WO2017195975A1 - 태양열 굴뚝발전소의 터빈부 윈드터널에 대한 장치 - Google Patents

태양열 굴뚝발전소의 터빈부 윈드터널에 대한 장치 Download PDF

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박윤원
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Definitions

  • the present invention relates to a solar chimney generator, and more particularly to a solar chimney generator for increasing the output of the turbine by increasing the flow of air discharged through the turbine to increase the power production efficiency.
  • Solar chimney generators have a roof that is spaced from the ground and allows sunlight to pass through. Air introduced from the outermost part of the roof is heated by solar heat while moving to the center of the roof, and the air heated by the solar heat decreases in density and generates an upward force. And, when the heated air reaches the lower end of the chimney located in the center of the roof, it moves to the top of the chimney by the exhaust effect of the chimney and the rising air flow is discharged to the outside. At this time, the turbine installed at the bottom of the chimney rotates to generate electricity by operating a generator.
  • the thermal efficiency is proportional to the volume of air represented by the product of the area of the heat transfer section and the chimney height. Therefore, in the past, research has been conducted in the direction of increasing the area of the heat transfer part and raising the chimney. However, little research has been conducted on how to increase the efficiency of turbines to increase the power production efficiency of solar chimney generators. For example, according to Betz's law, the flow rate through the turbine is the same but the difference between the speed at the turbine inlet and the turbine outlet is the same for maximum output using a turbine installed at the lower end of the chimney. Should be large. However, in the related art, since the structure of the turbine of the solar chimney generator is not designed to obtain the maximum power, the energy efficiency that can be obtained using the turbine is very small.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a solar chimney generator for increasing the output of the turbine by increasing the flow of air discharged through the turbine to increase the power production efficiency.
  • an embodiment of the present invention has a bottom portion and a roof portion spaced upward from the bottom portion, the heat collecting portion for heating the air inside by solar heat;
  • a chimney portion extending upward from a center of the heat collecting portion and having a hollow inside;
  • a rigid part extending in the lower side of the chimney part and provided in the heat collecting part;
  • a tunnel part including an air jet tunnel provided at the center of the rigid part and a plurality of wind tunnels provided around the air jet tunnel and having a turbine inside;
  • a power generation unit configured to generate electric power through operation of the turbine, wherein the tunnel unit provides a solar chimney generator that forms a flow path so that the air passes through the chimney unit and is discharged to the outside.
  • the wind tunnel may include: a first pipe formed horizontally through a predetermined length from the side of the rigid portion toward the center of the rigid portion; A second pipe bent in a streamlined shape upward from the first pipe; And a third pipe extending from the second pipe to an upper surface of the rigid portion.
  • the wind tunnel may be characterized in that it comprises a branch pipe branched from the second pipe and communicates with the lower end of the air jet tunnel.
  • the upper end of the air jet tunnel may be characterized in that the inner diameter is smaller than the third pipe.
  • the turbine may be located inside the third pipe.
  • the rigid portion the body to form a body; And a plurality of protrusions formed along an outer circumferential surface of the main body.
  • the first pipe may be formed between the protrusions.
  • the turbine can be characterized in that it is controlled individually.
  • the chimney portion may be characterized in that the inner diameter gradually increases toward the top.
  • an air jet pump is further provided inside the air jet tunnel, and the air jet pump discharges air introduced into the air jet tunnel at high speed into the chimney part. Can be.
  • the inner diameter of the air jet tunnel may be characterized in that it decreases toward the upper side.
  • the present invention can minimize the resistance generated by hitting the wall of the wind tunnel when the wind tunnel is streamlined and the flow of heated air moves from the heat collection portion to the chimney portion.
  • the present invention can be stably fixed to the bottom of the chimney portion through the rigid portion.
  • the present invention widens the inner diameter of the chimney portion toward the upper portion is easy to discharge the heated air to the outside.
  • each turbine provided in the plurality of wind tunnels is individually controlled. Therefore, in the event of a failure of any of the turbines, maintenance is convenient because only the turbine can be stopped for maintenance.
  • the present invention is provided so that some of the air moving through the wind tunnel is discharged upward through the air jet tunnel. At this time, the air passing through the air jet tunnel is moved at a high speed to reduce the pressure of the upper side of the wind tunnel to increase the pressure difference between the lower side and the upper side of the turbine. That is, the heated air rises more rapidly due to the pressure difference, and the output of the turbine can be increased.
  • the turbine is provided in a third pipe in which air flow is stable. Specifically, in the third pipe, the flow of air forms a laminar flow. Thus, the turbine provided in the third pipe can stably output a constant output.
  • FIG. 1 is a perspective view of a solar chimney generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view showing a chimney part and a tunnel part of the solar chimney generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view showing a longitudinal section of the chimney portion and the tunnel portion of the solar chimney generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator is not equipped with an air jet tunnel.
  • FIG. 6 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator having an air jet tunnel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a solar chimney generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a front view showing the chimney portion and the tunnel portion of the solar chimney generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an embodiment of the present invention
  • the solar chimney generator 100 includes a heat collecting unit 110, a chimney unit 120, a rigid unit 130, a tunnel unit 140, and a power generation unit (not shown). .
  • the heat collecting part 110 has a bottom part 111 and a roof part 112 spaced upward from the bottom part 111, and the air therein is heated by solar heat.
  • the bottom 111 may be the ground surface, or may be configured by providing a separate structure.
  • the bottom 111 may be provided with a material of asphalt or black paint.
  • the material of the bottom 111 is not limited to one embodiment, any material that can absorb solar heat to generate radiant heat is included in one embodiment.
  • the roof part 112 may be provided to be spaced apart from the bottom part 111 at a predetermined interval upward, and may be made of a material that is easily transmitted with solar heat.
  • the roof 112 may be provided with a material that can cause the greenhouse effect.
  • the roof portion 112 may be formed to be inclined so that its height increases from the outermost to the center.
  • the center of the roof portion 112 is preferably provided with a height that can be equal to the cross-sectional area of the first pipe 143 of the wind tunnel 142 and the wind tunnel 142 to be described later.
  • the roof part 112 may maintain a state spaced apart from the bottom part 111 through a plurality of pillars and the like.
  • the air introduced from the outermost part of the roof part 112 thus provided is heated in the space between the bottom part 111 and the roof part 112 and moves to the center of the roof part 112. Then, the air heated in the heat collection unit 110 is reduced in density, thereby forming an upward air flow.
  • a plurality of protrusions may be formed at the bottom 111 and the roof 112 to prevent the fine sand from damaging the turbine 146. The protrusion allows zigzag or up-down movement when air moves from the outermost portion of the roof portion 112 to the center of the roof portion 112.
  • the air moved as described above hits the protrusion and temporarily reduces the moving speed so that the fine sand particles, which are relatively heavier than the air, fall to the bottom 111.
  • the shape and installation position of the protrusion may be appropriately designed to achieve the above-mentioned object.
  • the chimney part 120 extends upward from the center of the heat collection part 110 and is formed inwardly hollow. More specifically, the chimney 120 may be provided in a cylindrical shape of the inside hollow. However, the shape of the chimney 120 is not limited to one embodiment. For example, the chimney 120 may be provided in the shape of a square pillar. The chimney part 120 may be provided so that the inner diameter gradually increases toward the upper portion. That is, the chimney part 120 may be provided to increase the inner diameter as the thickness of the inner wall becomes thinner from the lower portion to the upper portion. At this time, the chimney portion 120 is preferably provided with a thickness and a material that can prevent deformation due to earthquake, wind, self-weight and the like. The chimney part 120 provided as described above is easily discharged to the upper by the air of the turbine 146 and the rising air flow.
  • the rigid part 130 includes a main body 131 and a protrusion 132 and extends downward of the chimney part 120 to be provided in the heat collecting part 110.
  • the main body 131 forms a body of the rigid portion 130.
  • the main body 131 is provided extending from the lower end of the chimney portion 120, it may be provided so that the diameter is larger than the chimney portion 120. That is, the main body 131 may reinforce the lower end of the chimney part 120 in order to prevent deformation of the chimney part 120 due to the load generated due to the earthquake, wind, self-weight, and the like.
  • the main body 131 is provided to be positioned inside the bottom 111 and the roof 112. A plurality of protrusions 132 are formed along the outer circumferential surface of the main body 131.
  • the protrusion 132 is not limited to being provided in the number shown in FIG. 1, and is preferably provided as many as the number of wind tunnels 142 to be described later. That is, in one embodiment, since six wind tunnels 142 are provided, the number of protrusions 132 is also provided as six, but the number of wind tunnels 142 and protrusions 132 may be easily changed according to the site situation. can be changed.
  • the tunnel part 140 includes an air jet tunnel 141 and a wind tunnel 142, and forms a flow path such that the air heated in the heat collecting part 110 passes through the chimney part 120 and is discharged to the outside.
  • the air jet tunnel 141 is provided at the center of the rigid portion 130. Specifically, the outlet side of the air jet tunnel 141 is provided in the center of the upper end of the rigid portion 130, the inlet side of the air jet tunnel 141 branched from the second pipe 144 of the wind tunnel 142 to be described later It is extended to connect with the engine 147. In this case, the inlet side of the air jet tunnel 141 is connected to the plurality of branch pipes 147 branched from the plurality of second pipes 144, respectively. In addition, the air jet tunnel 141 may be formed to decrease the inner diameter while moving from the inlet side of the lower end to the outlet side of the upper end.
  • the outlet side of the air jet tunnel 141 may be provided to be smaller than the inner diameter of the third pipe 145 to be described later.
  • the air jet tunnel 141 provided as described above may discharge the introduced air to the chimney 120 when a part of the air introduced into the wind tunnel 142 is introduced through the branch pipe 147.
  • an air jet pump (not shown) is provided in the air jet tunnel 141, and the air jet pump may discharge the air introduced into the air jet tunnel 141 to the chimney unit 120 at high speed. Specific effects due to the air jet tunnel 141 will be described later.
  • the wind tunnel 142 includes a first pipe 143, a second pipe 144, a third pipe 145, a turbine 146, and a branch pipe 147, and is formed around the air jet tunnel 141. It is provided in plurality. In this case, each wind tunnel 142 may be provided spaced apart from the air jet tunnel 141 by the same interval.
  • the first pipe 143 is formed to penetrate horizontally with a predetermined length from the side of the rigid portion 130 toward the center of the rigid portion 130.
  • the first pipe 143 may be provided between the adjacent protrusions 132. More specifically, as shown in FIG. 1, the first pipe 143 may be provided with an inlet at which the adjacent protrusions 132 contact each other.
  • the second pipe 144 bends and extends in a streamlined upward direction from the first pipe 143. That is, the second pipe 144 switches the movement direction of the air so that the air introduced into the first pipe 143 is directed to the upper chimney 120. At this time, the second pipe 144 is formed in a streamlined shape when the movement direction of the air is switched, it is possible to minimize the resistance generated by hitting the inner wall of the second pipe 144.
  • the second pipe 144 is provided with a branch pipe 147. As described above, the branch pipe 147 is branched from the second pipe 144 and connected to the inlet side provided at the lower end of the air jet tunnel 141. That is, the branch pipe 147 allows some of the air passing through the second pipe 144 to flow into the air jet tunnel 141.
  • the third pipe 145 extends from the second pipe 144 to the top surface of the rigid portion 130. That is, the third pipe 145 is provided to allow air introduced from the first pipe 143 to pass through the rigid part 130 and to be discharged to the chimney part 120.
  • the turbine 146 is provided inside the third pipe 145.
  • the inside of the third pipe 145 is a laminar flow of air flow. That is, since air flows stably inside the third pipe 145, when the turbine 146 is provided in the third pipe 145, it is easy to stably output a constant output.
  • the turbine 146 is preferably formed in the middle of the third pipe 145, as shown, but is not limited to the position shown. That is, the turbine 146 is located inside the third pipe 145, but is not limited to being located at an intermediate point of the third pipe 145.
  • a plurality of turbines 146 may be provided along the longitudinal direction of the third pipe 145.
  • the turbine 146 provided in the plurality of third pipes 145 may be individually controlled. Conventionally, one turbine was provided in the chimney, and the turbine was turned to produce electric power. Therefore, in the past, when a turbine failed, power generation of the entire solar chimney generator had to be stopped, the turbine had to be repaired, and the solar chimney generator had to be restarted.
  • a plurality of turbines 146 are individually controlled. Therefore, when one of the turbines 146 fails, the remaining turbines 146 are stopped and the remaining turbines are blocked while the inlet of the wind tunnel 142 in which the turbine 146 is located is blocked.
  • the solar chimney generator 100 can be operated. That is, even when a failure occurs in any one turbine 146 of the plurality of turbines, it is economical to operate the solar chimney generator 100 through the remaining turbines while repairing the failed turbine 146.
  • the turbine 146 can produce a higher output by the air jet tunnel 141 described above.
  • the air introduced into the air jet tunnel 141 is discharged at a high speed toward the top of the chimney 120 by the air jet pump.
  • the air discharged at a high speed increases the speed at which the air discharged by the wind tunnel 142 moves upward, thereby inducing the pressure on the upper side of the wind tunnel 142 to be lowered. Therefore, the difference in pressure between the position before air passes through the turbine 146 and the position after air passes through the turbine 146 becomes larger.
  • the power of the turbine 146 may be increased to increase the output of the turbine 146.
  • the power generation unit produces power by the operation of the turbine 146. More specifically, the power generation unit passes through the heat collecting unit 110 and turns the turbine 146 as the heated air is discharged through the chimney unit 20, the power generation unit to generate power through the power of the turbine 146 Can produce.
  • the technology for producing electric power by using the power of the turbine 146 power generation unit is a known technique, and the specific configuration is omitted in that it is easy for a person skilled in the art to implement.
  • Figure 4 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator is not provided with an air jet tunnel
  • 6 is a view showing the air flow and speed of the solar chimney generator having an air jet tunnel according to an embodiment of the present invention.
  • the solar chimney generator 100 can be confirmed that the air is introduced into the air jet tunnel 141 and the wind tunnel 142 is discharged to the upper chimney 120.
  • the solar chimney generator 100 with the air jet tunnel 141 and the solar chimney generator without the air jet tunnel have a speed of air at the same position of the chimney 120. You can see a big difference. That is, the solar chimney generator 100 provided with the air jet tunnel 141 may confirm that the air flow is faster than the solar chimney generator without the air jet tunnel 141. That is, the solar chimney generator 100 provided with the air jet tunnel 141 may increase the output of the turbine 146 by increasing the flow of air.
  • the solar chimney generator 100 provided as described above may increase the output of the turbine 146 and increase the electricity production efficiency by increasing the flow of air.
  • the wind tunnel is streamlined, and when the flow of heated air moves from the heat collection portion to the chimney portion, the resistance generated by hitting the wall of the wind tunnel can be minimized.

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Abstract

본 발명은 태양열 굴뚝 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈을 통과하여 배출되는 공기의 유동을 빠르게 하여 터빈의 출력을 증가시키고 전력 생산 효율을 높이기 위한 태양열 굴뚝 발전기에 관한 것이다.

Description

태양열 굴뚝발전소의 터빈부 윈드터널에 대한 장치
본 발명은 태양열 굴뚝 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈을 통과하여 배출되는 공기의 유동을 빠르게 하여 터빈의 출력을 증가시키고 전력 생산 효율을 높이기 위한 태양열 굴뚝 발전기에 관한 것이다.
태양열 굴뚝 발전기는 지표면으로부터 이격되어 햇빛이 투과되는 지붕을 갖는다. 지붕의 최외곽으로부터 유입된 공기는 지붕의 중심으로 이동하면서 태양열에 의해 가열되고, 태양열에 의해 가열된 공기는 밀도가 작아지면서 상승하려는 힘이 발생한다. 그리고, 가열된 공기는 지붕의 중앙에 위치한 굴뚝의 하단부에 도달하면, 굴뚝의 배기효과 및 상승기류에 의하여 굴뚝의 상부로 이동하여 외부로 배출된다. 이때, 굴뚝 하단부에 설치된 터빈이 돌아가며 발전기를 작동시켜 전기를 생산한다.
태양열 굴뚝 발전기는 태양열을 이용하여 전력을 생산하는 효율이 매우 낮다는 문제점이 있기 때문에 종래에는 태양열 굴뚝 발전기의 열효율을 높이기 위한 연구가 지속되고 있다. 일 예로, 열 효율은 열 전달부의 면적과 굴뚝 높이의 곱으로 나타내어지는 공기의 체적에 비례한다. 따라서, 종래에는 열 전달부의 면적을 넓히고 굴뚝을 높이는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 터빈의 효율을 높여 태양열 굴뚝 발전기의 전력 생산 효율을 높이는 방법에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 일 예로, 베츠(Betz)의 법칙에 의하면, 굴뚝의 하단부에 설치되어 발전을 하는 터빈을 이용하여 최대의 출력을 내기 위해서는 터빈을 통과하는 유량은 동일하되 터빈 입구의 속도와 터빈 출구의 속도의 차이를 크게 해야 한다. 그러나, 종래에는 태양열 굴뚝 발전기의 터빈이 최대 출력을 얻기 위한 구조가 고안되어 있지 않기 때문에 터빈을 이용해 얻을 수 있는 에너지 효율은 매우 적었다.
따라서, 굴뚝을 통하여 배출되는 공기의 유동을 빠르게 하여 터빈의 출력을 증가시키고 전력 생산 효율을 높이기 위한 태양열 굴뚝 발전기가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 터빈을 통과하여 배출되는 공기의 유동을 빠르게 하여 터빈의 출력을 증가시키고 전력 생산 효율을 높이기 위한 태양열 굴뚝 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 바닥부와 상기 바닥부로부터 상측으로 이격되어 마련되는 지붕부를 갖고, 태양열에 의해 내부의 공기가 가열되는 열수집부; 상기 열수집부의 중앙으로부터 상측으로 연장되고 내측이 중공 형성된 굴뚝부; 상기 굴뚝부의 하측으로 연장되어 상기 열수집부의 내부에 마련되는 강성부; 상기 강성부의 중앙에 마련되는 에어제트터널과, 상기 에어제트터널의 둘레에 마련되며 내측에 터빈을 갖는 복수의 윈드터널을 포함하는 터널부; 및 상기 터빈의 작동으로 전력을 생산하는 전력생산부를 포함하며, 상기 터널부는 상기 공기가 상기 굴뚝부를 통과하여 외부로 배출되도록 유로를 형성하는 태양열 굴뚝 발전기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 윈드터널은, 상기 강성부의 측면에서부터 상기 강성부의 중심을 향해 소정의 길이로 수평하게 관통 형성되는 제1 파이프; 상기 제1 파이프로부터 상측을 향해 유선형으로 절곡 연장되는 제2 파이프; 및 상기 제2 파이프로부터 상기 강성부의 상면으로 연장되는 제3 파이프를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 윈드터널은 상기 제2 파이프로부터 분기되어 상기 에어제트터널의 하단과 연통되는 분기관을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 에어제트터널의 상단은 상기 제3 파이프에 비해 내경이 작은 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 터빈은 상기 제3 파이프의 내부에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 강성부는, 몸체를 형성하는 본체; 및 상기 본체의 외주면을 따라 형성되는 복수의 돌출체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 파이프는 상기 돌출체 사이에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 터빈은 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 굴뚝부는 내경이 상부로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 에어제트터널의 내부에는 에어제트펌프가 더 마련되며, 상기 에어제트 펌프는 상기 에어제트터널의 내부로 유입된 공기를 상기 굴뚝부로 고속으로 배출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 에어제트터널의 내경은 상측으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 윈드터널이 유선형으로 이루어져 가열된 공기의 흐름이 열수집부에서 굴뚝부로 이동할 때, 윈드터널의 벽에 부딪히며 발생하는 저항을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 강성부를 통해 굴뚝부의 하단을 바닥부에 안정적으로 고정시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 굴뚝부의 내경이 상부로 갈수록 넓어져 가열된 공기가 외부로 배출되기 용이하다.
또한, 본 발명은 복수의 윈드터널에 마련된 각각의 터빈이 개별적으로 제어된다. 따라서, 어느 하나의 터빈에 고장이 발생할 경우, 해당 터빈만을 정지시켜 유지보수를 실시할 수 있기 때문에 유지보수가 편리하다.
또한, 본 발명은 윈드터널을 통해 이동하는 공기 중 일부가 에어제트터널을 통해 상측으로 방출되도록 마련된다. 이때, 에어제트터널을 통과하는 공기는 고속으로 이동하며 윈드터널의 상측의 압력을 감소시켜 터빈의 하측과 상측의 압력차를 증가시킨다. 즉, 가열된 공기가 압력차에 의해 더욱 빠르게 상승하며 터빈의 출력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 터빈이 공기의 흐름이 안정된 제3 파이프에 마련된다. 구체적으로, 제3 파이프는 공기의 흐름이 층류(laminar flow)를 형성한다. 따라서, 제3 파이프에 마련된 터빈은 안정적으로 일정한 출력을 낼 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 굴뚝부와 터널부를 나타낸 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 굴뚝부와 터널부의 종단면을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이다.
도 5는 에어제트터널이 구비되지 않은 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에어제트터널을 구비한 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 굴뚝부와 터널부를 나타낸 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 굴뚝부와 터널부의 종단면을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 태양열 굴뚝 발전기(100)는 열수집부(110), 굴뚝부(120), 강성부(130), 터널부(140) 및 전력생산부(미도시)를 포함한다.
열수집부(110)는 바닥부(111)와 바닥부(111)로부터 상측으로 이격되어 마련되는 지붕부(112)를 갖고, 태양열에 의해 내부의 공기가 가열된다.
바닥부(111)는 지표면일 수 있고, 별도의 구조물을 마련하여 구성할 수도 있다. 그리고, 바닥부(111)는 아스팔트 또는 검정색 도료의 소재로 마련될 수 있다. 그러나, 바닥부(111)의 소재는 일실시예에 한정되지 않으며, 태양열을 흡수하여 복사열을 발생시킬 수 있는 소재이라면 모두 일실시예에 포함된다.
지붕부(112)는 바닥부(111)로부터 상측으로 소정의 간격을 두고 이격되어 마련되며, 태양열이 투과되기 용이한 소재로 마련될 수 있다. 특히, 지붕부(112)는 온실효과를 일으킬 수 있는 소재로 마련될 수 있다. 그리고, 지붕부(112)는 최외곽에서 중앙으로 갈수록 높이가 높아지도록 경사지게 형성될 수 있다. 이때, 지붕부(112)의 중앙은 후술할 윈드터널(142)의 제1 파이프(143)의 단면적과 윈드터널(142)의 단면적이 동등할 수 있는 높이로 마련됨이 바람직하다. 그리고, 지붕부(112)는 도시하지 않았으나, 복수의 기둥 등을 통해 바닥부(111)로부터 이격된 상태를 유지할 수 있다. 이처럼 마련된 지붕부(112)의 최외곽으로부터 유입된 공기는 바닥부(111)와 지붕부(112)의 사이의 공간에서 가열되며, 지붕부(112)의 중앙으로 이동한다. 그리고, 열수집부(110)에서 가열된 공기는 밀도가 감소하여, 상승 기류를 형성한다. 또한, 태양열 굴뚝 발전기(100)가 설치되는 장소가 사막일 경우, 미세모래가 후술할 터빈(146)을 손상시킬 수 있다. 따라서, 미세모래가 터빈(146)을 손상시키는 것을 방지하기 위해 바닥부(111)와 지붕부(112)에는 다수의 돌출부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 돌출부는 공기가 지붕부(112)의 최외곽에서 지붕부(112)의 중심까지 이동할 때, 지그재그(zig-zag) 또는 업다운(up-down)되며 이동하도록 한다. 그리고, 상기와 같이 이동되는 공기는 상기 돌출부와 부딪히며 일시적으로 이동속도가 감소하게 되면서 공기보다 상대적으로 무거운 미세모래의 입자가 바닥부(111)로 떨어지도록 한다. 상기 돌출부의 형상 및 설치 위치는 상술한 목적을 달성할 수 있도록 적절히 설계될 수 있다.
굴뚝부(120)는 열수집부(110)의 중앙으로부터 상측으로 연장되고 내측이 중공 형성된다. 보다 구체적으로, 굴뚝부(120)는 내측이 중공된 원기둥 형상으로 마련될 수 있다. 그러나, 굴뚝부(120)의 형상은 일실시예에 한정되지 않는다. 일 예로, 굴뚝부(120)는 사각기둥의 형상으로 마련될 수도 있다. 굴뚝부(120)는 내경이 상부로 갈수록 점차 증가하도록 마련될 수 있다. 즉, 굴뚝부(120)는 하부에서 상부로 갈수록 내벽의 두께가 얇아져 내경이 증가하도록 마련될 수 있다. 이때, 굴뚝부(120)는 지진, 바람, 자중 등으로 인해 변형이 생기는 것을 방지할 수 있는 두께 및 재질로 마련됨이 바람직하다. 이처럼 마련된 굴뚝부(120)는 하부의 공기가 터빈(146) 및 상승기류에 의해 상부로 배출되기 용이하다.
강성부(130)는 본체(131) 및 돌출체(132)를 포함하며, 굴뚝부(120)의 하측으로 연장되어 열수집부(110)의 내부에 마련된다. 본체(131)는 강성부(130)의 몸체를 형성한다. 구체적으로, 본체(131)는 굴뚝부(120)의 하단부로부터 연장되어 마련되되, 굴뚝부(120)에 비해 직경이 크도록 마련될 수 있다. 즉, 본체(131)는 굴뚝부(120)가 지진, 바람, 자중 등으로 인해 발생하는 하중으로 인해 변형이 발생하는 것을 방지하기 위해 굴뚝부(120)의 하단을 보강할 수 있다. 그리고, 본체(131)는 바닥부(111)와 지붕부(112)의 내부에 위치하도록 마련된다. 돌출체(132)는 본체(131)의 외주면을 따라 복수개로 형성된다. 이때, 돌출체(132)는 도 1에 도시된 개수로 마련되는 것으로 한정되지 않으며, 후술할 윈드터널(142)의 개수만큼 마련됨이 바람직하다. 즉, 일실시예에서는 윈드터널(142)이 6개로 마련되었기 때문에 돌출체(132)의 개수도 6개로 마련되었으나, 윈드터널(142)과 돌출체(132)의 개수는 현장 상황에 따라 용이하게 변경될 수 있다.
터널부(140)는 에어제트터널(141) 및 윈드터널(142)을 포함하며, 열수집부(110)에서 가열된 공기가 굴뚝부(120)를 통과하여 외부로 배출되도록 유로를 형성한다.
에어제트터널(141)은 강성부(130)의 중앙에 마련된다. 구체적으로, 에어제트터널(141)의 출구측은 강성부(130)의 상단 중앙에 마련되며, 에어제트터널(141)의 입구측은 후술할 윈드터널(142)의 제2 파이프(144)로부터 분기된 분기관(147)과 연결되도록 연장된다. 이때, 에어제트터널(141)의 입구측은 복수의 제2 파이프(144)로부터 각각 분기된 복수의 분기관(147)과 연결된다. 또한, 에어제트터널(141)은 하단의 입구측에서 상단의 출구측으로 이동하면서 내경이 작아지도록 형성될 수 있다. 그리고, 에어제트터널(141)의 출구측은 후술할 제3 파이프(145)의 내경에 비해 작도록 마련될 수 있다. 이처럼 마련된 에어제트터널(141)은 윈드터널(142)로 유입된 공기의 일부가 분기관(147)을 통해 유입되면 유입된 공기를 굴뚝부(120)로 배출할 수 있다. 그리고, 에어제트터널(141)에는 에어제트펌프(미도시)가 마련되며, 상기 에어제트펌프는 에어제트터널(141)로 유입된 공기를 굴뚝부(120)로 고속으로 배출할 수 있다. 에어제트터널(141)로 인한 구체적인 효과는 후술하도록 한다.
윈드터널(142)은 제1 파이프(143), 제2 파이프(144), 제3 파이프(145), 터빈(146) 및 분기관(147)을 포함하며, 에어제트터널(141)의 둘레에 복수로 마련된다. 이때, 각 윈드터널(142)은 에어제트터널(141)로부터 동일한 간격만큼 이격되어 마련될 수 있다.
제1 파이프(143)는 강성부(130)의 측면에서부터 강성부(130)의 중심을 향해 소정의 길이로 수평하게 관통 형성된다. 이때, 제1 파이프(143)는 인접한 돌출체(132)의 사이에 마련될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 파이프(143)는 인접한 돌출체(132)가 상호 접하는 함입부에 입구가 마련될 수 있다.
제2 파이프(144)는 제1 파이프(143)로부터 상측을 향해 유선형으로 절곡 연장된다. 즉, 제2 파이프(144)는 제1 파이프(143)로 유입된 공기가 상측의 굴뚝부(120)를 향하도록 공기의 이동 방향을 전환한다. 이때, 제2 파이프(144)는 유선형으로 형성되어 공기의 이동 방향이 전환될 때, 공기가 제2 파이프(144)의 내벽에 부딪혀 발생하는 저항을 최소화할 수 있다. 그리고, 제2 파이프(144)에는 분기관(147)이 마련된다. 분기관(147)은 전술한 바와 같이, 제2 파이프(144)로부터 분기되어 에어제트터널(141)의 하단에 마련된 입구측과 연결된다. 즉, 분기관(147)은 제2 파이프(144)를 통과하는 공기 중 일부가 에어제트터널(141)로 유입되도록 한다.
제3 파이프(145)는 제2 파이프(144)로부터 강성부(130)의 상면으로 연장된다. 즉, 제3 파이프(145)는 제1 파이프(143)로부터 유입된 공기가 강성부(130)를 통과하여 굴뚝부(120)로 배출될 수 있도록 마련된다.
터빈(146)은 제3 파이프(145)의 내측에 마련된다. 구체적으로, 제3 파이프(145)의 내측은 공기의 유동이 층류 상태를 이룬다. 즉, 제3 파이프(145)의 내측은 공기가 안정적으로 흐르기 때문에 터빈(146)이 제3 파이프(145)에 마련될 경우 안정적으로 일정한 출력을 내기 용이하다. 그리고 터빈(146)은 도시된 바와 같이, 제3 파이프(145)의 중간지점에 형성됨이 바람직하나, 도시된 위치로 한정되지는 않는다. 즉, 터빈(146)은 제3 파이프(145)의 내측에 위치하되, 제3 파이프(145)의 중간지점에 위치하는 것으로 한정되지 않는다. 또한, 터빈(146)은 제3 파이프(145)의 길이 방향을 따라 복수개로 마련되는 것도 가능하다.
또한, 복수개의 제3 파이프(145)에 마련되는 터빈(146)은 개별적으로 제어될 수 있다. 종래에는 굴뚝에 하나의 터빈을 마련하고, 그 터빈을 돌려 전력을 생산하였다. 따라서, 종래에는 터빈에 고장이 발생한 경우, 태양열 굴뚝 발전기 전체의 전력 생산을 중단하고, 상기 터빈을 수리한 다음 태양열 굴뚝 발전기를 재가동해야 했다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기(100)는 복수개의 터빈(146)이 개별적으로 제어된다. 따라서, 복수개의 터빈 중 어느 하나의 터빈(146)에 고장이 발생한 경우, 고장이 발생한 터빈(146)을 정지하고 해당 터빈(146)이 위치한 윈드터널(142)의 입구를 막은 상태에서 나머지 터빈들을 이용하여 태양열 굴뚝 발전기(100)를 가동할 수 있다. 즉, 복수개의 터빈 중 어느 하나의 터빈(146)에 고장이 발생한 경우에도 고장난 터빈(146)을 수리하는 동안 나머지 터빈을 통해 태양열 굴뚝 발전기(100)를 가동할 수 있어 경제적이다.
또한, 터빈(146)은 전술한 에어제트터널(141)에 의해 더욱 높은 출력을 낼 수 있다. 구체적으로, 에어제트터널(141)로 유입된 공기는 에어제트펌프에 의해 굴뚝부(120)의 상부를 향해 고속으로 배출된다. 이때, 고속으로 배출되는 공기는 윈드터널(142)에 의해 배출되는 공기가 상부로 이동하는 속도를 높여 윈드터널(142)의 상측의 압력이 낮아지도록 유도한다. 따라서, 공기가 터빈(146)을 통과하기 전의 위치와 공기가 터빈(146)을 통과한 후의 위치의 압력의 차이가 더욱 커진다. 그리고, 공기가 더욱 빠른 속도로 터빈(146)을 통과함에 따라 터빈(146)의 동력이 증가되어 터빈(146)의 출력을 증가시킬 수 있다.
한편, 전력생산부는 터빈(146)의 작동으로 전력을 생산한다. 더욱 상세하게는, 전력생산부는 열수집부(110)를 통과하며 가열된 공기가 굴뚝부(20)를 통해 배출되면서 터빈(146)을 돌리게 되고, 전력생산부는 터빈(146)의 동력을 통해 전력을 생산할 수 있다. 전력생산부가 터빈(146)의 동력을 이용하여 전력을 생산하는 기술은 공지 기술이며, 통상의 기술자가 실시하기 용이하다는 점에서 구체적인 구성은 생략하도록 한다.
이하, 도 1 내지 도 3에 더해 도 4 내지 도 6을 참조하여 태양열 굴뚝 발전기(100)의 공기의 흐름을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이고, 도 5는 에어제트터널이 구비되지 않은 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에어제트터널을 구비한 태양열 굴뚝 발전기의 공기의 흐름 및 속력을 나타낸 그림이다.
우선, 도 4 에서 볼 수 있듯이, 태양열 굴뚝 발전기(100)는 공기가 에어제트터널(141)과 윈드터널(142)로 유입되어 상부의 굴뚝부(120)로 배출되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 5 및 도 6을 보면, 에어제트터널(141)이 구비된 태양열 굴뚝 발전기(100)와 에어제트터널이 구비되지 않은 태양열 굴뚝 발전기는 굴뚝부(120)의 동일 위치에서 공기의 속력이 크게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 에어제트터널(141)이 구비된 태양열 굴뚝 발전기(100)는 에어제트터널(141)이 구비되지 않은 태양열 굴뚝 발전기에 비해 공기의 유동이 빠르다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 에어제트터널(141)이 구비된 태양열 굴뚝 발전기(100)는 공기의 유동을 빠르게 하여 터빈(146)의 출력을 높일 수 있다.
이처럼 전술한 바와 같이 마련된 태양열 굴뚝 발전기(100)는 공기의 유동을 빠르게 함으로써, 터빈(146)의 출력을 증가시키고 전기 생산 효율을 높일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
발명의 실시를 위한 형태는 위의 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 함께 기술되었다.
본 발명의 태양열 굴뚝 발전기에 따르면 윈드터널이 유선형으로 이루어져 가열된 공기의 흐름이 열수집부에서 굴뚝부로 이동할 때, 윈드터널의 벽에 부딪히며 발생하는 저항을 최소화 할 수 있다.

Claims (11)

  1. 바닥부와 상기 바닥부로부터 상측으로 이격되어 마련되는 지붕부를 갖고, 태양열에 의해 내부의 공기가 가열되는 열수집부;
    상기 열수집부의 중앙으로부터 상측으로 연장되고 내측이 중공 형성된 굴뚝부;
    상기 굴뚝부의 하측으로 연장되어 상기 열수집부의 내부에 마련되는 강성부;
    상기 강성부의 중앙에 마련되는 에어제트터널과, 상기 에어제트터널의 둘레에 마련되며 내측에 터빈을 갖는 복수의 윈드터널을 포함하는 터널부; 및
    상기 터빈의 작동으로 전력을 생산하는 전력생산부를 포함하며,
    상기 터널부는 상기 공기가 상기 굴뚝부를 통과하여 외부로 배출되도록 유로를 형성하는 태양열 굴뚝 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 윈드터널은,
    상기 강성부의 측면에서부터 상기 강성부의 중심을 향해 소정의 길이로 수평하게 관통 형성되는 제1 파이프;
    상기 제1 파이프로부터 상측을 향해 유선형으로 절곡 연장되는 제2 파이프; 및
    상기 제2 파이프로부터 상기 강성부의 상면으로 연장되는 제3 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 윈드터널은 상기 제2 파이프로부터 분기되어 상기 에어제트터널의 하단과 연통되는 분기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 에어제트터널의 상단은 상기 제3 파이프에 비해 내경이 작은 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 제3 파이프의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 강성부는,
    몸체를 형성하는 본체; 및
    상기 본체의 외주면을 따라 형성되는 복수의 돌출체를 포함하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 파이프는 상기 돌출체 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈은 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴뚝부는 내경이 상부로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어제트터널의 내부에는 에어제트펌프가 더 마련되며, 상기 에어제트 펌프는 상기 에어제트터널의 내부로 유입된 공기를 상기 굴뚝부로 고속으로 배출하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어제트터널의 내경은 상측으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 것인 태양열 굴뚝 발전기.
PCT/KR2017/002670 2016-05-09 2017-03-13 태양열 굴뚝발전소의 터빈부 윈드터널에 대한 장치 WO2017195975A1 (ko)

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