[논문]건물 사이에 풍력발전기를 설치하기 위한 기류특성분석

박민우; 유장열; 손영무; 유기표

doi:10.9712/kass.2018.18.1.117

건물 사이에 풍력발전기를 설치하기 위한 기류특성분석
Analysis of Air Current Characteristics for Installing Wind Turbines Between Buildings 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.18 no.1, 2018년, pp.117 - 125

박민우 (전북대학교 건축공학과 대학원) , 유장열 (송원대학교 건축공학과) , 손영무 , 유기표 (전북대학교 건축공학과, 장경간철골구조농촌시설물연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, various building integrated wind power (BIWP) approaches have been used to produce energy by installing wind power generators in high-rise buildings constructed in urban areas. BIWP has advantages in that it does not require support to position the turbine up to the installation height, and the energy produced by the wind turbine can be applied directly to the building. The accurate evaluation of wind speed is important in urban wind power generation. In this study, a wind tunnel test and computational fluid dynamics (CFD) analysis were conducted to evaluate the wind speed for installing wind turbines between buildings. The analysis results showed that the longer the length of the buildings, which had the same height, the larger the wind speed between the two buildings. Furthermore, the narrower the building's width, the higher the wind velocity; these outcomes are due to the increase in the Venturi effect. In addition, the correlation coefficient between the results of the wind tunnel test and the CFD analysis was higher than 0.8, which is a very high value.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서는 풍력터빈이 건축물에 적용된 사례를 조사하는 연구가 진행되어 왔으며, 풍력터빈이 설치되는 개구부의 형태 변화에 따른 풍속 변화가 CFD와 풍동실험을 통하여 연구 되었으며, 이에 따른 풍진동에 대한 연구가 실행되었다^6),7). 본 논문에서는 건축물에 풍력발전을 설치하기 위해 2개 건물 사이의 간격에 따른 기류 분석과 풍속 분포를 알아보기 위해 풍동실험 과 CFD 분석을 하였다.

제안 방법

CFD는 ANSYS Fluent R16.1을 이용하였다. 입력된 기류 조건은 풍속 분포와 난류강도의 실험치를 입력하였다.
건물의 길이와 건물 사이의 간격 변화에 따른 수직단면 풍속 변화에 대해 분석하였다. [Fig.
[Table 2]는 풍동실험 조건과 측정 방법에 대해 나타내었다. 풍속 측정점은 실험 영역인 건물 사이의 중앙 수직단면에서 수직·수평으로 균등하게 배치하였다. 풍속 측정점 개수는 Case 1, 4 가 24개, Case 2, 5가 30개, Case 3, 6이 42개이다.

대상 데이터

실험 모형은 스케일 1/500으로 제 작되었다. 모형의 높이(H)는 60m로 20층 규모의 건물을 대상으로 하였으며 건물의 길이(L)는 45m, 70m을 기준으로 하여 건물 폭(D)은 30m, 45m, 60m의 3종류로 하였다. 2개 건물 사이 간격(w)은 20m, 40m, 60m로 하였다.

데이터처리

그러나 다양한 형태와 외관변화별 실험을 모두 진행하기에는 시간과 비용의 문제 때문에 CFD를 이용하여 풍속변화를 정확하게 예측하고자 한다. 풍동실험 결과와 CFD 해석 결과를 비교하기 위해 풍동실험에서의 측정점 위치와 동일한 위치에서 CFD 해석 데이터와 풍동실험 데이터의 상관계수를 구하여 나타내었다. 아래의 식 (1)은 상관계수를 구하는 식을 나타낸다.

이론/모형

입력된 기류 조건은 풍속 분포와 난류강도의 실험치를 입력하였다. 그리고 CFD 해석에 사용된 난류 모델은 Standard k-ε을 이용하였다. CFD 해석을 위한 전체 도메인의 크기는 1.

성능/효과

1) 2개 건물이 동일한 높이(H)에서는 건물의 길이(L)가 짧을수록 건물 사이에서 발생하는 풍속이 크게 나타나고 있었다. 그리고 건물 폭(w)이 좁을수록 벤츄리 효과의 증대로 상대적으로 높은 풍속이 나타나고 있었다.
그러나 건물 길이가 긴 경우 건물 후면에서 형성되는 풍속의 변화가 더 복잡하게 형성되었다. 건물 길이가 길어지면 건물 사이에 만들어진 바람이 후면으로 빠져나가면서 건물 후면 넓은 영역의 풍속에 영향을 주고 있는 것을 알 수 있었다. 건물 후면에서 형성 되는 후류는 건물의 길이와 건물 사이의 간격에 의해 영향을 받고 있었다.

후속연구

8 이상으로 상당히 높게 나타나고 있었다. CFD 해석을 이용한 건물 사이의 풍력에너지 평가에 적용이 가능할 것으로 판단이 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물 사이에 풍력발전기가 설치되었을 때, 건물의 높이, 길이, 폭에 따른 풍속 변화는 어떠한가?	1) 2개 건물이 동일한 높이(H)에서는 건물의 길이(L)가 짧을수록 건물 사이에서 발생하는 풍속이 크게 나타나고 있었다. 그리고 건물 폭(w)이 좁을수록 벤츄리 효과의 증대로 상대적으로 높은 풍속이 나타나고 있었다. 건물 사이의 난류강도는 바람이 들어오는 입구에서 후류 방향으로 갈수록 커지는 것을 알 수 있었다.
	건물 통합형 풍력발전의 장단점은 무엇인가?	최근 건물에 풍력발전기를 설치하여 에너지를 생산하는 건물 통합형 풍력 발전(Building Integrated Wind Power, BIWP)이 다양하게 시도되고 있다. 건물 통합형 풍력발전 (BIWP)은 터빈을 설치 높이까지 위치시키기 위한 지지대가 필요 없으며, 풍력터빈에서 생산된 에너지를 바로 건물에 적용시켜 사용한다는 장점이 있는 반면 초기 투자 비용이 높으며, 터빈으로 인한 소음과 진동이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 바레인 세계 무역센터(Bahrain World Trade Center)는 건물 통합형 풍력발전(BIWP)이 적용된 가장 대표적인 건물이다.
	건축물에서 활용되어지는 신·재생 에너지로 풍력에너지가 선호되는 이유는 무엇인가?	건축물에서 활용되어지는 신·재생 에너지는 주로 태양광, 풍력에너지이다. 태양광 에너지는 가동 시간이 제한되어있다는 단점이 있는 반면 풍력에너지는 바람이 불지 않을 때를 제외하면 항상 가동시킬 수 있다. 높이에 따라 풍속의 특성을 고려하여 도심지에서 건설되는 고층 건물의 옥상층과 건물 사이의 빌딩풍에 의한 높은 풍속으로 효율성이 증대될 수 있다는 장점이 있어 풍력발 전이 더욱 선호되고 있다. 최근 건물에 풍력발전기를 설치하여 에너지를 생산하는 건물 통합형 풍력 발전(Building Integrated Wind Power, BIWP)이 다양하게 시도되고 있다.

참고문헌 (7)

Campbell, N., Stankovic, S., Graham, M., Parkin, P., van Duijvendijk, M., de Gruiter, T., ... Blanch, M., "Wind Energy for the Built Environment (Project WEB)", European Wind Energy Conference & Exhibition, 2001
Smith R. F., & Killa, S., "Bahrain World Trade Center(BWTC): The First Large-scale Integration of Wind Turbines in a Building", The Structural Design of Tall and Special Buildings, Vol.16, No.4, pp.429-439, 2007

상세보기
Denoon, R., Cochran, B., Banks, D., & Wood, G., "Harvesting Wind Power from Tall Buildings", CTBUH 8th World Congress, 2008
Lu, L., & Ip, K. Y., "Investigation on the feasibility and enhancement methods of wind power utilization in high-rise buildings of Hong Kong", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.13, No.2, pp.450-461, 2009

상세보기
Khayrullina, A., van Hooff, T., & Blocken, B., "A study on the wind energy potential in passages between parallel buildings", Proceedings of the 6th European and African Conference on Wind Engineering (EACWE), pp.1-8, 2013
You, K. P., & Kim, Y. M., "Fluctuations Response of Tall Building to Change of Aspect Ratio in Interference Building", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.19, No.5, pp.61-70, 2003
Jo, H. J., You, J. Y., You, K. P., & Kim, Y. M., "A Study of Wind energy Assessment according to number and geometry of inlet to top floor of Tall Building", Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.31, No.2, pp.107-108, 2011

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