽고, 풍향과 풍속이 수시로 변화하므로 그 중요성이 더욱 높다. 풍력 발전의 제어 기법으로는 피치(pitch) 제어 기법과, 스톨(stall) 제어 기법이 사용될 수 있지만, 이들 방법은 제어 방법이 복잡하며 부가적인 전력변환장치가 필요하게 된다.

따라서, 이러한 불편함을 해소하기 위해서는 최대전력점추종(MPPT : Maximum Power Point Tracking) 제어 기법을 이용하는 것이 바람직하다. 풍력발전에 있어서, 주어진 풍속에서 최대의 출력을 내는 운전점이 존재하게 되는데, 풍속이 변화해도 그 최대 운전점을 추종함으로써 최대의 발전 효율을 얻을 수 있다. 본 발명에서 제어기로서 백투백 컨버터(Back to Back converter)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 백투백 컨버터는 전류를 제어함으로써 출력되는 유효전력과 무효전력을 제어하고, 계통측의 직류 링크전압과 계통의 무효전력을 제어한다.

이와 같이, 본 발명에서 최대전력점추종 제어 기법을 이용하는 경우, 전류의 제어를 통해 간단히 계통의 역률을 조절할 수 있게 되고, 다양하게 변화하는 풍속에 대해서 최대 발전 효율을 얻을 수 있게 되는 이점이 있다.

풍력발전 장치가 발전을 하기 위해서는 일정 속도 이상의 풍속이 요구된다. 이러한 풍속을 컷인(cut-in) 풍속이라고 부르는데, 컷인 풍속 이하에서는 풍력발전 장치는 발전을 할 수가 없게 되고, 전력 생산이 0이 된다. 컷인(cut-in) 풍속은 풍력발전 장치의 설계에 따라 달라지는데, 일반적으로 소형의 풍력발전장치의 경우 3 내지 4 m/s 이다.

컷인(cut-in) 풍속 이하의 바람이 부는 경우, 풍력발전장치는 발전을 하지 않게 되는데, 본 발명에 있어서도, 만일 컷인(cut-in) 풍속 이하의 바람이 부는 경우에는 풍력발전장치를 환풍기로서 활용할 수 있다.

본 발명에서는 풍력발전장치의 블레이드(10)가 통공에 설치되어 있으므로, 만일 통공이 건물 내부와 연통되어 있는 상태에서, 풍력발전장치의 블레이드(10)를 반대로 회전시키게 되면, 건물내 공기는 외부로 배출되게 된다. 따라서, 본 발명에서는 풍속 센서를 설치하여, 풍속이 컷인 풍속 미만인 것으로 측정되면 제어기(60)를 통해 블레이드(10)를 반대로 회전시켜 환풍기로서 동작하도록 한다. 따라서, 건물 내부에 공기 순환을 위한 환풍 시스템을 대신할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 건물에 풍력발전장치가 설치된 상태를 보여주는 개략도이다.

도 2는 풍력발전장치의 블레이드와 제너레이터가 통공에 설치된 형상과, 풍력발전장치에 의해 생성된 전기가 각종 부하로 공급되는 것을 보여주는 개념도이다.

도 3은 풍력발전장치의 제너레이터로서 3상 발전기를 사용한 실시예의 구성을 보여주는 개략도이다.

Claims (8)

1. 건물의 외벽에 형성된 통공에 설치되는 블레이드와,

   상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 일체형 풍력발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   교류 전원 및 직류 전원을 상호 변환시키는 직류/교류 변환장치; 및

   상기 직류/교류 변환장치에서 변환된 직류 전원을 저장하는 전력 저장장치를 더 포함하며,

   상기 제너레이터에서 생산된 전기는 상기 직류/교류 변환장치에서 직류 전원으로 변환되고 상기 전력 저장장치로 전달되어 저장되는 것을 특징으로 하는 건물 일체형 풍력발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제너레이터는 권선형 유도발전기로 구성되는 것을 특징으로 하는 건물 일체형 풍력발전장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 건물 일체형 풍력발전장치는,

   상기 제너레이터의 스테이터 측과 연결되는 주차단기와;

   상기 제너레이터의 로터 측과 연결되어 전력을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 일체형 풍력발전장치.
5. 외벽에 통공이 형성되어 있고,

   상기 통공에는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치가 설치되며,

   상기 풍력발전장치는 블레이드 및 상기 블레이드와 연결되어 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 풍력발전장치는,

   교류 전원 및 직류 전원을 상호 변환시키는 직류/교류 변환장치, 및

   상기 직류/교류 변환장치에서 변환된 직류 전원을 저장하는 전력 저장장치를 더 포함하며,

   상기 제너레이터에서 생산된 전기는 상기 직류/교류 변환장치에서 직류 전원으로 변환되고 상기 전력 저장장치로 전달되어 저장되는 것을 특징으로 하는 건물.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 풍력발전장치의 제너레이터는 권선형 유도발전기로 구성되는 것을 특징으로 하는 건물.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 풍력발전장치는,

   상기 제너레이터의 스테이터 측과 연결되는 주차단기와;

   상기 제너레이터의 로터 측과 연결되어 전력을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물.

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