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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 초고층 건물의 소형풍력발전시스템 적용방안을 제시함으로써 초고층 건물의 에너지 저감 기술력 확보와 풍력발전시스템 적용방안 관련 연구의 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 이 때, 적용목표는 담당 전력량과 같은 에너지 성능 목표와 디자인 목표로 나눌 수 있다. 다음으로 전산유체역학 시뮬레이션을 수행하여 건물의 기류분석을 통해 풍속이 높고 난류 발생이 적은 지점을 도출함으로써 시스템의 최적 설치 위치를 선정한다. 설정된 목표와 설치 위치에 따라서 시스템을 선정하고 배치하도록 한다.
- 대상 건물의 결과를 분석하기 위해 Fig. 4와 같이 대상 건물의 수직 방향으로 50 m씩 높이 250 m까지 총 5부문으로 나누었으며, 건물 옥상 면 270 m와 헬리포트가 위치한 284 m 부분을 추가로 나누었다. 해석 영역은 주풍향이 불어오는 옥상 부분을 중심으로 수평방향으로는 주풍향을 직각으로 받는 건물의 정면부분과 측면부분까지 총 9부분으로 나누어 분석을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 국내에서 신에너지 및 재생에너지개발·이용·보급촉진법 시행규칙 제7조 1항의 설비인증심사기준, 제2항의 설비심사기준, IEC 61400 시리즈를 기반으로 작성된 소형풍력발전시스템의 설비심사세부기준에서 총 14장의 시험기준을 고려요소로 선정하였다.
- 본 연구에서는 건물 주위의 형상변화에 따른 유동박리의 정확한 해석을 위해 전산유체역학 시뮬레이션 프로그램인 STAR-CCM+ 4.02를 사용하여 기류분석을 실시하였다. 시뮬레이션 설정조건은 Table 5와 같다.
- 본 연구에서는 신재생에너지 관련 프로젝트의 표준 통합 분석 평가 프로그램인 RETScreen을 이용하여 대상 건물에 적용된 소형풍력발전시스템 7대의 연간 발전량을 산출하였다. 기상청에서 제공한 영등포 지역 10 m 높이에서의 실측 풍속과 소형풍력발전시스템 업체에서 제공하는 제품 사양을 참고하여 소형풍력발전시스템 7대의 연간 발전량을 산출한 결과, 총 17 MWh/년으로 나타났다.
- 본 연구에서는 적용 가능성 평가, 적용계획, 적용방안 검토로 나누어 실제 초고층 건물에 소형풍력발전시스템을 적용 및 평가하였다.
- 앞서 도출한 대상 지역, 대상 건물, 소형풍력발전시스템의 고려요소를 바탕으로 하여 초고층 건물의 소형풍력발전시스템 적용 프로세스를 Fig. 1과 같이 제안하였다. 적용 단계는 적용 가능성 평가단계, 적용계획 단계, 적용 방안 검토 단계로 구성되어 있다.
- 4와 같이 대상 건물의 수직 방향으로 50 m씩 높이 250 m까지 총 5부문으로 나누었으며, 건물 옥상 면 270 m와 헬리포트가 위치한 284 m 부분을 추가로 나누었다. 해석 영역은 주풍향이 불어오는 옥상 부분을 중심으로 수평방향으로는 주풍향을 직각으로 받는 건물의 정면부분과 측면부분까지 총 9부분으로 나누어 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 대상 건물에 적용할 소형풍력발전시스템은 출력이 높고 풍향에 관계없이 운전이 가능한 수직형 제품으로 선정하였으며 사양은 Table 7과 같다. 내부 블레이드는 항력형의 사보니우스, 외부 블레이드는 양력형의 다리우스인 이중 블레이드 구조로 되어 있어 시스템의 효율을 높인 제품이다.
- 대상 건물은 서울 영등포구 여의도동에 위치한 IFC 건물 중 THREE IFC로 최고 높이는 284 m이며, 건물 높이에 따른 풍속의 증가로 얻을 수 있는 풍력 에너지를 활용하여 소형풍력발전시스템의 설치 가능성이 있다고 판단된다.
이론/모형
- 소형풍력발전시스템의 적용 가능성을 평가하기 위해 대상 건물 높이에서 발생하는 풍속을 Deacon 방정식을 이용하여 도출하였다. Deacon 방정식에서 지면 거칠기는 대도시 기준인 1.6 m로 적용하였으며, 풍속은 기상청에서 기상예보를 위해 10 m에서 실측한 1.7 m/s를 적용하였다. 풍속 보정 결과, Table 4와 같이 높이가 증가함에 따라 풍속도 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 100 m 높이에서는 4.
- 소형풍력발전시스템의 적용 가능성을 평가하기 위해 대상 건물 높이에서 발생하는 풍속을 Deacon 방정식을 이용하여 도출하였다. Deacon 방정식에서 지면 거칠기는 대도시 기준인 1.
성능/효과
- 대상 건물에서 풍력발전시스템을 최적 위치에 설치할 경우, 주풍향을 기준으로 횡렬로 평행하게 배치되기 때문에 이때의 적정이격거리는 로터지름의 2∼4배가 최적이다.(2) 선정된 풍력발전시스템인 3 kW급의 로터지름은 4 m이므로 최소 적정이격거리는 8 m이며, section A의 길이는 52.5 m로 4대, section B는 34.5 m로 3대, 최대 7대의 소형풍력발전시스템을 설치할 수 있는 것으로 나타났다.
- 50∼200 m 높이에서는 대상 건물을 포함한 모든 건물의 후면으로 소용돌이 형태의 난류영역이 형성되었으며, ONE IFC와 대상 건물 사이에서는 벤츄리 효과로 인해 5 m/s의 강한 풍속의 바람이 흘러나가는 것으로 나타났다.
- 각 지점에서 난류영역은 평균적으로 건물 옥상 바닥면에서 최대 2 m 높이까지 분포하기 때문에 타워의 높이를 2 m 이상으로 하여 소형풍력발전시스템을 설치하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 건물 옥상 바닥을 기준으로 높이 2 m 지점에서 section A에서의 평균 풍속은 약 6.
- Section 11은 헬리포트에 의한 상승 난류의 영향으로 인하여 상대적으로 풍속이 약하게 나타났으며, 측면에서의 난류영역이 커지는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 헬리포트 앞부분에 위치한 지점들이 소형풍력발전시스템을 설치하기에 유리할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 신재생에너지 관련 프로젝트의 표준 통합 분석 평가 프로그램인 RETScreen을 이용하여 대상 건물에 적용된 소형풍력발전시스템 7대의 연간 발전량을 산출하였다. 기상청에서 제공한 영등포 지역 10 m 높이에서의 실측 풍속과 소형풍력발전시스템 업체에서 제공하는 제품 사양을 참고하여 소형풍력발전시스템 7대의 연간 발전량을 산출한 결과, 총 17 MWh/년으로 나타났다.
- 6%로 나타났고, 계절별로는 봄철이 약 30%로 가장 높은 비율을 보였다. 대상 건물 높이에서는 평균 풍속과 5 m/s 이상 비율이 더 높아질 것으로 예상되며, 소형풍력발전시스템 적용에 적합한 것으로 판단된다.
- 3은 대상 건물 단지 시뮬레이션 분석 결과로, 주풍향이 불어오는 쪽의 건물들은 대체적으로 강한 풍속 분포를 보였다. 대상 건물의 경우 수직적 높이에 따라서 강한 풍속 분포를 보였으며, 건물 옥상에서의 최대 풍속은 약 6.5 m/s로 나타나 같은 높이에서의 보정풍속인 5 m/s보다 26% 증가율을 보였다. 이는 소형풍력발전시스템을 운전에 필요한 최소 풍속인 3 m/s보다 2배 이상 높은 풍속이기 때문에 결과적으로 건물 옥상은 소형풍력발전시스템을 설치하기에 적합한 풍환경으로 판단된다.
- 먼저 적용 가능성 평가 단계에서 대상 지역 및 건물에 대한 풍향 및 풍속 자료를 분석하고 전산유체역학 시뮬레이션을 실시한 결과 소형풍력발전시스템 적용에 적합한 환경으로 판단하였다.
- 소형풍력발전시스템 옥상 설치 시 이격거리를 포함한 시스템 하나의 설치면적은 8.73 ㎡, 설치 하중은 1 ton이며, 단위 면적당 작용하는 하중은 114.5 kg/㎡로 건물 옥상의 등분포적재하중 기준인 500 kg/㎡에 크게 미치지 못하므로 구조적 문제 또한 없을 것으로 판단된다.
- 적용계획 단계에서는 건물의 전력 사용량을 분석하여 적용 목표를 설정하고 전산유체역학 시뮬레이션을 통한 건물의 기류분석을 실시한 결과, 주풍향을 가장 먼저 맞이하는 쪽 모서리 부분이 풍속이 높고 난류 발생이 적은 것으로 나타나 소형풍력발전시스템 적용에 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 적용방안 검토 단계에서는 적용계획 단계에서 수립한 적용 방안을 RETScreen 평가도구를 통하여 소형풍력발전시스템의 에너지 성능을 평가한 결과 연간 17 MWh/년의 전력량을 생산할 수 있는 것으로 산출되었다.
- 7 m/s를 적용하였다. 풍속 보정 결과, Table 4와 같이 높이가 증가함에 따라 풍속도 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 100 m 높이에서는 4.04 m/s, 200 m 높이는 4.73 m/s 마지막으로 300 m 높이에서는 5.12 m/s의 풍속이 나오는 것을 예측할 수 있다. 또한 대상 건물 높이인 284 m에서는 약 5.
- 하지만 TWO IFC의 건물 높이인 199 m 이상부터 대상 건물에 대한 간섭이 점차 줄어들고 높이 270 m에서는 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 상층부로 갈수록 대상 건물 뒤쪽의 난류 영역 역시 점차 줄어드는 것으로 나타났다. 주풍향의 영향을 가장 먼저 받는 면에서 최대 6.
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