Many wind turbine systems have increased with an interest at surrounding renewable energy sources in urban area however, these systems have many problems. The typical application method for conventional systems is to install many small-size wind turbines on the rooftop or edges of the building, so it has its limitation on installable area. Moreover, these systems are needed to consider structural issues. In this thesis, the new harvesting system is proposed by using wind pressure fluctuation which is one of existing energy sources that were not taken into consideration, acting on the building envelope. While conventional systems are the systems which use wind on top of the building by using wind turbines usually, the proposed system make use wind pressure fluctuation of the building envelope. In order to find the new energy source that is not taken into consideration, Computational Fluids Dynamics(CFD) analysis is performed for investigating the wind environment including static pressure and velocity that occur around the building. Also, wind tunnel experiment is conducted to analyze wind pressure fluctuation of a single building envelope and surrounding buildings. Based on the result of analysis, the optimal mechanism is devised for the energy harvesting system and the prototype is produced. Finally, the performance of proposed energy harvesting system is numerically and experimentally validated.
최근 도심지에 존재하는 풍환경을 에너지원으로 활용한 사례들이 증가하고 있다. 그 중 고층건물에 풍부하게 불어오는 바람을 활용한 건물 일체형 풍력발전 시스템이 많이 개발되고 있다. 하지만 기존에 널리 통용되는 풍력발전 장치는 설치 장소가 풍속이 빠른 옥상과 모서리 부분에 한정되어 있어 설치가 가능 영역이 제한적이고 추가적으로 구조적 보강이 필요하며 심미성이 떨어진다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 기존의 풍력 발전 시스템의 단점을 개선하기 위하여 고층 건물 주변의 풍환경을 상세 분석하여 이전에 활용되지 않았던 에너지원을 찾고 그에 적합한 에너지 수확 시스템을 개발하고자 한다. 고층건물 주변의 기류를 상세히 분석하기 위하여 전산유체역학과 풍동 실험을 실시하여 결과를 비교 분석하였고 그 결과 고층건물의 외피에 분포하는 변동풍압의 활용 가능성을 확인하였다. 변동풍압은 고층건물의 넓은 면적을 차지하는 건물 외피에 높이에 상관없이 활용이 가능하기 때문에 효과적인 전력을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 변동풍압의 특성을 파악하여 고층건물의 외피로 스일 수 있는 효과적인 에너지 수확 기술을 제안하고자 한다. 효과적인 에너지 생산을 위하여 다양한 에너지 수확 기술 중 비교적 높은 전력을 생산 할 수 있는 전자기 유도 방식 기반 기술과 변동풍압이 직접 시스템에 직접 작용 할 수 있는 단자유도 시스템을 기반으로 하는 시스템을 제안하였다. 본 연구에서는 전자기 유도 방식이 변동풍압에 효과적으로 활용이 가능한지를 확인하였고 실적용이 가능한 시스템 개발을 위하여 캔틸레버 방식과 양단 고정방식 2가지 개념을 적용한 시스템을 제안하였다. 각각의 시스템의 성능을 확인하기 위하여 이론적인 모델을 유도하고 제안된 시스템의 디자인 변수들을 면밀히 검토하여 수치해석을 실시하였으며 실험을 통해 수치해석의 결과와 비교하여 그 성능을 검증하였다. 그 결과 양단 고정방식이 전기 에너지 생산율이나 건물외피로서의 안전성을 고려하였을 때 훨씬 효율적이라는 결론을 내릴 수 있었다. 본 연구에서 성능검증을 통해 확인한 효율적인 시스템을 확인하였으며 이후 효율을 높이기 위한 최적화 방법, 그리고 실제 적용이 가능한 시스템의 적용가능성을 검토하고자 한다.
