현재 사용하고 있는 대다수의 에너지는 화석연료를 근간으로 만들어지고 있다. 그러나 화석연료는 현재의 사용량으로 지속적으로 소비할 경우 석유 40년, 석탄 200년, 천연가스 60년정도의 한정된 매장량으로 인하여 미래를 대비한 친환경적인 신재생에너지 개발 및 확대 급이 절실한 실정이다.(출처: 한국중부발전 블로그) 또한 세계적인 환경규제 강화와 유가급등으로 인해 화석연료에 대한 대체에너지 개발 및 확대가 본격화되고 있으며 기후변화협약이행을 위한 화석연료사용 축소와 신재생에너지 산업 확대에 총력을 집중하고 있는 추세다.(세계에너지통계,2017) 우리나라의 경우 현 정권의 원자력발전 억제 정책과 초미세먼지절감의 대책으로 노후 화력발전의 가동을 중단하는 등의 정책과 맞물려 더욱 더 신재생에너지에 대한 중요성이 대두되고 있다. 이러한 현황을 극복하기 위한 방안으로 신재생 에너지와 신재생에너지간의 융합으로 화석연료 에너지를 대체하는 노력이 필요하다고 사료된다.(한국과학기술기획평가원) 신재생에너지는 현재 주로 사용되는 화석 연료와 달리 고갈되지 않고 영구적으로 사용할 수 있는 에너지원으로서 이산화탄소 발생량이 경미하고 환경오염물질 발생이 적은 환경친화적인 청정에너지라 할 수 있다. 기존의 화석연료를 주로 사용하는 화력 발전소와 비교하여 높은 초기비용이 소요되고, 효율향상과 소음감소 등의 문제점을 해결하는 노력이 필요하지만 비교적 설치에 따른 ...
현재 사용하고 있는 대다수의 에너지는 화석연료를 근간으로 만들어지고 있다. 그러나 화석연료는 현재의 사용량으로 지속적으로 소비할 경우 석유 40년, 석탄 200년, 천연가스 60년정도의 한정된 매장량으로 인하여 미래를 대비한 친환경적인 신재생에너지 개발 및 확대 급이 절실한 실정이다.(출처: 한국중부발전 블로그) 또한 세계적인 환경규제 강화와 유가급등으로 인해 화석연료에 대한 대체에너지 개발 및 확대가 본격화되고 있으며 기후변화협약이행을 위한 화석연료사용 축소와 신재생에너지 산업 확대에 총력을 집중하고 있는 추세다.(세계에너지통계,2017) 우리나라의 경우 현 정권의 원자력발전 억제 정책과 초미세먼지절감의 대책으로 노후 화력발전의 가동을 중단하는 등의 정책과 맞물려 더욱 더 신재생에너지에 대한 중요성이 대두되고 있다. 이러한 현황을 극복하기 위한 방안으로 신재생 에너지와 신재생에너지간의 융합으로 화석연료 에너지를 대체하는 노력이 필요하다고 사료된다.(한국과학기술기획평가원) 신재생에너지는 현재 주로 사용되는 화석 연료와 달리 고갈되지 않고 영구적으로 사용할 수 있는 에너지원으로서 이산화탄소 발생량이 경미하고 환경오염물질 발생이 적은 환경친화적인 청정에너지라 할 수 있다. 기존의 화석연료를 주로 사용하는 화력 발전소와 비교하여 높은 초기비용이 소요되고, 효율향상과 소음감소 등의 문제점을 해결하는 노력이 필요하지만 비교적 설치에 따른 입지조건의 제약이 적어 임야, 축사, 공장지붕, 건물옥상 등 어느 곳이라도 설치가 가능하다는 장점이 있다. 즉 신재생에너지는 태양광, 태양열, 지열, 수력, 풍력, 해양, 바이오, 폐기물의 재생에너지와 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지의 신에너지를 말하는 것으로 특히 태양광발전과 함께 풍력발전에 대한 관심 및 투자가 급증하고 있어 주목된다. 태양광발전은 미래의 에너지원으로서 매우 중요한 요소이며, 우리나라가 보유한 세계적 반도체 생산기술과의 접목을 통하여 차세대 수출전략산업으로서 높은 부가가치를 가져다 줄 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여 다양한 제도적 장치 마련하고 핵심기술 개발을 지속적으로 추진해 나가야 할 것이다. 풍력발전은 1990년대 초부터 기술개발이 시작됐으며, 대기오염과 지구온난화를 방지 할 수 있는 청정에너지로 재생에너지중에 기술성장속도가 가장 빠르고 발전단가 역시 낮은 이유로 세계적으로 주목받고 있는 에너지원이다. 2004년 전 세계의 총 풍력발전량은 7,976MW로 매년 20%이상의 성장을 보이고 2010년 이후 4GW의 풍력에너지를 확보하고 있는 것으로 추정된다. 우리나라에서도 2020년까지 전체발전량의 9.4%를 풍력발전으로 확보한다는 목표를 설정하였다.(이순환,이화운,김동혁,김민정,김현구,한국환경과학회지 제18권,885∼897.2009) 이에 태양광과 풍력발전의 융복합을 통한 안전적인 전력생산과 도심형 발전소인 그린에너지시스템의 필요성이 대두되었다. 하지만 현재 우리나라의 평균풍속은 4m/sec에 미달하여 내륙지역 및 도심지역에서의 풍력발전의 효용성이 없는 것으로 판단되어, 해안이나 고산지역의 수평형 풍력발전을 제외하고 설치나 운용이 전무한 상태이다. 우리나라의 풍력발전에 대한 실시계획안을 보면 알 수 있듯이 우리나라의 내륙지역 및 도심지역에 대한 풍력발전에 대한 연구 및 대책이 시급하다고 사료된다. 이에 본 연구에서는 태양광발전과 융합한 도심형 풍력발전의 형태로 높이차와 집풍장치을 활용한 수직형 풍력발전시스템과 더불어 에너지저장장치와 ICT제어시스템을 갖춘 도심형 그린에너지시스템에 대하여 연구하였다.현재 주로 활용되고 있는 풍력발전 시스템은 크게 수직형과 수평형 두가지로 분류 된다. 그러나 이러한 풍력발전 시스템의 문제점은 바람의 방향이 일정하지 않아 풍력발전의 효율이 매우 낮다는 것이다. 그러나 본 연구에서 제안하는 풍력 발전 시스템은 풍향 및 와류에 대한 문제를 해결하고, 2m/sec의 도심 풍속을 발전이 가능한 4m/sec이상으로 가속하는 집풍장치를 통해 바람의 방향과 와류와 관계없이 저풍속에서도 저소음으로 지속적인 풍력발전이 가능한 집풍형 수직풍력발전시스템을 설계하고 그것은 확인하는데 목적이 있다. 또한, BAPV (Buliding Applied PV)를 효율적으로 융합하여 발전 효율을 높이는데 목적 있다. 본 연구에서 제안하는 수직형 풍력발전 시스템의 풍속 변화에 따른 발전출력의 변화를 통해 풍력발전 시스템의 출력을 전산 유체 역학 CFD ( Computational fluid dynamics) 시물레이션과 충청남도 천안시 병천면에 집풍장치와 1.5KW 와 3KW 용량의 수직형 풍력터빈을 겸비한 실험탑을 설치하여 1년간 MOCK-UP을 운용하여 본 연구에 대한 실증적인 데이터를 도출하였다. 현재 풍력발전 시스템의 문제는 바람의 방향이 불규칙적이어서 발전 효율이 낮은 것에 대한 문제점을 해결하기 위하여 집풍장치를 적용한 발전시스템을 이용하여 바람의 속도를 높여 바람의 방향에 관계없이 지속적인 발전을 할 수 있는 것을 확인 하였다. 이 MOCK-UP을 통하여 내륙지방에서도 높이차와 바람 방향이 불규칙한 도심에서 바람이 어느 방향에서 불어와도 발전이 가능한 기체운동이론에 근거한 집풍장치, 항력과 양력을 적용한 효율적인 수직형 터빈의 설계, 증속기의 운용, 안정적인 에너지저장장치을 통하여 효율적인 에너지를 생산 할 수 있음을 인지하였다. 최근 수직형 풍력 발전은 건물의 옥상, 축사의 싸이로 상부, 가로등뿐만 아니라 설치장소에 따라 용도가 다양하게 적용되고 활용되는 경향을 보이고 있다.
현재 사용하고 있는 대다수의 에너지는 화석연료를 근간으로 만들어지고 있다. 그러나 화석연료는 현재의 사용량으로 지속적으로 소비할 경우 석유 40년, 석탄 200년, 천연가스 60년정도의 한정된 매장량으로 인하여 미래를 대비한 친환경적인 신재생에너지 개발 및 확대 급이 절실한 실정이다.(출처: 한국중부발전 블로그) 또한 세계적인 환경규제 강화와 유가급등으로 인해 화석연료에 대한 대체에너지 개발 및 확대가 본격화되고 있으며 기후변화협약이행을 위한 화석연료사용 축소와 신재생에너지 산업 확대에 총력을 집중하고 있는 추세다.(세계에너지통계,2017) 우리나라의 경우 현 정권의 원자력발전 억제 정책과 초미세먼지절감의 대책으로 노후 화력발전의 가동을 중단하는 등의 정책과 맞물려 더욱 더 신재생에너지에 대한 중요성이 대두되고 있다. 이러한 현황을 극복하기 위한 방안으로 신재생 에너지와 신재생에너지간의 융합으로 화석연료 에너지를 대체하는 노력이 필요하다고 사료된다.(한국과학기술기획평가원) 신재생에너지는 현재 주로 사용되는 화석 연료와 달리 고갈되지 않고 영구적으로 사용할 수 있는 에너지원으로서 이산화탄소 발생량이 경미하고 환경오염물질 발생이 적은 환경친화적인 청정에너지라 할 수 있다. 기존의 화석연료를 주로 사용하는 화력 발전소와 비교하여 높은 초기비용이 소요되고, 효율향상과 소음감소 등의 문제점을 해결하는 노력이 필요하지만 비교적 설치에 따른 입지조건의 제약이 적어 임야, 축사, 공장지붕, 건물옥상 등 어느 곳이라도 설치가 가능하다는 장점이 있다. 즉 신재생에너지는 태양광, 태양열, 지열, 수력, 풍력, 해양, 바이오, 폐기물의 재생에너지와 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지의 신에너지를 말하는 것으로 특히 태양광발전과 함께 풍력발전에 대한 관심 및 투자가 급증하고 있어 주목된다. 태양광발전은 미래의 에너지원으로서 매우 중요한 요소이며, 우리나라가 보유한 세계적 반도체 생산기술과의 접목을 통하여 차세대 수출전략산업으로서 높은 부가가치를 가져다 줄 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위하여 다양한 제도적 장치 마련하고 핵심기술 개발을 지속적으로 추진해 나가야 할 것이다. 풍력발전은 1990년대 초부터 기술개발이 시작됐으며, 대기오염과 지구온난화를 방지 할 수 있는 청정에너지로 재생에너지중에 기술성장속도가 가장 빠르고 발전단가 역시 낮은 이유로 세계적으로 주목받고 있는 에너지원이다. 2004년 전 세계의 총 풍력발전량은 7,976MW로 매년 20%이상의 성장을 보이고 2010년 이후 4GW의 풍력에너지를 확보하고 있는 것으로 추정된다. 우리나라에서도 2020년까지 전체발전량의 9.4%를 풍력발전으로 확보한다는 목표를 설정하였다.(이순환,이화운,김동혁,김민정,김현구,한국환경과학회지 제18권,885∼897.2009) 이에 태양광과 풍력발전의 융복합을 통한 안전적인 전력생산과 도심형 발전소인 그린에너지시스템의 필요성이 대두되었다. 하지만 현재 우리나라의 평균풍속은 4m/sec에 미달하여 내륙지역 및 도심지역에서의 풍력발전의 효용성이 없는 것으로 판단되어, 해안이나 고산지역의 수평형 풍력발전을 제외하고 설치나 운용이 전무한 상태이다. 우리나라의 풍력발전에 대한 실시계획안을 보면 알 수 있듯이 우리나라의 내륙지역 및 도심지역에 대한 풍력발전에 대한 연구 및 대책이 시급하다고 사료된다. 이에 본 연구에서는 태양광발전과 융합한 도심형 풍력발전의 형태로 높이차와 집풍장치을 활용한 수직형 풍력발전시스템과 더불어 에너지저장장치와 ICT 제어시스템을 갖춘 도심형 그린에너지시스템에 대하여 연구하였다.현재 주로 활용되고 있는 풍력발전 시스템은 크게 수직형과 수평형 두가지로 분류 된다. 그러나 이러한 풍력발전 시스템의 문제점은 바람의 방향이 일정하지 않아 풍력발전의 효율이 매우 낮다는 것이다. 그러나 본 연구에서 제안하는 풍력 발전 시스템은 풍향 및 와류에 대한 문제를 해결하고, 2m/sec의 도심 풍속을 발전이 가능한 4m/sec이상으로 가속하는 집풍장치를 통해 바람의 방향과 와류와 관계없이 저풍속에서도 저소음으로 지속적인 풍력발전이 가능한 집풍형 수직풍력발전시스템을 설계하고 그것은 확인하는데 목적이 있다. 또한, BAPV (Buliding Applied PV)를 효율적으로 융합하여 발전 효율을 높이는데 목적 있다. 본 연구에서 제안하는 수직형 풍력발전 시스템의 풍속 변화에 따른 발전출력의 변화를 통해 풍력발전 시스템의 출력을 전산 유체 역학 CFD ( Computational fluid dynamics) 시물레이션과 충청남도 천안시 병천면에 집풍장치와 1.5KW 와 3KW 용량의 수직형 풍력터빈을 겸비한 실험탑을 설치하여 1년간 MOCK-UP을 운용하여 본 연구에 대한 실증적인 데이터를 도출하였다. 현재 풍력발전 시스템의 문제는 바람의 방향이 불규칙적이어서 발전 효율이 낮은 것에 대한 문제점을 해결하기 위하여 집풍장치를 적용한 발전시스템을 이용하여 바람의 속도를 높여 바람의 방향에 관계없이 지속적인 발전을 할 수 있는 것을 확인 하였다. 이 MOCK-UP을 통하여 내륙지방에서도 높이차와 바람 방향이 불규칙한 도심에서 바람이 어느 방향에서 불어와도 발전이 가능한 기체운동이론에 근거한 집풍장치, 항력과 양력을 적용한 효율적인 수직형 터빈의 설계, 증속기의 운용, 안정적인 에너지저장장치을 통하여 효율적인 에너지를 생산 할 수 있음을 인지하였다. 최근 수직형 풍력 발전은 건물의 옥상, 축사의 싸이로 상부, 가로등뿐만 아니라 설치장소에 따라 용도가 다양하게 적용되고 활용되는 경향을 보이고 있다.
Most energy resources that are currently being used are based on fossil fuels. However if continuously consumed at this amount, there are only enough reserves left for 40 years of oil consumption, 200 years of coal consumption and 60 years of LNG consumption. To prepare for the future, there is a gr...
Most energy resources that are currently being used are based on fossil fuels. However if continuously consumed at this amount, there are only enough reserves left for 40 years of oil consumption, 200 years of coal consumption and 60 years of LNG consumption. To prepare for the future, there is a great need for the development and expansion of new renewable energy. Due to global environmental regulations and soaring price of oil the development, expansion of an alternative energy source is in full swing. To fulfill the climate agreement a worldwide energy revolution from fossil fuels to low carbon, clean energy is taking place. Countries are focused on reducing fossil fuel consumption and on expanding the new renewable energy industry. The International Energy Agency (IEA) predicts 12 trillion dollars of investment in fields like new renewable energy, electric vehicles, energy storage system (ESS), and smart grids(intelligence power grids). In the case of South Korea, the importance of new renewable energy is on the rise, connected to the current government policy of suppressing nuclear power and reducing ultra fine dust particles. To prepare for this situation our only option would be to replace fossil fuels with solar, wind, geothermal, and tidal energy. New renewable energy can be renewed unlike fossil fuels and is non depletable. Also it is a environmentally friendly clean energy that has low carbon emissions. Compared to fossil fuels new renewable energy requires higher initial development costs and continuous research and development. However there are less constraints on where they can be installed. Renewable energy consists of renewable energy like sunlight, solar , geothermal, water, wind, marine, bio, and waste and also new energy like fuel cell, liquid coal gas, and hydrogen energy. The investment and attention for solar and wind energy is especially high which is noteworthy. Solar energy is a very important future energy source and combined with our world class semi conductor technology, it could create high added value as a next generation strategic export industry. To achieved this goal the promotion of an institutional strategy and the development of key technologies is necessary. The technological development of wind power generation began in the early 1990s. It is drawing the most attention world wide because wind energy has the fastest tech growth and lowest unit generation cost among other clean energy sources. In 2004 7,976MW of energy was generated from win power world wide. It is growing 20% annually and it is estimated the 4GW of wind energy is reserved after 2010. South korea has announced that they plan to generate 20% of the nations’s energy from wind power by 2020. Thereupon, the need for a green energy tower, an urban-type power plant that converges solar and wind power for stable power production and energy storage through ESS, has come to the fore. However there is no utility in wind power generation in the inland and urban areas because South Korea’s average wind speed in falls short of 4m/sec. Therefore excluding the coastal and high mountain areas the installation and usage of wind power generators is nonexistent. As you can see from South Korea’s plans for wind power generation, there is an urgent need for research and measures for inland and urban wind power generation. Therefore my research is on an urban-type green energy tower equipped with an energy storage system and Information & Communication Technology (ICT) control system, that converges solar power with an urban-type wind power generator that utilizes the difference in height and a wind augmentation device. For theoretical and experimental study, an experiment tower with a wind augmentations device and 1.5 KW and 3 KW vertical win turbines was constructed in Byeongcheon-myeon, Cheonan-si, Chungcheongnam-do. After conducting a MOCK-UP for one year, positive data was drawn. From this MOCK-UP experiment, it was found that efficient energy can be produced in the inland through a wind augmentation device that can generate power based on kinetic theory of gas, a vertical turbine that applies lift and drag, management of a gear box, and a stable energy storage system. Recently, vertical wind power generation has been used not only on the top of buildings, top of the Corral, streetlight but has been applied and utilized in various ways depending on where they are installed. Vertical wind power generators have simple inner structures and are easy to install and therefore globally many cases of commercialized vertical wind power generators with designs harmonious to urban buildings have been appearing. The purpose of this research is to demonstrate and present the effectiveness and validity of urban-type green energy towers utilizing solar power and wind augmentation devices.
key words : Solar Power Generation, Vertical Wind Power Generators, Green Energy Tower, Wind Augmentation Device.
＊A thesis for the degree of Doctor in February 2019
Most energy resources that are currently being used are based on fossil fuels. However if continuously consumed at this amount, there are only enough reserves left for 40 years of oil consumption, 200 years of coal consumption and 60 years of LNG consumption. To prepare for the future, there is a great need for the development and expansion of new renewable energy. Due to global environmental regulations and soaring price of oil the development, expansion of an alternative energy source is in full swing. To fulfill the climate agreement a worldwide energy revolution from fossil fuels to low carbon, clean energy is taking place. Countries are focused on reducing fossil fuel consumption and on expanding the new renewable energy industry. The International Energy Agency (IEA) predicts 12 trillion dollars of investment in fields like new renewable energy, electric vehicles, energy storage system (ESS), and smart grids(intelligence power grids). In the case of South Korea, the importance of new renewable energy is on the rise, connected to the current government policy of suppressing nuclear power and reducing ultra fine dust particles. To prepare for this situation our only option would be to replace fossil fuels with solar, wind, geothermal, and tidal energy. New renewable energy can be renewed unlike fossil fuels and is non depletable. Also it is a environmentally friendly clean energy that has low carbon emissions. Compared to fossil fuels new renewable energy requires higher initial development costs and continuous research and development. However there are less constraints on where they can be installed. Renewable energy consists of renewable energy like sunlight, solar , geothermal, water, wind, marine, bio, and waste and also new energy like fuel cell, liquid coal gas, and hydrogen energy. The investment and attention for solar and wind energy is especially high which is noteworthy. Solar energy is a very important future energy source and combined with our world class semi conductor technology, it could create high added value as a next generation strategic export industry. To achieved this goal the promotion of an institutional strategy and the development of key technologies is necessary. The technological development of wind power generation began in the early 1990s. It is drawing the most attention world wide because wind energy has the fastest tech growth and lowest unit generation cost among other clean energy sources. In 2004 7,976MW of energy was generated from win power world wide. It is growing 20% annually and it is estimated the 4GW of wind energy is reserved after 2010. South korea has announced that they plan to generate 20% of the nations’s energy from wind power by 2020. Thereupon, the need for a green energy tower, an urban-type power plant that converges solar and wind power for stable power production and energy storage through ESS, has come to the fore. However there is no utility in wind power generation in the inland and urban areas because South Korea’s average wind speed in falls short of 4m/sec. Therefore excluding the coastal and high mountain areas the installation and usage of wind power generators is nonexistent. As you can see from South Korea’s plans for wind power generation, there is an urgent need for research and measures for inland and urban wind power generation. Therefore my research is on an urban-type green energy tower equipped with an energy storage system and Information & Communication Technology (ICT) control system, that converges solar power with an urban-type wind power generator that utilizes the difference in height and a wind augmentation device. For theoretical and experimental study, an experiment tower with a wind augmentations device and 1.5 KW and 3 KW vertical win turbines was constructed in Byeongcheon-myeon, Cheonan-si, Chungcheongnam-do. After conducting a MOCK-UP for one year, positive data was drawn. From this MOCK-UP experiment, it was found that efficient energy can be produced in the inland through a wind augmentation device that can generate power based on kinetic theory of gas, a vertical turbine that applies lift and drag, management of a gear box, and a stable energy storage system. Recently, vertical wind power generation has been used not only on the top of buildings, top of the Corral, streetlight but has been applied and utilized in various ways depending on where they are installed. Vertical wind power generators have simple inner structures and are easy to install and therefore globally many cases of commercialized vertical wind power generators with designs harmonious to urban buildings have been appearing. The purpose of this research is to demonstrate and present the effectiveness and validity of urban-type green energy towers utilizing solar power and wind augmentation devices.
key words : Solar Power Generation, Vertical Wind Power Generators, Green Energy Tower, Wind Augmentation Device.
＊A thesis for the degree of Doctor in February 2019
주제어
#태양광발전 풍력발전 그린에너지타워 집풍장치 Solar Power Generation Vertical Wind Power Generators Green Energy Tower Wind Augmentation Device
학위논문 정보
저자
조영태
학위수여기관
충북대학교
학위구분
국내박사
학과
환경·도시·화학공학부 환경공학전공
지도교수
김재용
발행연도
2019
총페이지
x,101 p.
키워드
태양광발전 풍력발전 그린에너지타워 집풍장치 Solar Power Generation Vertical Wind Power Generators Green Energy Tower Wind Augmentation Device
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