KR101407647B1

KR101407647B1 - 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템

Info

Publication number: KR101407647B1
Application number: KR1020120079397A
Authority: KR
Inventors: 조병성; 권오훈; 안대현; 최승렬; 박종순; 김재용
Original assignee: 주식회사 신바람
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-06-13
Also published as: KR20140012455A

Abstract

본 발명은 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드와, 상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드의 회전력에 의해 전기를 생산하는 병렬발전기와, 상기 병렬발전기에 의해 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터를 포함하여 이루어지는 소형풍력발전시스템에 관한 것이다.

Description

도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템{SMALL-SIZED WIND POWER GENERATING POWER SYSTEM USING WIND THROUGH THE ROOF-RAILING OF THE BUILDING}

고층 건물의 옥상 난간 사이를 통해 부는 틈새 바람은 풍속, 풍향이 일정치가 않아 기존의 풍력발전시스템을 통해서는 풍력발전을 이루기가 어렵다.

본 발명은 이와 같은 풍속, 풍향이 일정치 않은 틈새 바람을 에너지원으로 활용하기 위하여, 적합한 블레이드를 구성하고, 상기 블레이드를 이용하여 풍력발전시스템을 구성함으로써 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 에너지원으로 활용할 수 있는 수직축 소형풍력발전시스템에 관한 것이다.

풍력에너지는 기존의 석탄, 태양열, 태양광발전의 소요면적에 비하여서도 확연히 적은 면적을 차지한다는 연구결과와 함께 풍력 발전은 공해물질 저감 효과도 매우 커 200kW급 풍력 발전기 1대를 1년간 운전하여 400,000kWh의 전력을 생산한다면 약 120~200톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO₂ 2~3.2톤, NOx 1.2~2.4톤, CO₂ 300~500톤, 슬래그(slag)와 분진(ash) 16~28톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160~280kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다.

위와 같이 풍력발전은 고갈되지 않는 무공해 에너지로서, 석탄 및 화석연료의 대체 에너지로 사용되어 높은 공해물질 처리 효과를 갖는다.

풍력발전 기술은 상당히 많이 개시되어 있기는 하나, 현재 건축물의 옥상 난간에서 부는 틈새 바람을 이용하는 기술은 거의 없는 상태이다.

다만, 대한민국 공개특허 10-2011-0051397(공개일자 2011년05월18일) '수직축 풍력발전용 터빈로터와 수직축 풍력발전시스템', 대한민국 등록특허 10-0761471(등록일자 2007년09월18일) '풍력날개 보호기능이 구비된 수직축 풍력발전장치', 대한민국 등록특허 10-0490683(등록일자 2005년05월11일) '수직축 풍력발전 장치', 대한민국 등록특허 10-0839485(등록일자 2008년06월12일) '다수 로터블레이드가 장착된 수직축 풍력발전장치'에서 개시된 바와 같이, 수직축 풍력발전장치에 대해 개시되어 있기는 하나, 본 발명에서 요구되는 틈새 바람을 이용하여 풍력발전을 이루기 위해서는 건축물의 난간을 통과해서 부는 풍속, 풍향이 다른 바람을 이용하기에 적합한 블레이드의 구성이 요구되나, 이와 같은 블레이드의 구성이 적합하지 않아 본 발명에서 이루고자하는 틈새 바람을 이용한 풍력발전이 원활히 이루어질 수 없다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 건축물의 난간을 통해 부는 풍속, 풍향이 일정치가 않은 틈새 바람을 이용하여 원활한 풍력발전을 이룰 수 있도록 블레이드를 구성하고, 이와 같은 틈새 바람에 적합한 블레이드를 포함하는 수직축 소형풍력발전시스템을 구성함으로써 본 발명의 완성에 이르게 되었다.

대한민국 공개특허 10-2011-0051397(공개일자 2011년05월18일) 대한민국 등록특허 10-0761471(등록일자 2007년09월18일) 대한민국 등록특허 10-0490683(등록일자 2005년05월11일) 대한민국 등록특허 10-0839485(등록일자 2008년06월12일)

상기한 바와 같이, 본 발명은 풍속, 풍향이 일정치가 않은 건물 옥상 난간의 틈새 바람에 적합한 블레이드를 구성하고, 이와 같은 블레이드를 포함한 수직축 풍력발전시스템을 이룸으로써 이전에는 에너지원으로 활용되지 않던 틈새 바람을 이용하는 수직축 소형풍력발전시스템을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하고자,

본 발명은 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드와,

상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드의 회전력에 의해 전기를 생산하는 병렬발전기와,

상기 병렬발전기에 의해 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터를 포함하여 소형풍력발전시스템을 구성하는 것으로서,

상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드는 수직 방향으로 형성된 회전축과, 상기 회전축의 상단과 하단에 고정되어 상기 회전축을 중심축으로 하여 방사형으로 형성되는 다수의 수평바와, 상기 상단과 하단에 형성되어 있는 수평바 각각에 회전축을 두어 바람의 방향에 따라 회전하는 다수의 소형블레이드로 이루어진 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템을 주요 기술적 구성으로 한다.

본 발명에 따른 수직축 소형풍력발전시스템은 고층 건물의 옥상 난간 사이에서 불어오는 풍속, 풍향이 일정치 않아 풍력발전에 활용하기 어려운 틈새 바람을 본 발명에서 개시하고 있는 블레이드를 사용하여 풍력발전을 이룸으로써, 건물단위의 자체 전력생산에 의한 전력 공급이 가능하게 되어 외부 에너지 의존도를 현저히 낮춤으로써 국가 차원의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 소형풍력발전시스템의 전체 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드를 보인 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드의 회전 동작의 상태를 보인 도면.
도 4는 본 발명의 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드를 구성하는 수평바의 구조를 보인 도면.

상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 구체적으로 살펴보고자 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이,

수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)와,

상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)의 회전력에 의해 전기를 생산하는 병렬발전기(20)와,

상기 병렬발전기(20)에 의해 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)(이하, '블레이드(10)'라 한다.)는 본 발명에 있어 중요 기술로서, 상기 블레이드(10)는 풍향에 상관없이 한쪽 방향으로만 회전되도록 구성되어 있기 때문에 풍향, 풍속의 변화가 많은 고층 건물 옥상의 난간 사이로 부는 틈새바람을 이용하여 풍력발전을 이루기에 적합하다.

상기 블레이드(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수직 방향으로 형성된 회전축(101)과, 상기 회전축(101)의 상단과 하단에 고정되어 상기 회전축(101)을 중심축으로 하여 방사형으로 형성되는 다수의 수평바(102)와, 상기 상단과 하단에 형성되어 있는 수평바(102) 각각에 회전축을 두어 바람의 방향에 따라 회전하는 다수의 소형블레이드(103)로 이루어진다.

상기 회전축(101)에 고정되어 수평방향으로 방사형으로 형성되는 수평바(102)는 사각 판넬 형상의 소형블레이드(103)가 상·하로 고정되도록 함으로써, 고정된 지점을 회전중심축으로 하여 바람이 부는 방향에 따라 소형블레이드(103)가 움직일 수 있도록 한다.

이때 상기 수평바(102)는 도 4에 도시된 바와 같이, 측단면이 '┛' 형상을 이루고 있어, 소형블레이드(103)가 회전은 하되 180°이내에서 회전되도록 회전 반경을 제한하는 기능을 갖는다.

그리고, 상기 소형블레이드(103)는 도 4에 도시된 바와 같이, 인접하는 블레이드와 중첩될 수 있을 정도의 폭을 가져, 블라인드 구조를 이루게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 블레이드(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 회전하면서 한쪽 방향은 블라인드 구조로 전면이 바람이 통과할 수 없도록 막힌 구조를 이루어 불어오는 바람의 에너지를 그대로 받아 회전력을 갖게 되고, 다른 한쪽 방향은 다수의 소형블레이드(103)가 개방됨으로써 바람이 큰 저항을 받지 않고 그대로 통과하게 됨으로써 한쪽 방향으로만 회전을 유지하도록 하여 효율적인 풍력발전을 이룰 수 있도록 한다.

이와 같이 형성된 소형블레이드(103)는 중첩구조를 이루기 때문에 회전시에 소형블레이드(103) 간의 충돌이 지속적으로 발생하게 되며, 이와 같은 소형블레이드(103) 간의 충돌에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 경량이면서 내구성이 높은 재질로 제조한다.

즉, 상기 소형블레이드(103)는 인장강도(MPa) 52.2, 압축강도(MPa) 81.1, 휨강도(MPa) 63.8, 인장전단 부착강도(MPa) 11.6인 에폭시 수지 50~60wt%에

인장강도(kgf/㎠) 22,500, 탄성계수(1×10⁶kgf/㎠) 1.19, 파단변형(1×10^-6) 18,908, 밀도(gf/㎤) 1.44인 아라미드 섬유 40~50wt%로 함침시켜 제조된 것을 사용한다.

상기 에폭시 수지의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 소형블레이드의 성형성이 떨어지고, 60wt%를 초과하게 되는 경우에는 성형성은 좋아지나 본 발명에서 요구되는 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 에폭시 수지의 사용량은 아라미드 섬유에 대해 50~60wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 아라미드 섬유는 PPTA 사슬의 집합체가 원의 반지름 방향을 배향된 주름잡힌 판상 구조를 가진다고 알려져 있다. 주름의 폭은 약 250nm이고, 주름과 주름의 접경에는 약 30nm 정도 폭의 띠가 주기적으로 형성되어 있으며, 주름과 주름의 각도는 약 170°정도이다.

상기 아라미드 섬유의 사용량이 40wt% 미만인 경우에는 소형블레이드의 내구성이 떨어질 수 있고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 에폭시 수지의 사용량이 줄어들어 소형블레이드의 성형성이 떨어질 수 있으므로, 상기 아라미드 섬유의 사용량은 에폭시 수지에 대해 40~50wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 소형블레이드(103)를 구성하는 성분들의 배합예는 더욱 바람직하게 상기 에폭시 수지 60wt%와 아라미드 섬유 40wt%의 배합비를 갖는 것이 바람직하다.

그리고 상기 블레이드(10)의 회전력은 병렬발전기(20)를 통해 전기 생산에 이용된다. 상기 병렬발전기(20)는 기존 발전기를 병렬로 연결하고 병렬 발전기를 이루는 것으로서, 기존의 방식과 달리 정격발전 풍속 이하의 저풍속 구간에서 발전량 저하를 보완하고, 정격발전 풍속에서 Cut-out 풍속 구간까지의 풍량을 전기로 전환할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기 병렬발전기(20)는 자석식 또는 권선형을 사용한다.

상기 자석식은 영구자석 동기발전기로서, 풍력발전 시스템은 전구간에서 공역학적 효율을 최대로 할 수 있다. 또한 계통연계 및 운영을 위한 기술 수준 및 요건사항들이 날로 강화되고 있어 계통에 연계되는 유효전력제어, 무효전력 제어, 전압 및 주파수 제어를 위한 Full power converter가 채택되고 있다.

상기 영구자석 동기발전기는 표면부착 영구자석 동기 전동기이다. 풍력발전 시스템에 사용되는 영구자석 동기풍력발전기의 경우 매입형 영구자석 동기발전기에 비해 제작상의 용이함 및 매입형과 비슷한 특성이 있는 표면부착형 영구자석 동기전동기가 많이 사용되며, 이와 같은 표면부착 영구자석 동기발전기의 경우 d-축 인덕턴스와 q-축 인덕턴스가 동일한 값을 가진다. 영구자석 동기발전기의 쇄교자속을 구성하는 성분은 고정자 전류와 회전자 자속성분이다.

상기 일반권선형 동기발전기는 전력변환장치에 의한 가변속 정전압 정주파수 변환이 가능하며, 기어 없는 발전기로 이용된다. 높은 출력밀도를 가진 영구자석을 사용함으로써 넓은 운전 범위와 고효율을 가지게 되며, 이를 통해 발전기의 경량화가 가능하고, 기어가 없기 때문에 하부구조 경량화가 가능하다.

상기 인버터(30)는 풍력발전기에서 발생하는 전력을 기존의 부하에 공급하기 위해서는 하이브리드 운전을 통해 얻어지는 DC전원을 AC전원으로의 변환이 필요하다.

본 발명에 따른 풍력발전시스템은 옥상 건물의 난간에서 발생하는 바람을 효과적으로 활용하여 전력을 생산해 냄으로써 소규모의 건물에 필요한 전력을 자급자족할 수 있기 때문에 에너지 절약적인 측면에 있어 산업상 이용가능성이 크다.

10: 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드
20: 병렬발전기
30: 인버터

Claims

수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)와,
상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)의 회전력에 의해 전기를 생산하는 병렬발전기(20)와,
상기 병렬발전기(20)에 의해 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터(30)를 포함하여 소형풍력발전시스템을 구성하는 것으로서,
상기 수직축 비금속성 다익 저소음형 블레이드(10)는 수직 방향으로 형성된 회전축(101)과, 상기 회전축(101)의 상단과 하단에 고정되어 상기 회전축(101)을 중심축으로 하여 방사형으로 형성되는 다수의 수평바(102)와, 상기 상단과 하단에 형성되어 있는 수평바(102) 각각에 회전축을 두어 바람의 방향에 따라 회전하는 것으로서 아라미드 섬유가 함침된 에폭시 수지로 이루어진 다수의 소형블레이드(103)로 이루어진 것에 있어서,
상기 다수의 소형블레이드(103)는 인장강도(MPa) 52.2, 압축강도(MPa) 81.1, 휨강도(MPa) 63.8, 인장전단 부착강도(MPa) 11.6인 에폭시 수지 50~60wt%에
인장강도(kgf/㎠) 22,500, 탄성계수(1×106kgf/㎠) 1.19, 파단변형(1×10-6) 18,908, 밀도(gf/㎤) 1.44인 아라미드 섬유 40~50wt%로 함침시켜 제조된 것으로,
상기 아라미드 섬유는 PPTA 사슬의 집합체가 원의 반지름 방향을 배향된 주름잡힌 판상 구조를 가진 것으로 주름의 폭은 약 250nm이고, 주름과 주름의 접경에는 약 30nm 정도 폭의 띠가 주기적으로 형성되어 있으며, 주름과 주름의 각도는 약 170°정도임을 특징으로 하는 도시 건축물 옥상의 틈새 바람을 이용한 수직축 소형풍력발전시스템.
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