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고속철도 열차 주행풍의 풍력발전 활용성에 대한 연구
Study on Potential Utility of Wind Power Generation Based on Driving Wind of High-Speed Trains 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.10, 2017년, pp.681 - 687  

김제근 (우송대학교 일반대학원 철도전기 시스템학과) ,  서기범 (우송대학교 일반대학원 철도전기 시스템학과)

초록
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본 논문은 고속철도 차량 주행풍에 기반한 풍력 발전의 가능성을 분석한다. 저자는 풍속계와 데이터 분석 프로그램을 포함한 풍속 측정 장비를 구성하였으며, 이를 활용해 실제 고속 철도 차량 노선 부근에서 주행풍의 특성을 측정하였다. 저자는 반복적인 측정을 통해 주행풍 특성의 변화를 야기할 수 있는 다양한 요인들의 영향을 고려하였다. 우선적으로, 저자는 터널의 유무 및 계곡 지형 요인에 의해 구분되는 세 지점에서 개별적으로 주행풍의 풍속 및 지속 시간을 측정하여, 지형 요인에 따른 주행풍의 특성 차이를 분석한다. 또한 세 단계에 걸쳐 높이를 점증시키며 주행풍의 특성을 측정해, 차량과의 상대적인 높이에 따른 주행풍의 변화를 분석한다. 나아가 주행 차량의 특성을 고려하여, 길이와 중량에서 차이가 있는 Korean Train eXpress (KTX) 차량과 Super Rapid Train (SRT) 차량에 따른 주행풍의 차이를 분석한다. 끝으로 측정된 주행풍의 풍속 및 지속 시간을 토대로, 실제 풍력 발전에 도입할 경우 얻을 수 있는 풍력 에너지 수준을 도출하고, 이를 통해 기대되는 효용성에 대해 논의한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We investigated the potential for wind-power generation using the wind produced by express trains. We built equipment to detect the wind velocity, including wind meters and a data analyzer. We considered various conditions that might change the wind. First, we measured the velocity and duration of t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문은 풍력 자원으로써 기대 가치가 큰 고속의 철도 차량 기반 주행풍의 활용성을 보다 엄밀하고 체계적인 실험 연구를 통해 검증하고자 한다. 이를 위해, 고속철도 차량의 궤도 근방에서 고속철도 차량에 의한 주행풍의 풍속이 다양한 조건 하에서 실험적으로 측정된다.
  • 본 논문은 고속철도 차량에 의한 주행풍에 대한 연구를 보고하였다. 연구를 위해 고속철도 차량 주행풍의 특성 측정을 위한 시스템이 자체적으로 구성되었고, 이를 활용해 계곡 지형과 터널의 유무에 따라 구분되는 평산터널 상선 선로 부근, 평산 터널 하선 선로 부근, 송정고가 하선 선로 부근의 세 지형 조건하에서 고속철도 차량 주행풍의 풍속 및 지속 시간이 측정되었다.
  • 본 논문의 2장에서는 연구의 방법론에 대해 소개하며, 실험에서 활용된 풍속 측정 장비 및 풍속 측정 절차와 풍력 에너지의 산출 방법을 설명한다. 본 논문의 3장은 다양한 주행 조건 하에서 측정된 주행풍의 특성을 시연하고, 각 조건이 주행풍에 미치는 영향에 대해 논의한다. 마지막으로 본 논문의 4장에서 본 연구의 요약과 결론을 제시한다.
  • 해당 제품은 본 연구 결과를 토대로 실제 선로변에서 풍력 발전 시스템을 구축하기에 적합한 모델이며, 풍속과 평균 전력의 정량적 관계는 선택된 제품을 이용할 시 실제로 얻어지는 전력량이 실험적으로 측정된 결과에 해당한다. 본 연구에서는 측정된 풍속 데이터를 통해 제품의 풍속 대비 전력의 관계를 적용해 전력을 도출하며, 실험적으로 측정된 주행풍의 지속 시간을 곱해 전력 에너지의 계산이 수행된다. 제품 정보에서 제공되는 풍속과 평균 전력의 해석적 관계는 제품 정보에서 제공되는 데이터를 토대로 지수 함수로 근사되었으며, 이는 아래 수식과 같다.
  • 근사에 사용된 풍속에 따른 전력의 데이터 및 근사화된 결과는 그림 3과 같다. 저자는 다양한 조건에서 측정된 주행풍의 풍속, 지속 시간과 식 (1)을 활용해 최종적으로 고속 철도 차량의 주행에 의한 가용 풍력 에너지를 정량적으로 논의하고자 한다.

가설 설정

  • 특히 최적화된 지형 및 높이 조건에 해당하는 평산 터널 상선 차량 부근 3 단 높이에서 가용한 KTX 주행풍 기반 풍력 에너지는 169 kWh에 달한다. 따라서 해당 위치에 풍력 발전기를 설치할 경우 시간 당 KTX 차량과 SRT 차량이 각각 5 회씩 주행하는 것을 가정하면, 단독 풍력 발전기를 통해 얻을 수 있는 풍력 에너지는 182 kWh에 달한다. 해당 구간에는 본 논문에서 고려된 금풍 에너지사의 GWE-500B1와 같은 소형 풍력 발전기가 설치되기에 충분한 면적이 선로변에 존재한다 (예상 발전기 크기: 폭 < 1 m, 높이 < 3 m).
  • 2 m)으로 선택되었다. 또한 시간당 가용한 전력 에너지 (kWh)를 계산하기 위해 각 측정 위치에서 차량이 시간 당 5 회 지나가는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풍력발전이란? 풍력발전은 공기의 유동이 갖는 운동에너지를 회전체의 회전을 이용하여 기계적 에너지로 변환시키고, 이 에너지를 활용하여 발전기를 동작시켜 전기에너지를 생산하는 전력 기술이다. 풍력 발전은 에너지를 생산하기 위해 공기의 유동 에너지 이외에 별도의 자원을 필요로 하지 않는 다는 점에서, 화석 에너지원, 원자력 기술에 기반한 타 전력 발전 방식에서 야기될 수 있는 대기환경 오염문제 및 폐기물 문제로부터 자유롭다는 장점을 갖는다.
풍력 발전의 장점은? 풍력발전은 공기의 유동이 갖는 운동에너지를 회전체의 회전을 이용하여 기계적 에너지로 변환시키고, 이 에너지를 활용하여 발전기를 동작시켜 전기에너지를 생산하는 전력 기술이다. 풍력 발전은 에너지를 생산하기 위해 공기의 유동 에너지 이외에 별도의 자원을 필요로 하지 않는 다는 점에서, 화석 에너지원, 원자력 기술에 기반한 타 전력 발전 방식에서 야기될 수 있는 대기환경 오염문제 및 폐기물 문제로부터 자유롭다는 장점을 갖는다. 또한 설치비용 및 설치 소요면적이 작기 때문에 기반비용이 저렴한 청정 에너지원으로써 점차 보급률이 높아지고 있다.
자연풍에 기반한 풍력 발전의 단점은? 일반적으로 풍력발전은 자연풍이 활발한 특정 부지에 다수의 풍력터빈을 설치해 상시적으로 전력을 생산하는 방식을 일컫는다. 하지만 이와 같이 자연풍에 기반한 일반적인 풍력 발전의 경우, 입지 조건이 제한적이고 전력 생산량이 불규칙적이라는 단점을 갖는다. 특히 국내의 경우 평균 풍속이 4 m/s로 측정된 바 있으며, 이는 경제성을 갖기 위한 연평균 풍속량 기준인 10 m/s 에 크게 못 미치는 수치에 해당한다 [2]. 즉, 국내에서는 자연풍에 기반한 풍력 발전이 가능한 부지가 크게 제한되어있다.
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참고문헌 (9)

  1. Md Maruf Hossain and Mohd. Hasan Ali, "Future research directions for the wind turbine generator system," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 481-489, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.126 

  2. Jeongick Lee, "Development of practical convergence education by construction of the wind power system using the wind by car," Journal of the Korea Convergence Society, vol. 5, no. 4, pp. 107-112, 2014. DOI: https://doi.org/10.15207/JKCS.2014.5.4.107 

  3. Byoungsam Kang, A study on a Scheme for the Using and Planning Covering Vehicle Wind in Wind Power Generation (Thesis), p. 11, Yonsei University, 2002. 

  4. Yongbum Seo, Jaemoon Im, and Kwangbok Shin, "Development of a turbine based flywheel energy storage system using traveling wind power of an urban train," Journal of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 23, no. 5, pp. 443-449, 2014. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2014.23.5.443 

  5. AeRim Kim, Sangwoo Nam, Jinwoo Choi, Hyunung Bae, and Namhyoung Lim, "An energy harvesting using the wind power in the railway system," korea railroad society, 2013 spring conference, vol. 5, pp. 775-780, 2013. 

  6. Byungnam Yang, Electric Railway Engineering, p. 604, Sungandang, 2015. 

  7. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Railway Statistics, p. 62, 2011 

  8. Science sharing study grop, Design and production of small wind turbines, p. 39, Iljinsa, 2011. 

  9. https://www.usa.philips.com/c-m-li/led-light-bulbs 

저자의 다른 논문 :

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