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글쓴이 운영자 날짜 2014-11-11
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조회수 : 153793   

제 목 : 유인풍력타워발전기에 관한 연구
유인풍력타워발전기에 관한 연구
{A study for Induced Wind Tower Generator}
By


RYU CHANG-MYONG
(류창명)
PROFESSIONAL ENGINEER IN MECHANICAL
(건설기계기술사/산업기계설비기술사)


AND

PES ENGINEERING
(피이에스기술사사무소 대표)
MECHANICAL ENGINEERING CONSULTATION
ADVISER/FOUNDER
http://www.pes21.com
wine@pes21.com
info@pes21.com
82+10-7515-3761



초록본



최초 작성일자 : 2013년 05월24일
최종 수정일자 : 2018년 03월20일





--- 목 차---
요 약

1. 새로운 수직축 풍력 발전기 소개

2. 유인풍력타워발전기의 터빈 회전 원리
2.1 풍력타워 내부의 풍속 특성
2.2 풍력타워 내부의 평균 풍속

3. 유인풍력타워발전기의 효율과 베츠(Betz)의 한계

4. 유인풍력타워발전기와 대기식 풍력 발전기의 비교

5. 수직축 양력형(Air Foil-Type) 풍력터빈의 유동 특성

6. 유인풍력타워발전기의 설계 및 제작
6.1 선행연구
6.1.1 유인풍력타워발전기 터빈 선정
6.2 양력형(Air Foil-Type) 풍력 터빈
6.2.1 양력형 풍력 터빈 설계 및 제작
6.2.2 CONFIGURATION OF WIND TURBINE
6.3 항력형(Drag-Type) 풍력 터빈
6.3.1 항력형 풍력 터빈 설계 및 제작
6.3.2 CONFIGURATION OF WIND TURBINE

7. 실험 장치

8. 성능 시험 결과
8.1 터빈 형상 별 무부하 성능 비교
8.2 시험 결과

9. 유인풍력타워발전기의 표준 설비 용량

결 론

유인풍력발전기 사양비교
조감도
참고 문헌
저자 소개

요 약
오늘날 신재생 에너지에 관하여 수많은 전문 엔지니어들과 과학자들이 보다 효율적이고, 경제성이 있는 제품 개발에 몰두 하고 있으나, 상용화 까지는 아직 해결 과제가 많다. 특히, 자연대기의 바람을 활용하는 풍력 발전기는 현재 수평축 해외 전문 업체 개발 제품을 그대로 국내에 수입하여 강원도 대관령 풍력단지와 경상도 영덕풍력 단지를 개발하였으나, 현재의 상업성은 기대했던 것과는 달리 매우 저조하다고 알려져 있다. 이는 우리나라에서 부는 바람의 풍질이 실험실에서의 조건과는 너무나 차이가 많기 때문이다. 이러한 이유는 첫째, 우리나라의 풍질은 바람이 부는 방향과, 풍속이 일정하지 않고 시시각각으로 변하기 때문이다. 둘째는 현재 수입하여 사용되고 있는 수평축 풍력 발전기의 특성과 밀접한 관계가 있다. 특히, 수평축 풍력 발전기의 문제점 중 하나는 우리나라의 풍질 조건에서 출력 성능이 매우 떨어진다는 문제도 있지만, 소음, 진동 및 친환경적이지 못하다는 점들 또한 큰 문제점으로 꼽을 수가 있다. 또한, 출력 부분에서 무엇보다 문제가 되는 것은 정격풍속이 12m/s에서 정상 출력이 되도록 되어있지만 우리나라 내륙의 평균 풍속이 3.5m/s임을 고려한다면 경제성이 매우 떨어 질 수밖에 없다. 여기에 대기 소음 문제 또한 2MW 수평축 날개의 원주 속도는 대략 105m/s에 이른다. 이는 음속의 1/3에 해당하는 속도이며 별도의 풍력 단지를 조성하지 않고서는 주변 환경에 영향을 줄 수밖에 없다는 것이다. 결국, 이러한 문제를 해소하기 위한 대안으로 해상 풍력단지 개발이 제안되었으나 이것 또한 환경파괴 및 경제성 문제로 인해 난항을 맞고 있다.

주제어 : 유인풍력발전기, 유인풍력타워발전기, 차압식 풍력발전기, 수직축 풍력발전기, 바람막이풍력타워발전기, 풍력발전기

ABSTRACT:
Nowadays, various expert engineers and scientists have been trying to find and develop a renewable energy in more economy and efficiency products. However, there is much far behind study for commercial goods.
Especially for wind power generation, most of technology and manufacturing have to be imported from advanced country and have been operating wind power generation in several designed area in Korea.
It is known that the efficiency of output is lower than expected because the wind condition and quality is absolutely different comparing with the laboratory. One of the reasons is the wind direction and the speed is too much altered in time and area.
Secondly, not only the efficiency is very low in this condition but also imported horizontal wind turbines that have so many problems such as noise and vibration exceeding 1/3 time of sonic velocity during normal operations at 12m/s of wind speed.
Particularly, the average wind velocity (3.5m/s) of inland is much less than that of 12m/s normal operations of wind turbine as well as the noise of 1/3 sonic velocity at the normal operations, that is the cause of another environmental problems as well as the effect on surroundings of human life even though they are trying to build it offshore.

Key Words : Pressure Different Vertical Stacking Wind Tower, Vertical wind turbine, Lifting-up Multi-Air Foil Fan for Vertical Wind Turbine, Lifting-up Multi-Drag Type Fan for Vertical Wind Turbine.

1. 새로운 수직축 풍력 발전기 소개
수직축 풍력 발전기에 대해서는 전문 업체 및 수많은 개발자들이 수 년 동안 연구 한 결과 수평축에 대비한 효율성과 구조적인 문제로 인하여 개발을 포기한지가 오래다. 하지만, 수평축 풍력 발전기의 문제점을 해소하고 종래의 수직축 풍력발전기의 단점을 개선할 수 있는 발전기가 있다면 풍력발전기의 새로운 세대를 만들 수 있을 것이라 기대한다.
대기상의 바람은 풍속과 풍향이 시시각각으로 변하여 풍력 에너지 전환 효율이 매우 떨어지며, 특히, 수평축 풍력 발전기는 소음 및 진동으로 인하여 친환경적이지 못하고, 수직축 풍력 발전기는 효율이 수평축에 비하여 약 절반 정도로 떨어지는 것으로 알려져 있다. 즉, 종래의 기술인 풍력 발전기는 대기상의 바람의 속도 에너지를 터빈 날개를 이용하여 직접 에너지 전환을 하기 때문에 터빈 날개를 통과하는 바람의 전체량에서 에너지 전환 없이 일정한 양을 배출시키지 않을 수가 없다. 이것이 베츠의 원리이며, 베츠의 원리에 따라 바람의 최대 에너지 전환 효율을 최대 59.3%로 제한을 받게 된다. 하지만, 이러한 종래의 수평축 풍력 발전기의 단점과 수직축 풍력발전기의 저효율 및 대형화의 난점을 한꺼번에 개선 할 수 있는 유인풍력타워발전기(일명 “차압식 풍력 발전기”)를 소개하고자 한다.

2. 유인풍력타워발전기의 터빈 회전 원리
대기상의 바람은 유체 역학적으로 자체 추진력이 없기 때문에 대기상의 압력차에 따라 단지 공기가 이동하는 것이 바람이다. 즉, 대기상에 존재하는 공기의 온도 변화에 따른 밀도차에 의해 발생하는 대류 현상으로 인하여 공기가 이동하는 현상을 바람이라고 볼 수 있으며, 유체 역학적으로 정압+동압=불변(대기압)의 원칙을 적용한 것이다.
따라서, 바람은 넓은 공간에서 좁은 공간으로 이동할 경우 유체역학에서의 연속의 법칙(입구측유량=출구측유량), (유량=단면적*속도)이 적용되지 않기 때문에 벤츄리 효과와 같이 좁은 공간에서 풍속이 가속 될 수가 없다는 것이다. 즉, 이웃하는 빌딩 간에 좁은 공간을 바람이 통과하는 것을 일컫는‘빌딩풍’의 경우 마치 바람이 가속되는 것처럼 볼 수 있으나, 유체 역학적으로는 이러한 현상은 결코 발생하지 않으며, 사실은 빌딩 간의 입구에서 들어가는 바람은 정체되고 빌딩 간의 반대편에서 흡입 부압에 의해 바람은 연속적으로 빨려 들어가게 되는데 이러한 현상이 마치 들어가는 바람이 가속된 것처럼 보이게 되는 것이다.
차압식 풍력 발전기의 특징은 대기상의 바람의 특성을 이용하여 건축 구조물에 바람막이를 설치하여 바람의 속도를 줄이면, 구조물 외부와 구조물 중심부 간에 발생하는 압력차를 이용하여 구조물 내부 중심부에서 구조물 후방으로 흡입되는 것으로 중심부에 설치된 풍력 터빈에 의해 바람의 에너지를 기계적 에너지로 전환시키는 풍력 발전용 구조물(타워)이다.
특히, 종래의 풍력타워는 바람을 집풍하여 압력차를 이용하는 원리를 사용하였으나, 유인풍력타워발전기는 구조물로 유입되는 바람을 바람막이로 이용하여 최대한 효율적으로 바람의 속도를 줄여서 구조물 전후면의 압력차를 최소의 손실로 유발시키는 것이 특징이다. 즉, 외부에서 불어오는 바람을 현재 알려진 집풍관식 풍력타워와 같이 바람을 풍집시키는 원리와는 전혀 다르게 대기상의 바람이 보유한 속도에너지를 최소의 손실로 압력에너지로 전환시켜, 다시 구조물 외부와 내부간의 흡입 부압차를 이용하는 것이다. 즉, 바람이 보유한 속도 에너지(동압)를 바람막이를 이용하여 부압의 정압으로 전환시켜 이 때 발생하는 구조물의 반대편에서 발생하는 흡입 부압에 의해 터빈 중심부의 공기를 구조물 뒤편으로 토출시키는 원리를 이용한 것이다. 즉, 터빈의 중심부에서 구조물 뒤편으로 빨려 들어가 터빈의 토출 방향으로 빠져 나가기 때문에 베츠의 효율 한계에 근접한 출력 효율을 갖는 것이 특징이다. 특히, 대기상에서의 수직축 풍력 터빈의 단점인 회전 반대측에 유입되는 바람으로 인한 회전 저항을 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 풍질 개선으로 풍력의 에너지 전환 효율을 극대화시킬 수 있으며, 종래의 풍력 발전기가 안고 있는 소음 및 진동 문제를 해소시킴과 동시에 수직축 풍력 발전기의 대용량화를 시킬 수 있는 풍력 발전 시스템이다. 따라서, 이러한 원리에 따른 풍력발전기를 본 연구자는 유인풍력타워발전기(Induced Wind Tower Generator)라고는 명칭 하였다. 마치 현존하는 팬에서 FDF 팬(Forced Draft Fan)과 IDF 팬(Induced Draft Fan)을 비유한다면 IDF 팬에 비유하였다.







2.1 풍력타워 내부의 풍속 특성
대기상의 바람에서 가속 현상이 발생되지 않는 이유는 다음과 같이 정리할 수 있다.
1) 유체의 압축은 밀폐된 공간에서만 가능하다.
2) 밀폐 공간이 없는 대기 상태에서는 공기의 정압(게이지압)은
0 kg/cm^2이다.
3) 유체의 가속은 연속의 법칙이 성립되어야 하는데, 정압이 존재하지
않으면 연속의 법칙이 성립되지 않는다.
(연속법칙 : 유체의 입.출구 유량은 불변(Q1=Q)2 Q1=A1*V1,
Q2=A2*V2)
4) 밀폐 공간이 아닌 유체의 압력 형성 조건(즉, 압축성 유체의 조건)
가. 유체의 밀도 변화가 5% 이상 발생
나. 유체의 속도가 초속 120 m/s 이상(마하 0.3 이상)
다. 시속 300 km/h(초속 83m/s)로 달리는 자동차에 부딪치는 공기

2.2 풍력타워 내부의 평균 풍속

이상의 자료에서 대기 풍속의 평균 풍속과 풍력타워 내부의 평균 풍속을 비교한 결과, 풍력타워 내부의 풍질이 63% 개선되는 것을 알 수 있다.


3. 유인풍력타워발전기의 효율과 베츠(Betz)의 한계
종래의 기술인 풍력 발전기는 대기상의 바람의 속도 에너지를 터빈 날개를 이용하여 직접 에너지 전환을 하기 때문에 터빈 날개를 통과하는 바람의 전체량에서 에너지 전환 없이 일정한 양(입구측 유속의 1/3)을 배출시키지 않으면 풍력 에너지 전환 효율이 오히려 떨어지게 된다. 이것이 베츠의 원리이며, 베츠의 원리에 따라, 바람의 최대 에너지 전환 효율을 최대 59.3%(입구측 유속의 약 2/3)로 제한을 받게 된다. 하지만 유인풍력타워발전기의 특징은 구조물 뒤편에서 발생하는 흡입 부압에 따라, 터빈의 중심부에서 구조물 후방으로 빨려 들어가 터빈의 토출 방향으로 빠져 나가기 때문에 베츠의 한계에 근접한 에너지 전환 효율을 갖게 된다. 즉, 종래의 풍력 발전기는 출구측 토출 압력을 이용하는 FD 팬(Forced Draft Fan)에 비유할 수 있으며, 유인풍력타워발전기는 흡입측 부압을 이용하는 ID(Induced Draft Fan)팬에 해당된다고 할 수 있다. 따라서, FD 팬의 출구측 토출 압력은 바람의 관성 저항력과 공기와의 마찰로 인하여 토출측 압력은 거리 제곱에 반비례하여 크게 줄여들게 되어 FD 팬의 유효 거리는 극히 제한을 받을 수밖에 없다. 하지만, 흡입측 부압을 이용하는 ID 팬은 흡입측 부압을 이용하기 때문에 관로 마찰 손실을 제외하면 상대적으로 거리에 제한을 적게 받게 된다. 이것이 유인풍력타워발전기의 터빈이 베츠의 한계에 근접한 에너지 전환 효율을 갖게 되는 이유가 된다.




4. 유인풍력타워발전기와 대기식 풍력 발전기의 비교
유인풍력타워발전기의 가장 큰 장점은 종전의 기술 대비 바람의 에너지 최대 전환 효율을 59.3%(베츠의 원리)에 근접한 에너지 전환 효율로 향상시켜, 기존의 대기식 수직축 풍력발전기 대비 약 3배 이상의 풍력에너지 전환 효율을 향상시킬 수가 있으며, 또한 종래의 풍력타워 발전기 대비 각각의 층이 완전한 독립 구조물로 형성하여 제작과 설치 시공이 용이하도록 하였다는 점이다. 또한, 종래의 수평축 풍력발전기의 소음 및 진동 문제를 완전히 해소시켜 친환경적으로 고안하였으며, 차압식 풍력 발전기의 특징 중 하나인 양력 날개에 타워 내부의 유동에 맞게 영각을 주어 양력성분모멘트와 항력성분모멘트를 크게하여 출력을 향상 시킨 것이 특징이며 종전의 풍력발전기 대비 장점을 나열하면 다음과 같다.

1) 최저 기동 풍속 : 5m/s
2) 운전 효율 : 53% 이상
3) 소음 및 진동 : 없음
4) 운전 및 유지 보수 : 무인 운전 시스템 구축
5) 설치 입지 조건 : 제한 없음
6) 환경적 친화력 : 무소음 무진동에 따른 친환경적임
7) 표준 설비 용량 : 200kW
8) 바람막이 벽체에 공기정화장치로 미세먼지 저감기능











5. 수직축 양력형(Air Foil-Type) 풍력터빈의 유동 특성
현재 일반적으로 사용되는 대기 상태에서의 풍력 발전기용으로 사용되는 양력형(Air Foil-Type) 날개의 회전력 발생에 관하여 정리하면 다음과 같다.
즉, Air Foil 날개 형상의 상부와 하부로 통과하는 공기의 유동 속도 차이에서 발생되는 압력 차이에 따라 날개 상부에 회전력이 발생되는 원리를 이용한 것이 양력형 날개의 특성이다. 하지만, 수직축 풍력 발전기에 사용되는 양력형 풍력 터빈의 회전 원리는 수평축 풍력 발전기에 사용되는 양력형 날개의 회전 원리와는 전혀 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 수평축 날개의 회전력은 회전 반경에 따라 내부에는 항력성분모멘트를 이용하며, 날개 원주 방향으로 갈수록 양력성분모멘트를 이용하여 날개 전체의 회전력모멘트를 크게 할 수 있도록 설계되어 있다. 따라서, 수평축 풍력 발전기에 사용되는 양력형 날개를 이렇게 설계하는 이유는 날개를 통과하는 공기의 유동 속도가 일정 속도 이하에서는 양력이 매우 적기 때문이다. 즉, 양력이 발생되는 조건은 날개 상부의 곡선 부위를 통과하는 공기의 유동 속도는 날개 하부의 직선 부위를 통과하는 공기 유동 속도보다 반드시 큰 경우에만 날개 상부와 하부에 압력차가 발생된다. 하지만, 수직축 풍력발전기의 회전 속도가 이러한 조건을 만족시킬 수 없는 경우에는 어떻게 될까? 즉, 상기 2.1 4)항에서 언급한 대기 상태에서 유체의 압력 형성 조건을 만족시키지 못하는 경우는 비록 양력형 날개를 사용하였지만 실제로 대기상의 바람의 유동을 층류로 가정하고, 일정 이하의 풍속에서는 양력성분모멘트는 크게 저하된다고 보는 것이다. 이러한 이유에서 대부분의 수직축 풍력 발전기에 사용되는 양력형 날개에는 영각(Angle of Attack)이 주어진다. 바로 이 영각은 수직축 풍력터빈의 유동 특성상 양력을 발생시키는 것이 아니라, 양력형 날개에 항력성분모멘트를 발생시켜 날개에 회전력을 발생시킨다. 즉, 수직축에 사용되는 양력형 날개는 회전축의 회전각에 따라 날개의 영각(Angle of Attack)이 변하며, 이때의 영각의 변화는 날개의 회전 각에 따라 0도에서 90도까지 변하게 되며, 즉, 회전축의 회전각에 따라 변하는 영각은 날개에 항력이 작용하여 축에 회전력을 발생시키게 된다. 일반적으로, 송풍기 또는 펌프와 같이 고속 회전력에 사용되는 양력형 날개에는 이 영각은 실속이라는 것을 발생시키는데 이는 일정 속도 이상에서는 영각로 인하여 양력이 급속히 감소되고 항력이 증가되어 효율이 저하되는 현상을 말하는데, 수직축 풍력 발전기에는 날개의 원주 속도가 적음에 따라 이러한 실속 현상은 피할 수가 있다. 따라서, 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력형 날개는 이러한 영각을 충분히 주어 항력이 가능한 많이 발생되도록 설계하는 것이 바람직 할 것이다. 본 연구 실험에서는 영각을 주어지지 않은 조건에서는 회전력이 발생되지 않았으며, 23.5도에서 최대의 회전력이 발생하였다. 이는 일반적으로 적용하는12.5도 보다도 영각이 크며, 고속 회전기기 날개에 적용하면 실속으로 인하여 실제로 적용이 불가능한 각도이나, 저속의 수직축 풍력 발전기에는 항력성분모멘트를 증가시켜 최대의 효율을 나타낸다는 것을 확인하였다.




6. 유인풍력타워발전기의 설계 및 제작
6.1 선행연구
6.1.1 유인풍력타워발전기 터빈 선정
유인풍력타워발전기에 사용되는 풍력 터빈의 날개 형식은 크게 양력식과 항력식으로 구분 할 수 있으나, 일반적으로 항력식 중 사보니우스 날개 2개가 비교적 성능이 우수하다고 평가 받고 있다. 하지만, 사보니우스의 날개는 구조적으로 고풍에 대한 구조강도 보강으로 인하여 수직 하중이 증가되어 결국, 대형 풍력 터빈에서는 오히려 효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 유인풍력타워의 구조적인 특성을 이용하여 이러한 항력식(Drag-Type) 풍력 터빈의 구조적인 결함을 보강 할 수 있는 방안을 찾을 수만 있다면, 소형 풍력 발전기에서는 종래에 사용되는 양력식(Air Foil-Type) 보다는 우수한 효율을 나타낼 수 있을 것이라 기대한다.

6.2 양력형(Air Foil-Type) 풍력 터빈
6.2.1 양력형 풍력 터빈 설계 및 제작
실험 모형으로 터빈의 직경은 120mm, 구조물 원형 타워의 직경은 280mm로 선정하였으며, 날개의 길이는 100mm, 날개의 폭은 25mm, 날개의 수는 그림-1, 그림-2와 같이 TSR(Tip Speed Ratio)가 1.0 이상과 이하를 가정하여 각각 1개의 날개와 2개의 날개를 장착하였다. 특히, 풍력 타워의 각각의 층은 날개의 형상 별로 구분하여 4개의 층으로 구성하였으며, 최상부 옥상 층에는 타워 내부에 설치한 터빈과 동일한 사양으로 대기 상태에서의 터빈의 성능과 비교 할 수 있도록 하였다.

6.2.2 CONFIGURATION OF WIND TURBINE
1) BLADE TYPE : Lifting-up Multi-Air Foil Fan
2) TURBINE DIAMETER(d) : 120mm
3) HEIGHT : 100mm
4) NUMBER OF BLADE : 3
5) BLADE WIDTH : 25mm
6) TOWER DIAMETER(D) : 280mm
7) WIND SPEED : 3m/s ~ 15m/s


그림-1 그림-2
6.3 항력형(Drag-Type) 풍력 터빈
6.3.1 항력형 풍력 터빈 설계 및 제작
동일한 풍력 타워 내부에 항력식 풍력 터빈의 실험 모형으로 터빈의 직경은 120mm, 날개의 길이는 100mm, 날개의 폭은 18mm로 하여 그림-3, 그림-4와 같이 각각의 층에 날개 1개와 2개를 구분하여 장착하였다.

6.3.2 CONFIGURATION OF WIND TURBINE
1) BLADE TYPE : Drag-Type of Arc Shaped Blade Fan
2) TURBINE DIAMETER(d) : 120mm
3) HEIGHT : 100mm
4) NUMBER OF BLADE : 3
5) BLADE WIDTH : 18mm(터빈반경*0.3)
6) BLADE GAP : 12mm(터빈반경*0.2)
7) CHORD OF BLADE : 42mm(터빈반경*0.7)
8) AREA OF REFLECTION(Swept Area) : 0.0042m^2
9) TOWER DIAMETER(D) : 280mm
10) WIND SPEED : 3m/s ~ 15m/s


그림-3 그림-4

7. 실험 장치
유인풍력타워발전기의 실험은 1/35 축소 나무 모형을 제작하여 수행하였으며, 1층에는 종래의 1개의 양력 날개, 2층에는 2개의 다단 양력 날개, 3층에는 종래의 1개의 항력 날개, 4층에는 2개의 다단 항력 날개, 옥상 층에는 대기 상태의 종래의 1개의 항력 날개를 각각 장착시켜 수직축 항력형과 양력형을 각각 비교 할 수 있도록 하였으며, 또한 풍력 타워의 효과를 비교하기 위하여 3층과 대기 상태의 옥상 층에는 항력형의 동일한 풍력 터빈을 장착하여 각각 성능을 비교 할 수 있도록 하였다. 하지만, 본 실험에서는 모형을 나무로 제작함에 따라 실제 발전 출력은 볼 수가 없었으며, 동일한 조건에서 풍력 터빈의 무부하 회전력과 차압식
풍력 타워의 효과를 확인하는데 본 실험의 목적을 두었다.


(옥상층) (1층) (2층) (3층) (4층)



(15층 실험 모델)







8. 성능 시험 결과
8.1 터빈 형상 별 무부하 성능 비교

8.2 시험 결과
유인풍력타워 내부에 장착한 종래의 항력식은 양력식에 비해 성능이 현저히 떨어지는 것으로 나타났으며, 양력식 중에서도 다단 양력식 풍력터빈이 종래의 단단식 보다도 성능이 월등함으로 나타났다. 특히, 옥상층 대기 상태에 장착한 풍력 터빈 보다는 차압식 풍력 타워 내부에 장착한 풍력터빈의 성능이 약 3배에 가까운 회전수를 나타내었다.

9. 유인풍력타워발전기의 표준 설비 용량
유인풍력타워발전기의 최대 장점은 무엇 보다고 친환경적임과 동시에 구조적으로 단위 층을 임의 설계가 가능함에 따라 설비 용량 선정이 용이하다고 볼 수 있다. 즉, 단위 층의 높이를 5m를 기준으로 할 때 이때의 풍력 터빈의 터빈의 직경은 10m, 타워의 직경은 20m가 된다. 이 조건에서 해안가의 평균 풍속을 7m/s를 기준으로 할 때 단위 층의 이론적인 예상 출력은 공기밀도*투영면적*풍속^3*효율(53%)*0.5=1.2kgf/m^3*5m*10m*7^3m/s/1000*53%*0.5=6Kw가되며, 이러한 타워를 15층으로 적층한다면 총 예상 출력은 약 90kW이며 이를 수평축 2MW 년 평균 출력은 약 180kW이므로 출력 성능은 약 50% 수준이나, 국내 해안가의 평균 풍속(7m/s)에서 풍력으로 전력을 생산할 수 있는 한국형 최적의 풍력발전기라고 볼 수 있다.

결 론
2000년 초부터 국.내외에서 다양한 수직축 대형 풍력 발전기를 개발하였다고 하여 많은 언론에서 보도가 되었으나, 상용화에 있어서는 하나 같이 모두 실패하고 말았다. 그 이유는, 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 모형과 원형의 차이점에 대하여 정확하고 과학적인 분석이 부족한데 기인한다. 간단한 예를 든다면, 풍력발전기를 개발하여 출력을 측정할 경우 무부하 상태에서 출력을 볼 수도 있다. 하지만, 발전기의 원리 중에는 코킹(COGGING)이라는 것이 있다. 즉, 발전기의 무부하 상태에서 부하가 걸리면 발전기의 회전력은 부하량에 해당하는 힘만큼의 역회전의 힘이 걸린다는 것이다. 이러한 현상은 마치 빌딩 간에 바람이 가속되는 것을 느낄 수가 있는 것처럼 실제와 이론에는 차이가 있기 때문이다. 새로운 제품을 개발하기 위해서는 수많은 시험과 조건을 달리하여 검증할 필요가 있다. 이는 실험실에서는 발생되지 않으나, 현장에서는 해당 시험의 조건이 다름에 따라 발생할 수도 있기 때문이다. 따라서, 지금까지의 수직축 풍력발전기 개발에 대한 일반적인 시각은 냉담할 정도이다. 무엇보다도 새로운 기술에 대한 검증 절차가 남아 있고 상용화를 위해서는 신 개발품에 대해서는 실증을 통한 추가적인 인증 절차가 남아 있다. 하지만, 현재 주종을 이루고 있는 수평축 풍력발전기는 더 이상 기대하기는 어렵다고 본 연구자는 판단할 뿐 만 아니라, 수직축 풍력발전기 또한 수 년 전에 이미 학계에서 조차 이제 더 이상 개발 가치가 없다고 사형 선고를 내렸지만, 유인풍력타워발전기는 수직축 풍력 발전기의 새로운 기술로서 종래의 수평축 풍력 발전기와 그 성능을 겨룰 수 있는 대안임에는 의심의 의지가 없을 것이라 확신한다.
비록, 이번 실험에서 축소 모형의 나무로 사용한 실험 장치를 사용함으로 인하여 풍력 터빈의 실제 출력 성능은 확인할 수 없었지만, 각각의 층에 다양한 풍력 터빈을 장착하여 새로 개발한 유인풍력타워발전기의 특성에 맞는 풍력 터빈의 날개 회전 성능을 비교할 수 있었던 것은 향후 유인풍력타워발전기 개발에 크게 도움이 될 것으로 사료된다.

유인풍력타워발전기 사양 비교
유인풍력발전기와 기존의 수평축과 수직축 풍력 발전기에 비교하여 장단점을 정리하면 다음과 같다.

수평축 풍력 발전기
수평축 풍력발전기의 정격 출력 2MW(2000kW)으로 년 간 시간당 실제 평균 출력 결과는 약 240kW로써 정격 풍속 12m/s 이상에서 출력되는 유도 발전기의 특성상 한국의 육상 평균 풍속을 3.5m/s, 제주도 해안 9.5m/s라고 볼 때 현실적으로 수평축 풍력 발전은 한국의 풍자원에 맞지 않는 풍력 발전기라고 판단됨.
결론적으로 정격 풍속 12m/s이하에서 한전 전기로 공회전 시켜 풍속 12m/s 이상에서 발전을 한다고 본다면 정격 용량의 약 1/10 수준으로서 경제성이 없다고 보는 것이다.

수직축 풍력 발전기
수직축 풍력 발전기는 수평축에 비하여 상대적으로 바람이 부는 방향에 덜 영향을 받는다는 것은 장점이다. 하지만, 수직축의 단점은 수평축과 같이 회전 방향과 반대 방향 양쪽에 동일한 바람을 맞아 어느 한쪽에서는 회전 저항 발생을 피할 수가 없는 것이다.
또한, 기존의 수직축 풍력 발전기의 단점은 수직 중력 저항으로 터빈의 크기에 크게 제한을 받으며 현재 약 3kW 이상은 상용이 어려운 것이 현실이다. 또한, 터빈 회전축의 지점이 상부 자유단 구조로써 구조적으로 터빈 직경의 크기에도 제한을 받는다.

유인풍력발전기
수평축과 수직축의 단점을 보완하기 위하여 바람의 속도 에너지를 압력 에너지로 전환시킨 것이 차압식이며, 터빈 외부에 4개의 바람막이를 90도 방향에 45도 각도로 설치하여 바람의 방향이 순간적으로 90도 이상 바뀌지 않는 이상 터빈의 회전 저항이 발생하지 않는 것이 특징이다. 즉, 바람이 부는 반대 방향에서의 출구측 부압에 의해 회전하는 것이 차압식 풍력 터빈의 회전 원리이며, 기존의 수직축 풍력 터빈의 회전 저항을 해소한 모델이라고 볼 수 있다.
특히, 바람막이 상하부에 각각의 상판과 바닥판으로 구성되어 자연적으로 터빈의 회전축 상하부가 구조적으로 양단 회전단으로 구성되어 터빈의 크기에 상대적으로 제한을 덜 받게 된다.
차압식 풍력터빈의 경제적 크기는 터빈의 직경은 10m이며, 이때 바람막이의 외부 직경은 20m로서 터빈과 바람막이의 직경비는 1 : 2가 된다. 따라서, 풍력 터빈을 적층하여 대형화시키면 15층 적층 기준으로 타워직경 20미터, 높이 75미터의 타워 크기를 갖게 되며, 풍속 12m/s 기준에서 예상 출력은 450kW가 된다. “끝”






유인풍력타워발전기 조감도









참고 문헌
1) 박준용, 이명재, 이승진, 이승배, “고효율 소형 수직축 풍력터빈의 공력성능에 관한 실험적 연구,” 대한 기계학회논문집, B권 제33권, 제8호 pp 580-588, 2009
2) 신지영, 손영석, 차득근, 이철균, 황이철, “수직축 풍력터빈 블레이드의 공기역학적 특성” 한국마린엔지니어링학회지, 제30권, 제8호, pp 877-844,2006
3) 홍철현, “사보니우스 풍력 터빈의 효율 향상을 위한 연구”
한국마린엔지니어링학회지, 제35권, 제2호, pp 121-122, 2011.03
4) Blackwell, B.B Sheldahi, R.E and Feltz, L.V., "Wind-tunnel performance data for two and three-bucket Savonius rotors," Sandia Laboratories Energy Report, SAND76-0131, also Journal of Energy, Vol. 2 pp160-164 1978


저자 소개
피이에스기술사사무소 대표
/건설기계기술사/산업기계설비기술사
기계공학 기술사 저자 (총21권)
http://www.pes21.com
창원기계공업고등학교 졸업(3회)
경남대학교 기계공학과 졸업(83)

- 주요 경력

1991년 ~ 1998년 : 두산중공업(탈기기 및 급수가열기 설계)
1999년 ~ 2004년 : 압력용기 및 열교환기 구조설계
2005년 ~ 2006년 : 중저속내연엔진/발전 계통설계
2007년 ~ 현재 : 건설/시공/감리

- 보유 자격 : 건설기계기술사 / 산업기계설비기술사

- 주요 연구 논문

1) 배관 플랜지면 부식원인과 대책 방안(영문)

2) 배관 플랜지 가스켓 파손 원인 및 방지책(국문)

3) 방수 콘테이너 사이폰 누수 현상(영문)

4) 철골 기초용 앵카볼트 요구 묻힘 길이(국문)

5) 차압식 수직축 적층 풍력 발전 (국문)

6) 철골 양카볼트 묻힘 길이에 관한 고찰(국문)

7) 고장력 볼트용 와셔의 최적 설계에 관한 연구 (국문)

8) 구조물 보강판 최적 형상에 관한 연구 (국문)

9) 파이버 레이져 버(BURR) 발생 메카니즘 (국문)

10) 열교환기 구조설계 기준 및 튜브 누설 원인 (국문)

11) 저장탱크 앙카볼트 최적 설계에 대한 고찰 (국문)

12) 사이로 구조설계 안전성 진단 (국문)

13) 놀이기구 회전목마 구조안전성 검토

14) 무동력 진공모세관 냉난방기 열효율

15) 열교환기 튜브 누설 원인 규명 (국문)

16) 교반기 브레이드 파손 원인 규명

17) 컨베이어 설계 및 재질 선정 기준 (국문)


주요 연구 개발 안내
2001년 : 탈기기 설계자동화 프로그램
2003년 : 화공열교환기 구조설계 웹프로그램
2005년 : 압력용기/열교환기 견적 자동화 프로그램
2007년 : 무동력 가압 양수 발전기(발명특허
출원 번호 :10-2009-0100012)
2012년 : 하이브리드-자연순환식 수차발전기(발명특허
출원 번호 :10-2012-0143279)
2014년 : 차압식 수직축 적층 풍력타워(발명특허
출원 번호 :10-2014-0019350)
2018년 : 바람막이 풍력타워발전기(발명특허
출원번호 : 10-2018-0037587)
2018년 : 수직축풍력타워용 터빈날개(발명특허
출원번호 : 10-2018-0041683)
2018년 : 풍력발전기용 이중소재 양력날개(발명특허
출원번호 : 10-2018-0039372)
2018년 : 공기청정기능 바람막이 풍력타워 발전기(발명특허
출원번호 : 10-2018-0039337)




* 원문은 자료실에 있음
http://www.pes21.com/home_56/room_solution/dataroom.ASP
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