KR20110129247A - 굴뚝을 이용한 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 굴뚝을 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 이는 굴뚝과, 이 굴뚝의 외부에 위치되고서 열원설비와 연통되어 있는 열교환기와, 상기 굴뚝의 하부에 위치되고 상기 열교환기를 지나 굴뚝에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트 및, 상기 공기덕트의 공기유입구 주변에 설치된 풍력터빈발전기를 포함하여서, 지리 또는 기후적인 특성에 상관없이 연속적으로 부는 통풍력을 이용하여 양질의 전기를 생산할 수 있게 됨과 더불어, 굴뚝의 구조를 개선하여 이용하므로 초기 설치비용이 대폭 절감될 수 있게 된다.

Description

굴뚝을 이용한 풍력발전장치 {Wind power generating appratus using chimney}

본 발명의 일실시예는 굴뚝을 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 예컨대 소각시설이나, 공장, 화학플랜트, 발전소 등에 갖춰진 굴뚝의 구조를 개선하고서 이 개선된 연돌에 연통되게 풍력터빈발전기를 설치하여, 풍향 또는 풍량에 관계없이 굴뚝효과로 인한 통풍력에 의해 발전가능하게 됨으로써 종래의 풍력발전기에 비하여 양질의 전기를 생산하고, 초기 설치비용이 대폭 절감될 수 있는 굴뚝을 이용한 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력은 지난 3천년 전부터 사용되어 왔으며, 20세기 초까지 풍력은 물의 펌핑이나 곡물을 가는 등 기계적 동력으로 이용되었다. 1970년대 초반의 석유파동 이후 풍력은 대체 에너지로 관심을 받게 되었으며, 기계적 동력보다는 전력으로 이용되기 시작하였다. 이미 20세기 초에 풍력발전기가 개발되었으며, 풍력을 지속가능한 중요 에너지원 중 하나로 인식하게 되면서 풍력발전기는 단계적으로 개량되어 왔다.

풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 이에 사용되는 풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류된다.

수직형은 풍차가 곡선형의 대칭 날개로 구성되어 있어, 풍향에 관계없이 작동시킬 수 있고, 기어박스나 발전기 등을 지상에 설치할 수 있는 장점이 있다. 그러나 각 회전수에서 회전력의 변화가 심하고, 자기 시동능력이 없으며, 높은 풍속에서 속도제어의 선택이 한정되는 등의 결점이 있다. 현재 수직형 풍력발전기의 연구개발은 거의 없는 실정이다.

수평형은 프로펠러(propeller)형 풍차를 사용하는 것으로, 오늘날 풍력발전의 주류를 이루고 있다. 도 1에 종래기술에 따른 수평형 풍력발전기의 한 예가 나타나 있다. 이 수평형 풍력발전기(10)는 탑(13)과, 이 탑(13)의 정상부에 설치된 나셀(nacelle:11)로 구성되어 있다. 나셀(11)에는 회전체(12)와 기어박스, 발전기 등이 수용되어 있다. 소형에서는 회전체와 나셀이 후미깃에 의해 풍향을 따라 향하도록 되어 있으며, 대형에서는 별도의 풍향기로부터 전달받은 신호에 의해 전기 및 기계적으로 회전체와 나셀을 풍향 쪽으로 또는 다른 방향을 향하도록 하고 있다.

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전단가가 기존의 발전방식과 경쟁가능한 수준으로 하락하고 있다.

그러나, 풍력발전은 에너지 밀도가 낮고, 불규칙하고 간헐적이어서 경제적으로 변동이 크며, 지형이나 기후의 제약이 있다. 즉, 기존의 풍력발전은 사용유체인 바람을 이용하기 위하여 지리적인 특성을 고려해 연중 바람이 부는 풍향과 풍속을 참고로 하여 바람이 많이 부는 지역에 풍력발전기를 설치하고 있으나, 바람이 불어주지 않으면 풍력발전기는 무용지물이 되며, 풍력발전기가 설치된 이후부터는 바람이 불어 주기만을 기다리는 실정으로 고가의 설치비에 비하여 연중 발전량이 저조한 것이 큰 문제점으로 대두되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지리 또는 기후적인 특성에 상관없이 연속적으로 부는 통풍력을 이용하여 양질의 전기를 생산할 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기존에 이미 설치되어 있는 굴뚝의 구조를 개선하여서, 초기 설치비용이 대폭 절감될 수 있는 굴뚝을 이용한 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명의 일실시예는, 굴뚝과, 이 굴뚝의 외부에 위치되고서 열원설비와 연통되어 있는 열교환기와, 상기 굴뚝의 하부에 위치되고 상기 열교환기를 지나 굴뚝에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트 및, 상기 공기덕트의 공기유입구 주변에 설치된 풍력터빈발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예로는, 내통 및 외통으로 이루어진 굴뚝과, 이 굴뚝의 외부에 위치되고서 열원설비와 연통되어 있는 열교환기와, 상기 굴뚝의 하부에 위치되고 상기 열교환기를 지나 굴뚝의 외통에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트 및, 상기 공기덕트의 공기유입구 주변에 설치된 풍력터빈발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 열원설비의 폐열을 이용하여 집열하고 이에 따라 에너지 밀도를 상승시키게 됨으로써, 지리 또는 기후적인 특성에 상관없이 연속적으로 부는 통풍력을 이용하여 양질의 전기를 생산할 수 있게 됨과 더불어, 기존에 이미 설치되어 있는 굴뚝의 구조를 개선하므로 초기 설치비용이 대폭 절감될 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 수평형 풍력발전기의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치(1)는 굴뚝(2)과, 이 굴뚝(2)의 외부에 위치되고서 열원설비(3)와 연통되어 있는 열교환기(4)와, 상기 굴뚝(2)의 하부에 위치되고 상기 열교환기(4)를 지나 굴뚝(2)에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트(5) 및, 상기 공기덕트(5)의 공기유입구(5c) 주변에 설치된 풍력터빈발전기(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치(1)는, 열원설비(3)와 연통되어 있는 굴뚝(2) 내에서 일어나는 굴뚝효과를 이용하여 통풍력을 생성하고, 이러한 통풍력에 의해 외부의 공기가 상기 공기덕트(5)의 공기유입구(5c)로 들어올 때 공기유입구(5c)에 설치한 풍력터빈발전기(6)로 발전을 하게 된 것을 특징으로 한다.

예컨대 소각시설이나, 공장, 화학플랜트, 발전소 등에 있는 열원설비(3)에서 발생하는 다량의 연소 폐가스는 이 열원설비(3)와 직접 연결되는 고층의 굴뚝(2)에 의해 대기로 배출된다. 이러한 굴뚝(2)에는 오염물 처리장치가 구비되어 있어서, 연소 폐가스를 대기로 배출하기 전에 연소 폐가스를 정화시킬 수 있게 되어 있다. 통상, 이 굴뚝(2)은 하부에서 상기한 열원설비(3)에 연통되게 되어 있고, 상단의 개구부를 통해 외부 대기와 연통되도록 대략 수직으로 길게 형성되어 있다.

이러한 굴뚝(2) 내에서는 내부의 온도가 외부의 공기보다 높을 때 위로 공기가 유출되고 아래로 유입되는 현상이 일어나게 되는데, 이러한 현상을 굴뚝효과라 한다. 이 굴뚝효과는 굴뚝(2) 안팍의 온도차가 크거나 굴뚝(2)의 높이가 높을수록 심화되어 굴뚝(2) 내에 강한 통풍력을 생성하게 된다.

또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치(1)에는, 상기 굴뚝(2)의 하부에 위치되고 굴뚝(2)에 연통되도록 대략 수평하게 뻗은 공기덕트(5)가 추가로 구비되어 있다.

또, 상기 공기덕트(5)가 굴뚝(2)과 만나는 부분의 근처에는 열원설비(3)와 연통된 열교환기(4)가 추가로 설치되고 이 열교환기(4)를 공기덕트(5)가 통과하게 되어 있어서, 상기 열원설비(3)의 폐열을 공기덕트(5)로 방출할 수 있게 된다.

전술한 열원설비(3)에서 나오는 고온의 폐가스로부터 얻게 되는 전도열과, 상기 열교환기(4)를 매개로 열원설비(3) 자체에서 얻을 수 있는 복사열, 굴뚝(2)의 상부보다는 상대적으로 온도가 높은 지표열 등에 의해 굴뚝(2) 및 공기덕트(5)의 내부에는 계속 열에너지가 축적되게 되므로, 굴뚝(2) 및 공기덕트(5)의 내부에 있는 공기가 점차 승온되게 된다.

상기와 같은 열원에 의해 굴뚝(2) 및 이 굴뚝(2)에 연통된 공기덕트(5) 내 공기의 온도가 높아지면 부피가 팽창하여 밀도가 낮아지고 부력이 커져서, 결국 공기는 위로 올라가게 된다. 위로 올라간 공기는 굴뚝(2)의 상단에 있는 개구부를 통해 배출되는 한편, 굴뚝(2)의 외부에 있는 공기가 밀도차에 의해 이 굴뚝(2)과 수평하게 연통된 공기덕트(5)의 공기유입구(5c)로 들어오게 된다. 이러한 공기흐름이 지속적으로 이루어지게 되면서 공기덕트(5)와 굴뚝(2) 내에 강한 통풍력을 생성하게 되는데, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치(1)는 상기 통풍력을 이용하여서 풍력발전을 하도록 된 것이다.

공기유입구(5c)의 주변에는 풍력발전을 하기 위한 풍력터빈발전기(6)가 설치된다. 이 풍력터빈발전기(6)는 예컨대 축류식 또는 원심식 풍력터빈발전기 등을 이용할 수 있으며, 이러한 풍력터빈발전기(6)의 구조는 이미 공지된 기술이므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도 2에는 개략적으로 풍력터빈발전기가 나타나 있다.

또, 굴뚝(2)의 외부를 향해 개구되어 있는 상기 공기덕트(5)의 공기유입구(5c)에는, 선단부 쪽에서는 단면적이 넓고 굴뚝(2)을 향해 공기덕트(5) 쪽으로 들어갈수록 차츰 그 단면적이 좁게 되며 그 뒤에서 다시 확대되게 형성된 벤튜리부(5e)를 갖추고 있어서, 공기가 유입될 때 공기를 모아서 풍속을 증가시킬 수 있도록 되어 있다.

전술한 바와 같이, 바람이 불지 않는 무풍상태에서도 공기의 온도차 및 밀도차로 인한 굴뚝(2) 및 공기덕트(5)의 통풍력에 의해 공기유입구(5c)의 풍력터빈발전기(6)가 구동하게 됨으로써, 양질의 전기를 발전할 수 있게 된다. 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치(1)는, 고온의 폐가스가 배출될 때에는 이 폐가스로부터 얻게 되는 열을 이용하고 폐가스가 배출되지 않을 때에는 열교환기(4)를 매개로 열원설비(3: 다른 열원설비도 포함)에서 얻을 수 있는 폐열을 이용하기 때문에 지속적으로 발전할 수 있게 되는 것이다. 또, 태풍이 불거나 우천(또는 강설)시에도 바람의 풍압에 의해 풍력터빈발전기(6)가 구동될 수 있다.

공기덕트(5)의 하류측, 즉 굴뚝(2)에 연통되도록 공기덕트(5)가 연결되는 부분에는 열원설비(3)로부터 고온의 폐가스가 배출될 때 공기덕트(5)를 차단하거나 개폐 정도를 조절하는 댐퍼(5d)가 설치될 수도 있다.

또, 공기유입구(5c)의 상류측 또는 풍력터빈발전기(6)의 입구측에는 방호망(5f)을 설치하여 이물질의 유입이나 곤충 및 조류 등의 투입을 방지하도록 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 사시도로서, 이 제2실시예는 예컨대 화력발전소에 설치된 굴뚝에서와 같이 내통(2a) 및 외통(2b)으로 이루어진 굴뚝(2)에다 본 발명에 따른 풍력발전장치를 적용한 것이다. 이에 따라, 제2실시예는 굴뚝(2)의 구조만 상이할 뿐, 나머지 구성은 거의 전술한 제1실시예와 동일하다. 그러므로, 아래에서는 상기한 제1실시예와 동일한 부분은 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치(1)는 내통(2a) 및 외통(2b)으로 이루어진 굴뚝(2)과, 이 굴뚝(2)의 외부에 위치되고서 열원설비(3)와 연통되어 있는 열교환기(4)와, 상기 굴뚝(2)의 하부에 위치되고 상기 열교환기(4)를 지나 굴뚝의 외통(2b)에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트(5) 및, 이 공기덕트(5)의 공기유입구(5c) 주변에 설치된 풍력터빈발전기(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

굴뚝(2)은 하부에서 상기한 열원설비(3)에 연통되어 있는 내통(2a)과, 이 내통(2a)으로부터 소정의 간격을 두고 둘러싼 외통(2b)을 구비하고 있다. 상기 내통(2a)은 그 상단의 개구부를 통해 외부 대기와 연통되도록 대략 수직으로 길게 형성되어 있다. 굴뚝(2)이 내통(2a) 및 외통(2b)의 이중 구조로 됨으로써, 굴뚝(2) 전체의 온도 상승을 억제하고 구조상의 강도를 확보하게 되는 등 여러 장점을 갖게 된다.

이 굴뚝의 내통(2a) 또는 외통(2b) 내에서는 내부의 온도가 외부의 공기보다 높을 때 위로 공기가 유출되고 아래로 유입되는 굴뚝효과의 현상이 일어나게 된다. 이 굴뚝효과는 내통(2a) 또는 외통(2b) 안팍의 온도차가 크거나 내통(2a) 또는 외통(2b)의 높이가 높을수록 심화되어 굴뚝(2), 특히 외통(2b) 내에 강한 통풍력을 생성하게 된다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치(1)에는, 상기 굴뚝(2)의 하부에 위치되고 외통(2b)에 연통되도록 대략 수평하게 뻗은 공기덕트(5)가 추가로 구비되어 있다.

또, 상기 공기덕트(5)가 굴뚝의 외통(2b)과 만나는 부분의 근처에는 열원설비(3)와 연통된 열교환기(4)가 추가로 설치되어 있고, 이 열교환기(4)를 공기덕트(5)가 통과하게 되어 있어서, 상기 열원설비(3)의 폐열을 공기덕트(5)로 방출할 수 있게 된다.

전술한 열원설비(3)에서 나오는 고온의 폐가스로부터 얻게 되는 복사열과, 상기 열교환기(4)를 매개로 열원설비(3) 자체에서 얻을 수 있는 복사열, 굴뚝(2)의 상부보다는 상대적으로 온도가 높은 지표열 등에 의해 굴뚝(2), 특히 외통(2b) 및 공기덕트(5)의 내부에는 계속 열에너지가 축적되게 되므로, 공기덕트(5)의 하부에서부터 공기가 점차 승온되게 된다.

상기와 같은 열원에 의해 외통(2b) 및 이 외통(2b)에 연통된 공기덕트(5) 내 공기의 온도가 높아지면 부피가 팽창하여 밀도가 낮아지고 부력이 커져서, 결국 공기는 위로 올라가게 된다. 위로 올라간 공기는 굴뚝(2)의 상단에 있는 개구부를 통해 배출되는 한편, 굴뚝(2)의 외부에 있는 공기가 밀도차에 의해 이 굴뚝(2)과 수평하게 연통된 공기덕트(5)의 공기유입구(5c)로 들어오게 된다. 이러한 공기흐름이 지속적으로 이루어지게 되면서 공기덕트(5)와 외통(2b) 내에 강한 통풍력을 생성하게 되는데, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치(1)는 바람이 불지 않는 무풍상태에서도 공기의 온도차 및 밀도차로 인한 외통(2b) 및 공기덕트(5)의 통풍력에 의해 공기유입구(5c)에 설치된 풍력터빈발전기(6)가 구동하게 됨으로써, 양질의 전기를 발전할 수 있게 된 것이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치(1)는, 고온의 폐가스가 배출될 때에는 이 폐가스로부터 얻게 되는 열을 이용하고 폐가스가 배출되지 않을 때에는 열교환기(4)를 매개로 열원설비(3)에서 얻을 수 있는 폐열을 이용하기 때문에 지속적으로 발전할 수 있게 되는 것이다. 또, 태풍이 불거나 우천(또는 강설)시에도 바람의 풍압에 의해 풍력터빈발전기(6)가 구동될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 굴뚝과,
   이 굴뚝의 외부에 위치되고서 열원설비와 연통되어 있는 열교환기와,
   상기 굴뚝의 하부에 위치되고 상기 열교환기를 지나 굴뚝에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트 및,
   상기 공기덕트의 공기유입구 주변에 설치된 풍력터빈발전기를 포함하는, 굴뚝을 이용한 풍력발전장치.
2. 내통 및 외통으로 이루어진 굴뚝과,
   이 굴뚝의 외부에 위치되고서 열원설비와 연통되어 있는 열교환기와,
   상기 굴뚝의 하부에 위치되고 상기 열교환기를 지나 굴뚝의 외통에 연통되도록 수평하게 뻗은 공기덕트 및,
   상기 공기덕트의 공기유입구 주변에 설치된 풍력터빈발전기를 포함하는, 굴뚝을 이용한 풍력발전장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공기유입구는, 선단부 쪽에서는 단면적이 넓고 굴뚝을 향해 공기덕트 쪽으로 들어갈수록 단면적이 좁게 되며 그 뒤에서 다시 확대되게 형성된 벤튜리부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 굴뚝을 이용한 풍력발전장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 공기덕트에는 공기덕트를 차단할 수 있는 댐퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는, 굴뚝을 이용한 풍력발전장치.
   

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