[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR101193271B1 - 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치 - Google Patents

바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101193271B1
KR101193271B1 KR1020120093569A KR20120093569A KR101193271B1 KR 101193271 B1 KR101193271 B1 KR 101193271B1 KR 1020120093569 A KR1020120093569 A KR 1020120093569A KR 20120093569 A KR20120093569 A KR 20120093569A KR 101193271 B1 KR101193271 B1 KR 101193271B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
wind
rotor
building
heat
wind power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020120093569A
Other languages
English (en)
Inventor
이장호
Original Assignee
군산대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 군산대학교산학협력단 filed Critical 군산대학교산학협력단
Priority to KR1020120093569A priority Critical patent/KR101193271B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101193271B1 publication Critical patent/KR101193271B1/ko
Priority to PCT/KR2013/005559 priority patent/WO2014035036A1/ko
Priority to CN201380045104.8A priority patent/CN104641104B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0427—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels with converging inlets, i.e. the guiding means intercepting an area greater than the effective rotor area
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/18—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/22—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus producing heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/133—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines with a convergent-divergent guiding structure, e.g. a Venturi conduit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/91—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure
    • F05B2240/911—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure already existing for a prior purpose
    • F05B2240/9112—Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure already existing for a prior purpose which is a building
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30—Wind power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치에 관한 것으로서, 바람가이드와 회전자와 풍력 가열기와 집열탱크를 포함한다. 바람가이드는 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 일단이 접하여 결합된 전방부 및 후방부를 구비하는 상단부와, 상단부를 건물에 지지 고정하는 고정부와, 전방부와 후방부의 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있는 조절 구동부를 구비하고, 바람의 진행 방향에 따른 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부 및 후방부의 상승 각도가 조절된다. 회전자는 상단부의 하부에 위치한다. 풍력 가열기는 회전자의 회전에 따라 열매체를 가열한다. 집열탱크에는 풍력 가열기에 의해 가열된 열매체가 모인다.
본 발명에 따른 건물 풍력 열원화장치는 바람 가이드를 이용하여 건물 풍력 열원화장치의 회전자에 바람이 빠른 속도로 유입되도록 하여 풍력 열원화장치의 발열 효율을 높이고, 바람 가이드가 설치되는 환경에 따라 바람 가이드의 형상을 최적화하여 동일한 바람으로도 많은 열을 생산할 수 있으며, 영구자석의 회전에 따라 와전류가 발생되어 열매체를 가열하는 구조에서 로터에 배열되는 영구자석을 최적화함으로써 에너지 변환효율을 높인다.

Description

바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치{Wind thermal apparatus for building having the wind guide}
본 발명은 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 회전날개 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 결합된 전방부와 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부와 후방부의 상승 각도를 조절하여 풍력 열원화장치의 발열 효율을 높이는 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치에 관한 것이다.
일반적으로 바람의 힘(풍력)을 이용한 풍력 발전시스템이란 공기가 유동(바람)함으로써 공기가 가지는 운동에너지를 다른 에너지로 변환시키는 것으로, 보통 공기의 유동(바람)을 이용하여 날개(프로펠러)를 회전시켜 발전기를 구동시킴으로써 전기를 얻는 시스템이다.
이러한 풍력 발전시스템은 바람이 가지는 운동에너지를 난방과 같은 열에너지로 사용하고자 하는 경우에는 바람이 가지는 운동에너지를 전기에너지로 변화시키고, 전기에너지를 열에너지로 변환시켜야 하므로 에너지 변환시 상당한 열손실이 발생하고, 에너지 변환에 따른 시스템(장치)을 구비하여야 하므로 막대한 비용과 시스템(장치)의 유지비용을 필요로 하는 단점이 있다.
또한, 바람이 가지는 운동에너지를 전기에너지로 변화시키는 경우에는 날개의 회전수에 따라 전기를 생성할 수 있는 범위가 주어짐으로써 효율성이 저하되는 단점이 있다. 즉, 전기는 50Hz 또는 60Hz의 주파수를 가지며, 이러한 주파수대의 전기를 획득하고자 할 경우에는 날개의 회전수의 영향을 받게 된다. 그러므로 날개의 회전수가 낮거나 높을 때에는 전기에너지를 획득하지 못하게 됨으로써 에너지 변환에 따른 효율성이 저하한다.
이러한 단점을 보완하기 위해 국내특허 제0554218호에 제안되어 있는 바와 같이 풍력의 운동에너지를 기계적 회전에너지로 전환하여 영구자석을 회전시키고, 이 영구자석을 회전시킴으로써 생성되는 와전류가 발열체에서 주울열로 변환되어 발열체 외부의 열매체에 에너지를 제공할 수 있는 에너지 변환기 등 전기를 발생시키지 않고 열에너지를 획득하는 풍력 열원화장치가 개시되어 있다.
일반적으로 풍력 열원화장치의 회전자는 건물의 지붕에 설치된다. 이와 같이 건물의 지붕에 설치되는 건물 풍력 열원화장치는 지붕의 형태를 고려하지 않고 설치되며, 건물 풍력 열원화장치의 회전자에 바람을 모아주기 위한 별도의 설비를 하지 않는다. 따라서 발열 효율이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 바람 가이드를 이용하여 건물 풍력 열원화장치의 회전자에 바람이 빠른 속도로 유입되도록 하여 풍력 열원화장치의 발열 효율을 높일 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 바람 가이드가 설치되는 환경에 따라 바람 가이드의 형상을 최적화하여 동일한 바람으로도 많은 열을 생산할 수 있는 건물 풍력 열원화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 영구자석의 회전에 와전류가 발생되어 열매체를 가열하는 구조에서 로터에 배열되는 영구자석을 최적화함으로써 에너지 변환효율을 높이는 건물 풍력 열원화장치를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 건물 풍력 열원화장치는 바람가이드와 회전자와 풍력 가열기와 집열탱크를 포함한다. 바람가이드는 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 일단이 접하여 결합된 전방부 및 후방부를 구비하는 상단부와, 상단부를 건물에 지지 고정하는 고정부와, 전방부와 후방부의 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있는 조절 구동부를 구비하고, 바람의 진행 방향에 따른 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율에 따라 전방부 및 후방부의 상승 각도가 조절된다. 회전자는 상단부의 하부에 위치한다. 풍력 가열기는 회전자의 회전에 따라 열매체를 가열한다. 집열탱크에는 풍력 가열기에 의해 가열된 열매체가 모인다.
풍력 가열기와 집열탱크 사이에는 열매체의 온도에 따라 열매체의 흐름을 제어하는 온도 제어 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
바람 가이드는 그 고정부의 단면을 타원형으로 형성할 수 있고, 그 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 2:1인 경우에 전방부의 상승 각도를 25~35°로 하며 후방부의 상승 각도를 5~10°로 할 수 있으며, 그 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 1:1인 경우에 전방부의 상승 각도와 후방부의 상승 각도를 동일하게 할 수 있고, 그 상부면이 평평하게 형성되며 바람이 유입되는 전단이 상부면을 향해 상승하는 경사면을 구비하고, 상단부와 이격되어 회전자 하부에 위치하여 건물에 부착되는 하단부를 더 포함할 수 있다.
회전자는 복수일 수 있다. 복수의 회전자는 복수의 고정부에 의해 각각 분리된다. 그리고, 회전자는 바람 가이드에 연결되어 고정될 수 있다.
풍력 가열기는 회전자의 회전에 따라 와전류를 발생하는 영구자석을 가지는 로터와, 로터의 회전에 따른 와전류가 주울열로 전환되어 발열되는 발열체를 구비하며, 발열체의 내부로 열매체가 이동하면서 가열된다. 영구자석은 로터의 외주면을 따라 영구자석의 크기만큼 이격되어 하나씩 배열되어 있으며, 로터의 길이방향을 따라 다수의 줄을 이룬다.
풍력 가열기는 회전자의 회전에 의해 발생하는 마찰열에 의해 열매체를 가열하거나, 회전자의 회전에 따라 회전하는 회전체와 열매체 사이에 발생하는 캐비테이션(cavitavion)을 통해 열매체를 가열할 수도 있다.
본 발명은 상단부의 전방부와 후방부의 길이에 따라 상승 각도를 조절하여 바람을 풍력 열원화장치의 회전자로 모아주며 회전자를 지날 때 바람의 속도를 빠르게 하여 풍력 열원화장치의의 발열 효율을 높일 수 있다. 또한 본 발명은 바람 가이드가 설치되는 위치 및 바람의 방향에 따라 바람 가이드의 전방부와 후방부 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있도록 하여 풍력 열원화장치의 발열 효율을 높일 수 있다.
본 발명은 바람 가이드의 고정부를 단면이 타원형인 기둥으로 형성하여 고정부의 설치로 인한 발열 효율의 저하를 막고 오히려 발열 효율을 높을 수 있으며, 풍력 열원화장치의 회전자가 바람 가이드에 연결 고정됨으로써 회전자의 회전에 의한 진동 및 소음이 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명은 영구자석의 회전에 와전류가 발생되어 열매체를 가열하는 구조에서 로터에 배열되는 영구자석을 최적화함으로써 에너지 변환효율을 높인다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 상단부를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 타원형 고정부를 나타내는 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 상단부의 전방부와 후방부가 길이 및 상승 각도를 조절하는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에서 회전자가 바람 가이드의 상단부에 고정된 실시예의 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기의 일예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 정단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기의 다른 예를 나타내는 정단면도이다.
도 12는 도 11의 평단면도이다.
도 13a 내지 도 13g는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 다양한 풍력 가열기를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 전방부와 후방부 및 지붕(또는 하단부)만을 설정하여 해석하는 형상을 나타내는 도면이다.
도 15는 유동 특성을 파악하기 위한 검사체적과 경계조건을 나타내는 도면이다.
도 16는 해석 형상에 대한 격자 생성을 나타내는 도면이다.
도 17은 표 3에 기재된 16개의 case에 대한 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 나타내는 도면이다.
도 18는 표 3에 기재된 16개 case의 해석결과의 SN비를 망대 특성으로 분석한 것을 나타내는 도면이다.
도 19는 case 1, case 9, case 12의 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 20은 수학식 1로부터 구한 바람 가이드의 성능 지수를 16개의 case에 대해서 나타낸 차트이다.
도 21은 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1로 하고 전방부의 상승 각도의 변화에 따른 유속 증가를 알아보기 위한 해석 형상을 나타내는 도면이다.
도 22은 전방부의 상승 각도를 변화시키는 경우의 유동 분포를 나타내는 도면이다.
도 23는 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험 조건을 나타내는 도면이다
도 24과 도 25은 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험에 적용한 경계 조건과 Mesh 정보를 나타내는 도면이다.
도 26와 도 27은 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위한 실험의 수치 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 28는 고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 나타내는 도면이다.
도 29의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기의 자석배열에 따른 토크를 분석하기 위한 자석배열 비교예 및 자석배열 실시예의 도면이다.
도 30은 도 29의 자석배열에 따른 풍력 가열기를 사용하여 토크 및 발열효율을 시험한 시험장치의 구성도이다.
도 31의 (a) 및 (b)는 도 29의 자석배열에 따른 자기력선의 형성 상태도이다.
도 32은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 작용상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 사시도이고(배관 및 집열탱크는 생략), 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 전체 구성도이다. 도시한 바와 같이 건물 풍력 열원화장치(1000)는 바람 가이드(1100)와 회전자(1200)와 풍력 가열기(1300)와 집열탱크(1400)와 배관 라인(1500)와 펌프(1600) 및 온도 제어 밸브(1700)를 포함한다.
바람가이드(1100)는 바람을 회전자(1200)로 모아 주며 회전자(1200)를 지날 때 바람의 속도를 빠르게 하며, 상단부(1110)와 고정부(1120) 및 조절 구동부를 구비한다. 회전자(1200)는 상단부(1110)의 하부에 위치하며 바람에 의해 회전한다. 풍력 가열기(1300)는 회전자(1200)의 회전에 따라 열매체를 가열한다. 집열탱크(1400)에는 풍력 가열기(1300)에 의해 가열된 열매체가 모인다. 배관 라인(1500)과 펌프(1600)는 집열탱크(1400)와 풍력 가열기(1300)사이에 열매체가 순환되게 하며, 배관 라인(1500)은 열매체 공급관(1510)과 열매체 회수관(1520) 및 리턴관(1530)을 구비한다. 온도 제어 밸브(1700)는 열매체의 온도에 따라 열매체의 흐름을 제어한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 상단부를 나타내는 도면이고, 도 4 및 도 5은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드가 건물에 설치된 것을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 타원형 고정부를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 바람 가이드(1100)는 상단부(1110)와 고정부(1120)를 포함한다. 상단부(1110)는 전방부(1111)와 후방부(1112)를 구비한다. 전방부(1111)와 후방부(1112)는 일단이 접하며 서로 대향하며 상승하는 형태로 결합된다. 전방부(1111)와 후방부(1112)는 판 형상이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 전방부(1111)와 후방부(1112)의 끝단은 라운드 처리하여 바람의 저항을 덜 받게하며 난류의 발생을 감소시킬 수 있다. 상단부(1110)의 상측면은, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 전방부(1111)와 후방부(1112)가 접하는 부분으로 일정한 경사를 이루면서 v자 형상이 될 수 있다. 이 경우 상단부(1110)의 전체적인 무게가 줄어들어 고정부(1120)에 하중이 덜 가해지며, 재료를 아낄 수 있어 경제적이다. 이 경우 필요에 따라서는 접하는 부분에 배구수가 형성될 수도 있다. 상단부(1110)의 상측면은, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 평평하게 형성될 수도 있다. 상단부(1110)의 상측면 형상은 설치 환경에 따라 달라질 수 있다.
상단부(1110)는 고정부(1120)를 통해 건물의 지붕 등의 베이스(B)에 지지 고정된다. 고정부(1120)는 타원형으로 형성할 수 있다. 보다 정확하게는 고정부(1120)는 바람의 진행 방향에 대해 수평인 단면이 타원형이 될 수 있다. 고정부(1120)가 타원형으로 형성되면 고정부(1120) 사이에 위치하는 회전자(1200 : 도 1 및 도 2에 도시)로 바람이 더 빠르게 통과하는 효과가 있다.
상단부(1110)의 하부에는 건물 풍력 열원화장치의 회전자(1200 : 도 1 및 도 2에 도시)가 위치한다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상단부(1110)의 폭에 따라 고정부(1120)는 3개 이상이 설치될 수 있으며, 복수의 고정부(1120) 사이에는 복수의 회전자(1200)가 위치할 수도 있다. 이와 같이 복수의 고정부(1120)에 의해 각각의 회전자(1200)가 분리되면 하나의 회전자가 다른 회전자의 회전에 따른 유동 교란과 간섭의 영향을 받는 것을 방지할 수 있다.
복수의 고정부(1120)는 각각 그 크기를 달리 할 수 있다. 특히 상단부(1110) 측면의 양 끝단을 지지하는 고정부(1120a, 1120b)는 내측에 위치하는 고정부보다 더욱 굵게 형성하여 상단부(1110)을 안정적으로 지지할 수 있도록 할 수 있다.
바람 가이드(1100)는 전방부(1111)로 바람이 유입되어 후방부(1112)로 배출되도록 설치된다. 다만, 바람의 방향은 가변적이므로 바람 가이드(1100)로 유입되는 바람의 방향을 바뀔 수 있지만, 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드(1100)가 설치되는 위치에서 주된 바람의 방향을 고려하여 설치한다.
본 실시예에서는 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 방향 비율(Lf:Lr)에 따라 전방부(1111)의 상승 각도(θ1)와 후방부(1112)의 상승 각도(θ2)를 조절한다. 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 방향 비율(Lf:Lr)은 전방부(1111)의 길이와 후방부(1112)의 길이를 기준면에 투영시켰을 때의 길이 비율이다. 전방부(1111)와 후방부(1112)의 상승 각도(θ1, θ2)는 전방부(1111)와 후방부(1112)가 기준면과 이루는 각도이다. 여기서 기준면이란 고정부(1120)에 대해 수직인 면을 의미한다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 바람 가이드의 상단부의 전방부와 후방부가 길이 및 상승 각도를 조절하는 것을 개념적으로 나타내는 도면이다. 바람 가이드(1100)가 설치될 건물이 결정되면, 건물의 높이나 주변 환경 등에 따라 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드(1100)의 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 방향 비율이 정해지게 되며, 따라서 전방부(1111)와 후방부(1112)의 상승 각도(θ1, θ2)도 결정될 수 있다. 즉, 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 및 상승 각도(θ1, θ2)는 설치시에 고정될 수도 있다. 그러나 바람의 방향이 자주 바뀌는 위치나 주변의 장애물 등에 따라 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 및 상승 각도를 가변적으로 할 수도 있다.
이에 대해서 구체적으로 살펴보면, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 전방부(1111)와 후방부(1112)는 길이를 조절할 수 있다. 이를 위해 건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드(1100)는 조절 구동부(미도시)를 구비할 수 있으며, 전방부(1111)와 후방부(1112)는 각각 두 개의 직사각형 판을 구비한 형태가 될 수 있다. 두 개의 직사각형 판은 슬라이딩 가능하게 결합되며, 조절 구동부에 의해 두 개의 직사각형 판 중 하나가 이동이 가능하다. 따라서 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이를 늘리거나 줄일 수 있다.
또한 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 조절 구동부는 전방부(1111)와 후방부(1112)의 경사를 변경하여 상승 각도(θ1, θ2)를 조절할 수 있다. 따라서 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 변화에 따라 전방부(1111)와 후방부(1112)의 상승 각도(θ1, θ2)를 조절하는 것이 가능하다. 이를 위해 전방부(1111)와 후방부(1112)는 중심축(1130)을 중심으로 회전 가능하게 결합될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 및 상승 각도를 상황에 따라 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 해안가에 위치한 주택에 바람 가이드(1100)가 설치되는 경우 낮에는 해풍이 강하므로 전방부(1111)와 후방부(1112) 중 해풍이 유입되는 측을 기준으로 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 및 상승 각도를 결정한다. 밤에는 육풍이 강하므로 전방부(1111)와 후방부(1112) 중 육풍이 유입되는 측을 기준으로 전방부(1111)와 후방부(1112)의 길이 및 상승 각도를 결정한다.
회전자(1200)는 바람에 의해 회전하는 부분으로, 회전축(1210)과, 풍력 가열기(1300)의 후술하는 로터에 연결되며 회전자(1200)을 지지하는 지지부(1220)와, 회전축(1210)에서 반경방향으로 연장된 스포크에 의해 지지되는 회전날개(1230)을 포함하고, 상단부(1110)의 하부에 위치한다. 본 실시예에서는 수직축 풍력 열원화장치를 예로 설명하지만 수평축 풍력 열원화장치에도 본 발명이 적용 가능하다.
도 8은 본 발명에서 회전자가 바람 가이드의 상단부에 고정된 실시예의 건물 풍력 열원화장치를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 회전자(1200)는 회전축(1210)의 양 끝단이 지지부(1220)에 의해 바람 가이드(1100)에 고정될 수 있다. 풍력 발전기(1000)의 회전자(1200)가 바람 가이드(1100)에 연결 고정됨으로써 회전자(1200)의 회전에 의한 진동 및 소음이 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한 회전자(1200)가 안정적으로 지지되므로, 내구성이 강해진다.
풍력 가열기(1300)는 회전자(1200)의 회전에 따라 열매체를 가열한다. 풍력 가열기(1300)는 베이스(B)의 내부에 설치되어 있으나, 베이스(B)의 외부에 설치될 수 있으며 베이스(B) 없이 설치될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기의 일예를 나타내는 사시도이고, 도 10은 도 9의 정단면도이다. 도시한 바와 같이 풍력 가열기(1300)는 회전자(1200)의 회전에 따라 와전류를 발생하는 영구자석(1311)을 가지며 지지부(1220)에 연결된 로터(1310)와, 로터(1310)의 회전에 따른 와전류가 주울열로 전환되어 발열되는 발열체(1320)를 구비하며, 발열체(1320) 내부의 유동공간(S)으로 열매체가 이동하면서 가열된다. 열매체는 열매체 공급관(1510)을 통해 유동 공간(S)내로 유입되어 가열된 후 열매체 회수관(1520)을 통해 유출한다.
영구자석(1311)은 로터(1310)의 외주면을 따라 영구자석의 크기만큼 이격되어 하나씩 배열되어 있으며, 로터(1310)의 길이방향을 따라 다수의 줄을 이룬다. 발열체(1320)는 영구자석(1311)의 둘레에 틈새를 가지도록 이격되게 설치되며, 내부에 유동공간(S)이 형성된 이중관 형태로 되어 있다. 발열체(1320)는 보통 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 전도성 재질로 형성된다. 열매체는 물이나 유류와 같은 통상의 액체를 사용한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기의 다른 예를 나타내는 정단면도이고, 도 12는 도 11의 평단면도이다. 도시한 바와 같이 본 실시예의 풍력 가열기(2300)는 발열체(2320)가 튜브를 영구자석(2311)의 둘레에 틈새를 가지도록 이격되게 감은 형태로 되어 있다. 열매체는 열매체 공급관(1510)을 통해 발열체(2320)인 튜브의 유동공간(S1)내로 유입되어 가열된 후 열매체 회수관(1520)을 통해 유출한다. 로터(2310)와 영구자석(2311)의 배치 형태 등은 도 9 및 도 10의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
이러한 풍력 가열기(1300)(2300)에서 회전자(1200 : 도 1 및 도 2에 도시)가 회전함에 따라 로터(1310)(2310)가 회전하면, 영구자석(1311)(2311)의 주위에는 순간적이며 계속적으로 자장이 변화하게 된다. 영구자석(1311)(2311) 주위의 자장 변화에 의해 발열체(1320)(2320)에서는 와전류(eddy current)가 발생하고, 발생된 와전류가 주울열로 변환하는 유도가열에 의한 가열방식으로 발열체(1320)(2320)에 형성된 유동공간(S)(S1) 내의 열매체를 가열한다.
도 13a 내지 도 13g는 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 다양한 풍력 가열기를 개념적으로 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이 풍력 가열기는 회전자의 회전에 의해 발생하는 마찰열에 의해 열매체를 가열하거나(도 13a 내지 도 13f), 회전자의 회전에 따라 회전하는 회전체와 열매체 사이에 발생하는 캐비테이션(cavitavion)을 통해 열매체를 가열할 수도 있다(도 13g). 다양한 풍력 가열기를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 13a는 고체마찰을 이용하는 것으로 풍차로 구동되는 브레이크드럼 또는 브레이크 디스크에 브레이크슈를 눌러 닿게 하여 마찰면에 발생하는 마찰열을 물 등의 유체에 흡수시켜 이용하는 방식이다. 도 13b와 도 13c는 고체와 액체의 마찰을 이용하는 것으로 도 13b는 장애물 판이 붙은 축을 액체 중에 회전시키는 유체교반 방식이며, 도 13c는 풍차의 회전력으로 원심펌프를 회전시키고 출구 관로의 관마찰로 수온을 올리는 방식을 도시하고 있다. 도 13d는 기체와 고체의 마찰을 이용하는 방식으로 저압 블로어식 열변환 장치이며, 도 13e는 유압펌프와 오리피스를 조합하여 액체끼리의 마찰을 이용하는 방식으로서, 풍차에 의해 고정용량형의 유압펌프가 직결 구동되고, 풍차에 의해 바람에너지가 기계에너지로 변환되고 기계에너지는 유압펌프에 의해 압력에너지로 변환되며, 이는 다시 오리피스에 의해 운동에너지로 변환되어 마지막으로 출구 유로에서 열에너지로 변환된다. 도 13f는 와전류를 이용하는 방식으로서, 여자코일을 흐르는 미소전류에 의해 여자되는 자장사이를 로터가 회전하여 자속의 맥동이 일어나고 와전류가 발생하고, 와전류는 로터에 회전저항을 주고 동력을 흡수한다. 이때 부하제어 혹은 회전수 제어는 전기적으로 행해지므로 응답성이 좋고, 로터의 회전제어 정도를 높일 수 있다.
도 13g는 회전자의 회전에 따라 회전체와 열매체 사이에 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 통해 열매체를 가열하는 방법이다. 이 방법은 유체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면의 유압은 저하되므로, 서로 반대방향으로 회전하는 회전 부재의 내측으로 유입된 유체와의 사이에 캐비테이션을 발생하게 되고, 이를 통해 고온의 유체를 얻는 방식이다. 이러한 방법은 열효율이 높고 환경 문제와 열기관의 유지 관리의 편리성을 증대시킬 수 있으며, 사용의 편의성, 위험 요소의 제거, 비용의 절감 등의 효과가 있다.
풍력 가열기(1300)에 의해 가열된 열매체는 집열탱크(1400)에 모이는데, 집열탱크(1400)에 모이는 열매체는 도시하지 않는 열교환기 등을 통해 냉난방 시스템에 사용된다. 집열탱크(1400)는 배관 라인(1500)을 통해 풍력 가열기(1300)에 연결된다.
배관 라인(1500)은 집열탱크(1400)에서 풍력 가열기(1300)에 열매체를 공급하는 열매체 공급관(1510)과, 풍력 가열기(1300)에서 가열된 열매체를 회수하는 열매체 회수관(1520)을 구비한다. 복수의 회전자(1200) 및 복수의 풍력 가열기(1300)를 구비하는 건물 풍력 열원화장치에서는 열매체 공급관(1510)에서 각 풍력 가열기(1300)로 배관이 분기 설치되는 한편 각 풍력 가열기(1300)에서 열매체 회수관(1520)으로 배관이 분기 설치된다.
배관 라인(1500)에는 열매체를 순환시키기 위한 펌프(1600)가 설치된다. 또한 풍력 가열기(1300)와 집열탱크(1400) 사이에는 열매체의 온도에 따라 열매체의 흐름을 제어하는 온도 제어 밸브(1700)가 설치된다. 배관 라인(1500)은 온도 제어 밸브(1700)의 개폐에 따라 열매체 회수관(1520)의 열매체를 열매체 공급관(1510)으로 리턴시키는 리턴관(1530)을 구비한다. 펌프(1600)는 열매체 공급관(1510)에 설치되고, 온도 제어 밸브(1700)는 열매체 회수관(1520)에 설치된다. 온도 제어 밸브(1700)는 도시하지 않는 온도센서의 온도 감지에 따라 제어부에 의해 제어된다. 배관 라인(1500)에는 유로의 흐름을 제어하기 위한 다수의 밸브가 추가로 구비될 수 있다.
건물 풍력 열원화장치의 바람 가이드의 전방부와 후방부의 상승 각도 및 지붕(또는 하단부) 전단의 경사 변화 따라 건물 풍력 발전기의 회전자로 유입되는 유동 특성을 분석하였다. 이를 위해 상용 CFD코드인 Sc/Tetra를 사용하였다.
해석 형상은, 도 14에 도시된 바와 같이, 바람 가이드의 전방부와 후방부 및 지붕(또는 하단부)만을 설정하였다. 변수는 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 지붕 전단의 경사(C)로 하였다. 해석 형상에 대한 구체적인 제원은 표 1과 같으며, 전방부와 후방부의 폭은 1m로 설정하였다.
Contents Length(m)
l 3
l_f 2
l_r 1
h_w 1.5
h_r 1
여기서 표 2와 같이 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 하단부 전단의 경사(C)를 변수로 하여 4수준으로 변화시키면 총 81개의 해석 case가 나온다. 81개의 case를 수치 해석을 하기에는 시간과 비용이 오래 걸리므로, 실험계획법중 하나인 다구찌 기법을 사용하여 해석 횟수를 표 3과 같이 16번으로 줄였다.
수준
요소		 A(degree) B(degree) C(degree)
1 10 10 15
2 20 20 20
3 30 30 25
4 40 40 30
case A(degree) B(degree) C(degree)
1 10 10 15
2 10 20 20
3 10 30 25
4 10 40 30
5 20 10 20
6 20 20 15
7 20 30 30
8 20 40 25
9 30 10 25
10 30 20 30
11 30 30 15
12 30 40 20
13 40 10 30
14 40 20 25
15 40 30 30
16 40 40 15
해석 대상의 유동 특성을 파악하기 위해 1) 해석내부의 공기는 비압축성이며, 2) 중력에 대한 효과는 무시하고, 3) 정상상태를 유지한다고 가정하였다. 검사체적과 경계조건은 도 15에 도시된 바와 같다. 검사체적은 바람 가이드의 크기의 전방부는 10배, 후방부는 20배, 윗부분은 10배로 설정하였다. 경계조건은 표 4에 자세히 기재되어 있다. 여기서 Stationery wall은 실제 벽 조건이 적용되는 wall이고, Free slip wall은 가상의 벽으로 유체의 점성 효과가 나타나지 않는다.
Contents Boundary condition
inlet 5 m/s
outlet static pressure (0 pa)
up Natural inflow/outflow
roof Stationery wall
Wind guide Stationery wall
Free slip wall Free slip wall
Turbulent model Standard k-ε
격자 생성은 도 16에 도시된 바와 같다. 해석 정확도를 높이기 위해 해석형상 주변에는 프리즘 레이어(prism layer)를 넣었으며, 그 두께는 5 mm로 설정하였다. 또한 해석형상 주변에 격자 밀집도를 향상시켰다. 격자 최대 사이즈는 2 m 이고 최소 사이즈는 0.03 m이다. 격자수는 약 19만개이다.
도 17은 표 3에 기재된 16개의 case에 대한 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 나타내는 도면이다. 유속의 증가량을 바람 가이드의 성능 지수로 정하고 수학식 1로 구한다. 여기서
Figure 112012068663961-pat00001
은 mean velocity이고
Figure 112012068663961-pat00002
은 inlet velocity이다. 이때 유동 분포 평균값은 풍력 열원화장치의 회전자가 설치될 면적에서 구한다.
설계 인자인 전방부의 상승 각도(A), 후방부의 상승 각도(B), 지붕 전단의 경사(C)가 유속 증가량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 바람 가이드와 지붕 사이의 유동분포의 평균값을 minitab 14.1에 입력했다. 여기서 SN비를 이용하여 설계인자별 해석영향을 구하였다. 유동분포의 평균값이 높을수록 좋으므로 망대특성으로 분석하였다.
도 18는 표 3에 기재된 16개 case의 해석결과의 SN비를 망대 특성으로 분석한 것을 나타내는 도면이다. 인자별 분석은 전방부의 상승 각도(A)는 3번일 때, 후방부의 상승 각도(B)는 1번일 때, 지붕 전단의 경사(C)는 4번일 때 가장 좋은 결과를 가져올 수 있다는 것을 나타내고 있다. 즉, 전방부의 상승 각도(A)는 30°, 후방부의 상승 각도(B)는 10°, 지붕 전단의 경사(C) 30°일 때이다. 이 경우 해석 case에는 없었지만 case 9번이 가장 비슷한 형상이다. 실제 제작시에는 제작 오차를 고려하여 전방부의 상승 각도(A)는 10~35°, 후방부의 상승 각도(B)는 5~10°로 할 수 있다.
도 19는 case 1, case 9, case 12의 바람 가이드와 지붕 사이의 유동 분포를 비교하여 나타내는 도면이다.
case 9는 case 1과 비교 하였을 때 풍력 열원화장치의 회전자 부분에서 바람의 속도가 더욱 증가 된 것을 확인할 수 있다. 이는 바람 가이드의 전방부의 상승 각도(A)가 증가함에 따라서 유동을 더욱 많이 모아줄 수 있는 구조가 되었기 때문이다.
case 12에서는 풍력 발전기의 회전자 부분에서 유속이 매우 낮아 진 것을 확인할 수 있다. 이는 후방부의 상승 각도(B)가 10°에서 40°로 증가하여 전방부의 상승 각도(A)의 증가에 의해 모아진 유동이 유지되지 못하고 강풍 영역이 뒤쪽으로 밀려나 나타난 형상으로 보인다.
도 20은 수학식 1로부터 구한 바람 가이드의 성능 지수를 16개의 case에 대해서 나타낸 차트이다. case 9는 1.54, case 13은 1.56으로 좋은 값을 나타내고 있다. 이는 전방부의 상승 각도(A)가 커져서 앞에서 오는 유동을 많이 모아주고 후방부의 상승 각도(B)가 작아져서 앞쪽에서 모아준 유동을 그대로 유지시켜줘서 나타난 결과로 보인다. 따라서 바람 가이드의 성능 지수를 높이기 위해선 바람이 불어오는 쪽의 각도는 높이고 그 뒤쪽의 각도는 낮아야 풍력 발전기가 설치될 곳에서의 유속이 빨라질 것이다.
도 21은 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1로 하고 전방부의 상승 각도의 변화에 따른 유속 증가를 알아보기 위한 해석 형상을 나타내는 도면이고, 도 18은 전방부의 상승 각도를 변화시키는 경우의 유동 분포를 나타내는 도면이다.
해석 형상에 대한 구체적인 제원은 표 5와 같다.
Contents Length(m)
L 3
L_f 1.5
L_r 1.5
H 1.5
H_r 1.2
전방부의 상승 각도(A) 변화에 따른 유동 분포를 알아보기 위해, 표 6과 같은 조건에서 실험을 하였다.
A(degree) B(degree) C(degree)
(a) 10 10 15
(b) 30 10 15
도 22에 나타난 바와 같이, 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1인 경우 전방부의 상승 각도(A)의 변화에 따른 유동의 변화가 크지 않다. 따라서 전방부의 상승 각도(A)와 후방부의 상승 각도(B)를 동일하게 하여 바람의 변화가 생겨 후방부로 바람이 유입되는 경우에도 동일한 효과가 나타나도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 도 18에서 후방부의 상승 각도(B)가 낮을수록 효과가 좋다는 것을 알 수 있으므로, 전방부와 후방부의 길이 방향 비율을 1:1인 경우 전방부의 상승 각도(A)와 후방부의 상승 각도(B)를 낮은 수치에서 동일하게 하는 것이 바람직하다.
고정부의 형상에 따른 바람 가이드의 성능 지수를 알아보기 위해 도 23에 도시된 바와 같이, 고정부가 없는 경우, 고정부가 사각형 기둥인 경우, 타원형 기둥인 경우로 나누어 실험하였다. 실험에 적용한 경계 조건과 Mesh 정보는 도 24과 도 25에 도시된 바와 같다.
수치해석 결과는 도 26와 도 27에 나타나 있다. 도 26와 도 27에서 알 수 있는 바와 같이, 고정부가 사각형 기둥인 경우에는 고정부가 없는 경우보다 바람의 평균 속도가 느려진다. 따라서 고정부로 인해 풍력 열원화장치의 발열 효율이 낮아지는 문제가 있다. 그러나 고정부를 타원형 기둥으로 하는 경우에는 고정부가 없는 경우보다 바람의 평균 속도가 빨라진다. 따라서 고정부를 설치함으로써 오히려 풍력 열원화장치의 발열 효율이 높아지게 된다.
이를 성능 지수로 비교하면 도 28에 도시된 바와 같다. 성능 지수는 수학식 1에서 정의한 바와 같다. 고정부가 없는 경우의 성능 지수는 1.47, 고정부가 사각형 기둥인 경우의 성능 지수는 1.28, 고정부가 타원형 기둥인 경우의 성능 지수는 1.58이다. 고정부가 사각형 기둥인 경우는 고정부가 없는 경우보다 성능 지수가 12.92%감소하였고, 고정부가 타원형 기둥인 경우는 고정부가 없는 경우보다 성능 지수가 7.48% 증가하였다.
이와 같은 실험을 통해 고정부의 형상에 따라 발열 효율이 달라질 수 있으며, 고정부의 형상은 사각형 기둥보다는 타원형 기둥인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
도 29의 (a) 내지 (d)는 도 9 및 도 10에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 풍력 가열기(1300)의 로터(1310)에 영구자석(1311)이 배열된 상태에 따른 토크를 분석하기 위한 자석배열 비교예 및 자석배열 실시예의 도면이다. 도 29의 (a)는 영구자석(1311)을 로터(1310)의 전 외주면에 간격 없이 배열한 상태를 나타내는 자석배열 비교예 1을 나타내고, 도 29의 (b)는 영구자석(1311)을 로터(1310)의 외주면을 따라 영구자석의 크기(폭)만큼 이격시켜 배열한 상태를 나타내는 자석배열 비교예 2를 나타내며, 도 29의 (c)는 도 29의 (a)에서 로터(1310)의 길이방향을 따라 1줄씩 띄워 배열한 상태를 나타내는 자석배열 비교예 3을 나타내며, 도 29의 (d)는 도 29의 (c)에서 로터(1310)의 길이방향을 따라 1줄씩 띄워 배열한 상태를 나타내는 본 발명의 자석배열 실시예를 나타낸다.
표 7은 도 29의 자석배열 비교예 1 내지 3 및 자석배열 실시예의 로터(1310)를 사용한 풍력가열기(1300)로 물을 사용하여 토크 및 발열 효율을 시험한 결과이다. 시험장치는 도 30에 도시되어 있다. 시험은 다음과 같이 실시하였다.
펌프를 약 30분 가량 가동시켜서 입구온도와 출구온도를 같게 한 후, 계측기(MV2000)를 통해 2시간동안 데이터를 취득하고 안정화된 마지막 30분 동안의 데이터를 이용하여 결과를 정리하였으며, 초기의 토크(T), 회전수, 유량의 값들을 기록한 후 각 데이터의 평균값에서 빼준 후 보정하였다. 효율은 입력에너지(P)와 출력에너지(Q)의 비율로 계산한 값이다.
시험예 자석수 회전수(RPM) 토크(N.m) 효율(%)
비교예 1 168 100 1.68 90
비교예 2 89 100 29.09 90
비교예 3 96 100 0.67 91
발명 실시예 48 100 13.00 90
표 7에 나타난 바와 같이 모두 효율의 차이는 별로 없으나 비교예 1 및 비교예 3은 토크가 현저히 적으며, 비교예 2 및 발명 실시예는 토크가 크게 나타났다.
이러한 결과는 도 31의 (a)에 도시한 바와 같이 비교예 1 및 비교예 3에서는 N극에서 S극으로 가는 자기력선들이 서로 중첩되어 상쇄되므로 자력이 약하여 토크가 적은 것으로 판단되고, 도 31의 (b)에 도시한 바와 같이 비교예 2 및 발명 실시예에서는 N극에서 S극으로 가는 자기력선들이 서로 중첩되지 않기 때문에 자력이 강하여 토크가 큰 것으로 판단된다. 한편 비교예 2에서는 과부하로 인해 모터가 정지되는 결과를 초래하였다.
표 7에 보는 바와 같이 자석의 수와 토크 및 효율을 모두 고려하여 볼 때, 자석수가 적으면서 토크 및 효율이 높고 모터의 과부하를 야기하지 않는 발명의 실시예에 따른 영구자석 배열이 가장 바람직함을 알 수 있다.
도 32은 본 발명의 실시예에 따른 건물 풍력 열원화장치의 작용상태도이다. 도시한 바와 같이 바람이 바람가이드(1100)을 통과하면서 모여져 회전자(1200)를 지나므로 회전날개(1230)가 빠른 속도로 회전하고, 이에 따라 풍력가열기(1300)가 작동한다. 이와 동시에 펌프(1600)가 가동함에 따라 집열탱크(1400) 내의 열매체는 화살표(실선)를 따라 풍력가열기(1300)를 거쳐 순환한다. 열매체는 풍력가열기(1300)을 통과하면서 가열되어 순환되는데, 열매체 회수관(1520)을 통해 회수되는 열매체의 온도가 감지되어 설정온도에 달하지 않았으면 온도 제어 밸브(1700)가 작동하여 리턴관(1530)으로 유로를 변경하게 되어 열매체는 집열탱크(1400)로 회수되지 않고 화살표(점선)을 통해 열매체 공급관(1510)으로 리턴된다. 이러한 제어에 의해 집열탱크(1400)에는 항상 일정한 온도의 열매체가 저장되게 할 수 있다. 집열탱크(1400)에 모이는 열매체는 도시하지 않는 열교환기 등을 통해 냉난방 시스템에 사용된다.
본 발명의 건물 풍력 열원화장치에 의하면, 바람가이드의 상단부의 전방부와 후방부의 길이에 따라 상승 각도를 조절하여 바람을 풍력 열원화장치의 회전자로 모아주며 회전자를 지날 때 바람의 속도를 빠르게 하여 풍력 열원화장치의의 발열 효율을 높일 수 있고, 또한 본 발명은 바람 가이드가 설치되는 위치 및 바람의 방향에 따라 바람 가이드의 전방부와 후방부 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있도록 하여 풍력 열원화장치의 발열 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 바람 가이드의 고정부를 단면이 타원형인 기둥으로 형성하여 고정부의 설치로 인한 발열 효율의 저하를 막고 오히려 발열 효율을 높을 수 있으며, 풍력 열원화장치의 회전자가 바람 가이드에 연결 고정됨으로써 회전자의 회전에 의한 진동 및 소음이 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
그리고, 본 발명은 영구자석의 회전에 와전류가 발생되어 열매체를 가열하는 구조에서 로터에 배열되는 영구자석을 최적화함으로써 영구자석의 수를 적게 하면서 에너지 변환효율을 높일 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000 : 건물 풍력 열원화장치 1100 : 바람 가이드
1110 : 상단부 1120 : 고정부
1130 : 중심축 1200 : 회전자
1210 : 회전축 1220 : 지지부
1230 : 회전날개 1300 : 풍력 가열기
1310 : 로터 1311 : 영구자석
1320 : 발열체 1400 : 집열탱크
1500 : 배관 라인 1510 : 열매체 공급관
1520 : 열매체 회수관 1530 : 리턴관
1600 : 펌프 1700 : 온도 조절 밸브

Claims (13)

  1. 회전자 상부에서 서로 대향하여 상승하는 형태로 일단이 접하여 결합된 전방부 및 후방부를 구비하는 상단부와, 상기 상단부를 건물에 지지 고정하는 고정부와, 상기 전방부와 후방부의 길이 및 상승 각도를 조절할 수 있는 조절 구동부를 구비하고, 바람의 진행 방향에 따른 상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율에 따라 상기 전방부 및 후방부의 상승 각도가 조절되는 바람가이드;
    상기 상단부의 하부에 위치하는 회전자;
    상기 회전자의 회전에 따라 열매체를 가열하는 풍력 가열기; 및
    상기 풍력 가열기에 의해 가열된 열매체가 모이는 집열탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 가열기와 상기 집열탱크 사이에는 열매체의 온도에 따라 열매체의 흐름을 제어하는 온도 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부는 단면이 타원형인 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 2:1인 경우,
    상기 전방부의 상승 각도는 25~35°이며, 상기 후방부의 상승 각도는 5~10°인 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전방부 및 후방부의 길이 방향 비율이 1:1인 경우,
    상기 전방부의 상승 각도와 상기 후방부의 상승 각도를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상부면이 평평하게 형성되며 바람이 유입되는 전단이 상기 상부면을 향해 상승하는 경사면을 구비하고, 상기 상단부와 이격되어 상기 회전자 하부에 위치하여 상기 건물에 부착되는 하단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자는 복수이며,
    상기 복수의 회전자는 복수의 고정부에 의해 각각 분리되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자는 상기 바람 가이드에 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 가열기는 회전자의 회전에 따라 와전류를 발생하는 영구자석을 가지는 로터와, 상기 로터의 회전에 따른 와전류가 주울열로 전환되어 발열되는 발열체를 구비하며,
    상기 발열체의 내부로 열매체가 이동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 로터의 외주면을 따라 영구자석의 크기만큼 이격되어 하나씩 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 로터의 길이방향을 따라 다수의 줄을 이루는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 가열기는 상기 회전자의 회전에 의해 발생하는 마찰열에 의해 열매체를 가열하는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력 가열기는 상기 회전자의 회전에 따라 회전하는 회전체와 열매체 사이에 발생하는 캐비테이션(cavitavion)을 통해 열매체를 가열하는 것을 특징으로 하는 건물 풍력 열원화장치.
KR1020120093569A 2012-08-27 2012-08-27 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치 Active KR101193271B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120093569A KR101193271B1 (ko) 2012-08-27 2012-08-27 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치
PCT/KR2013/005559 WO2014035036A1 (ko) 2012-08-27 2013-06-24 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치
CN201380045104.8A CN104641104B (zh) 2012-08-27 2013-06-24 带有导风件的建筑物风力热源化装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120093569A KR101193271B1 (ko) 2012-08-27 2012-08-27 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101193271B1 true KR101193271B1 (ko) 2012-10-19

Family

ID=47288405

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120093569A Active KR101193271B1 (ko) 2012-08-27 2012-08-27 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR101193271B1 (ko)
CN (1) CN104641104B (ko)
WO (1) WO2014035036A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3597900B1 (en) * 2018-10-22 2022-07-27 NAVIKOM Andrzej Koschel Wind turbine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002339853A (ja) 2001-05-16 2002-11-27 Nissan Motor Co Ltd 充電ステーション
JP2003129941A (ja) 2001-10-26 2003-05-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 風力発電装置
JP2003278635A (ja) 2002-03-22 2003-10-02 Sangaku Renkei Kiko Kyushu:Kk 風力発電装置
KR101080124B1 (ko) 2009-08-21 2011-11-07 (주)대우건설 판상형 아파트 옥상에 설치되는 풍력 증강형 발전 시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5138763A (ko) * 1974-09-27 1976-03-31 Hitachi Ltd
US20010004439A1 (en) * 1999-12-15 2001-06-21 Bolcich Alejandro Juan Alfredo Energy converter
DK2419627T3 (en) * 2009-04-14 2016-07-04 Réjean Quintal Horizontal wind powered turbine
KR101015308B1 (ko) * 2010-08-31 2011-02-15 군산대학교산학협력단 풍열원화 장치를 이용한 냉·난방 시스템과 냉·난방 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002339853A (ja) 2001-05-16 2002-11-27 Nissan Motor Co Ltd 充電ステーション
JP2003129941A (ja) 2001-10-26 2003-05-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 風力発電装置
JP2003278635A (ja) 2002-03-22 2003-10-02 Sangaku Renkei Kiko Kyushu:Kk 風力発電装置
KR101080124B1 (ko) 2009-08-21 2011-11-07 (주)대우건설 판상형 아파트 옥상에 설치되는 풍력 증강형 발전 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
CN104641104A (zh) 2015-05-20
WO2014035036A1 (ko) 2014-03-06
CN104641104B (zh) 2018-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101499697B (zh) 一种液冷电机
TWI532914B (zh) Wind power generation equipment
CN202927979U (zh) 空调系统
CN104135114B (zh) 高压空水冷双馈风力发电机
CN104912743B (zh) 一种电磁阻尼型风力致热装置
JP2013527381A (ja) 非自然の風力源から風力エネルギーを再回収するシステム及び方法
CN201393142Y (zh) 一种液冷电机
US9335059B2 (en) Ceiling type air conditioner
TW201303232A (zh) 熱水器系統
KR101193271B1 (ko) 바람 가이드를 구비하는 건물 풍력 열원화장치
JP6165492B2 (ja) 風力発電設備
JP2017048753A (ja) 水力発電装置
CN207098813U (zh) 一种具有减震和固定功能的开关磁阻电机
JP2019060242A (ja) 水力発電装置用の流路規制装置
EP2564061B1 (en) Windmill driven energy converting device
CN102262103B (zh) 热管性能检测系统
CN102679527A (zh) 一种液体加热装置
JP2011214829A (ja) 熱媒体の温度変動抑制装置、熱媒体供給設備および太陽熱発電設備
CN105705781A (zh) 用于水力涡轮的充气系统
CN104779742A (zh) 交流电机的散热冷却装置
CN103175253A (zh) 家用电涡流风力采暖器
CN115102329B (zh) 一种新能源电机降温装置
CN204013082U (zh) 高压空水冷双馈风力发电机
CN211953775U (zh) 节能散热器
US20140339826A1 (en) Diffuser controller for tidal stream power generation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20120827

PA0201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
PA0302 Request for accelerated examination

Patent event date: 20120906

Patent event code: PA03022R01D

Comment text: Request for Accelerated Examination

Patent event date: 20120827

Patent event code: PA03021R01I

Comment text: Patent Application

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20121012

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20121015

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20121015

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151007

Year of fee payment: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20151007

Start annual number: 4

End annual number: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160921

Year of fee payment: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20160921

Start annual number: 5

End annual number: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170927

Year of fee payment: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20170927

Start annual number: 6

End annual number: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180921

Year of fee payment: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20180921

Start annual number: 7

End annual number: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190923

Year of fee payment: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20190923

Start annual number: 8

End annual number: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220207

Start annual number: 10

End annual number: 10

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220811

Start annual number: 11

End annual number: 11

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20241002

Start annual number: 13

End annual number: 13