초록 ▼

신재생에너지인 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 장치인 풍력발전장치는 기존의 화석연료를 사용하는 화력발전 시스템이 갖고 있는 지구온난화 물질인 이산화탄소의 배출문제를 해결할 수 있는 매우 중요한 전기에너지 확보수단으로 이용되고 있다.
본 연구는 기존의 육상 풍력발전 시스템이 갖고 있는 풍향, 풍속 그리고 바람의 지속성 문제의 해결을 통해 바람의 방향에 상관없이 저 풍속에서도 전기에너지의 생산이 가능한 10kW급 도심용 풍력발전 시스템을 개발하는데 연구의 목표를 두고 연구를 진행하였다.
본 연구에서 개발한 풍력발전시스템은

신재생에너지인 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 장치인 풍력발전장치는 기존의 화석연료를 사용하는 화력발전 시스템이 갖고 있는 지구온난화 물질인 이산화탄소의 배출문제를 해결할 수 있는 매우 중요한 전기에너지 확보수단으로 이용되고 있다.
본 연구는 기존의 육상 풍력발전 시스템이 갖고 있는 풍향, 풍속 그리고 바람의 지속성 문제의 해결을 통해 바람의 방향에 상관없이 저 풍속에서도 전기에너지의 생산이 가능한 10kW급 도심용 풍력발전 시스템을 개발하는데 연구의 목표를 두고 연구를 진행하였다.
본 연구에서 개발한 풍력발전시스템은 기존의 양력방식의 수평축 프로펠러형 풍력터빈의 문제점을 보완하는 수직축 횡류형 터빈을 적용한 적층방식의 풍력발전장치를 개발하였다. 또한 저 풍속(4m/s)에서도 풍력발전이 가능하도록 풍력터빈의 전방부에축소노즐인 벤투리 유로를 설치하여 풍속을 가속시켜 터빈 입구에서 공기의 압력에너지를 극대화도록 설계하였으며, 수직축 횡류형 터빈의 모든 방향으로 유입되는 공기가 터빈 날개와 최적의 유입각도를 유지하도록 입구쪽에 가이드 베인을 설치하여 풍향의 문제를 해결하므로 써 발전시스템의 가동율을 극대화 하였다.
총 2년의 기간동안 연구를 진행하였으며,
(1) 1차년도: 2kW급 풍력발전장치의 최적화 설계 및 이론 성능예측
(2) 2차년도: 개발모델의 제작 및 풍동 실험을 통한 발전 성능평가 실험
연구의 최종 목표는 2.0kW급 풍력터빈을 5층으로 적층하여 최종 10kW급 풍력발전시스템을 개발하는 것으로 2차년도에 완성한 모델 풍력터빈의 터빈 1기당(터빈 날개16개) 터빈의 출력성능이 약 3.9kW로 산출되었다(Fig. 84). 발전기 효율과 인버터의 효율을 고려하여도 설계목표치인 2.0kW의 발전용량은 무난히 달성 할 수 있을 것으로 판단된다.
도심에서의 평균 풍속을 분석한 결과 계절별, 지역별 다소 차이는 있으나 50m～100m의 고도에서 연 평균풍속이 5m/s～7m/s정도로 측정되었다. 본 연구에서 가정한 정격풍속(12m/s) 보다 낮은 풍속 값으로 분석되으며 발전 용량을 감소될 것으로 판단된다. 그러나 1차년도 연구에서 터빈 날개의 깃수가 32개일 때 최고의 출력을 나타내었으므로 실험연구에서 깃수를 16개까지 실험하였으며 이를 32개까지 터빈 날개의 기수를 늘리게 되면 충분히 2.0kW의 출력은 달성될 것으로 판단된다.
또한 풍속이 14m/s일 경우에는 터빈 1기당 약 5kW정도 발전되는 것으로 평가되었다.
이러한 실험결과를 반영하여 본 연구에서 개발된 수직축 횡류형 항력풍력터빈을 적용한 풍력발전시스템은 도심에도 가능하나 풍속이 높은 해변지역 혹은 도서지역에 적용하므로 써 매우 효율적으로 활용이 가능할 것으로 확신한다.
특히 발전회사에 적용될 RPS법에 의해 탄소배출에 따른 배출권 문제를 해결하기 위해 기존의 수평축 양력식 풍력터빈보다 저 풍속에서 풍력발전이 가능한 소규모(100kW급)의 풍력발전시스템의 보급하는 것이 한국의 육상풍력발전 환경에 적합하다고 판단된다.
본 연구를 통해 도출된 결과물로는 시제품, 학술논문(3편), 전문학술지(2편), 특허(1건)을 완성하였다.

Abstract ▼

A wind power generation device, which converts wind power energy, new regeneration energy, into electric energy, has been used as very importance replacement of electric energy that can solve the problem of carbon dioxide emissions, a cause of global warming, included in the hearting power generatio

A wind power generation device, which converts wind power energy, new regeneration energy, into electric energy, has been used as very importance replacement of electric energy that can solve the problem of carbon dioxide emissions, a cause of global warming, included in the hearting power generation system using existing fossil fuels.
This study has been progressed by aiming to develop the wind power generation system with a 10-kW capacity for downtown areas that can generate electric energy even in a low wind speed condition, regardless of the direction of the wind, through the solution of the problems related to the direction, speed, and duration of the wind, in the existing land wind power generation system.
The wind generation system, developed by this study, resulted in the development of the wind power generation device using a laminating method applied with a drag-type vertical axis wind turbine, which complemented the problem of a lift-type propeller-style horizontal axis wind turbine.
Also, it installed Venturi Euro, a reduction nozzle, in the front of the wind turbine to enable wind power generation even in a low speed condition of the wind (4m/s), and was designed to accelerate the speed and then maximize the pressure energy of air in the entrance of the turbine; and the system operation rate was maximized by solving the problem of wind power through the installation of guide vein near to the entrance so that air flowed from all directions of the drag-type vertical axis turbine can maintain turbine blades and the inflow angle.
This study was conducted for total 2 years;
(1) The first year:　The optimal design and theory-based performance estimate of the wind power generation device with 2-kW capacity
(2) The second year： The manufacture of the development model and generation performance evaluation test through the wind tunnel test
The final goal of this study was to develop the wind power generation system with a 10-kW capacity; the output performance of each turbine (16 turbines blade per turbine), developed in the second year of the study, was revealed as approximately 3.9-kW. (See Figure 84).
Although we consider the efficiency of the generator and inverter, it is expected that the 2.0-kW output capacity, the desired value of this study, can be easily achieved.
In the results which analyzed average wind speed in downtown areas, there were somewhat differences across seasons and regions; however, the average wind speed per year was measured as 5 m/s ~ 7 m/s in the altitude of 50 ~ 10m. It was lower than regular wind speed (12 m/s) that was expected in this study, and thus was considered that it would decrease generation capacity.
However, as in the first year study, the highest output occurred when the number of turbine blades were 32; thus because the experimental study tested with 16 blades, if we increase the number of blades increase up to 32, it is expected to easily achieve 2.0-kW output.
Moreover, in the case of the wind speed 14 m/s, it was evaluated that a turbine generates around 5-kW. Based on these experiment findings, the wind power generation system applied with the drag-type vertical axis wind turbine, developed in this study, may be used for downtown areas; however, it is convinced that the system can be very efficiently utilized in seaside or island areas with high wind speed.
Especially, it is considered that, to solve the carbon dioxide emission problems under the RPS laws applied to generation companies, distributing small (100-kW capacity) wind power generation systems, which can be generated in a low wind speed condition, would be more suitable for the land wind power generation environment in South Korea, rather than existing lift-type vertical axis wind power turbine.
Based on the current study, we obtained the following outcome: a prototype, 3 published journal articles, 2 conference proceedings, and 1 patent.