Building integrated wind turbine (BIWT) installations have gradually increased with an interest at surrounding renewable energy sources in urban area. The typical application method for conventional BIWT 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. This research proposes a new type of BIWT system by directly utilizing the building skin, which is an unused and unavailable area in all conventional BIWT systems. The proposed system exploits the static pressure on the building envelope introducing a guide vane, that is able to effectively collect the incoming wind and increase its speed for a rotor. To this end, theoretical backgrounds and several important design issues for the guide vane as well as the rotor were thoroughly investigated and accordingly addressed. A series of computational fluid dynamics (CFD) analyses was performed to determine the optimal configuration of the proposed system for specific conditions. The performance evaluation tests were conducted in the wind tunnel with the prototype with the specially designed guide vane and rotor. The wind tunnel tests demonstrated that the proposed BIWT system accelerates the wind speed to a sufficient level and consequently increases the power coefficient significantly. Finally, this research assessed an energy potential of the proposed BIWT system in global urban area. The amounts of energy generation and consumption of an office building integrated with the proposed system was estimated through the CFD analysis and the building performance simulation, respectively, and the system’s performance was evaluated by the ratio of the power production to the energy consumption. The results provide wind energy potential of the proposed system following its orientation in six different cities. As a result, the proposed system is positively evaluated as a promising wind power conversion system for several global urban areas.
최근 도심 내부에 존재하는 친환경 에너지원에 대한 관심과 함께 건물일체형 풍력발전장치를 실제 건물에 적용한 사례가 증가하고 있다. 하지만 현재 개발된 대부분의 기존 풍력발전장치는 설치 장소가 풍속이 높게 발생하는 건물의 옥상이나 모서리에 한정되어 있어 활용 가능 면적이 넓지 않다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존 시스템들이 활용하지 못했던 공간인 건물 외피에 적용이 가능한 새로운 형태의 건물일체형 풍력발전 시스템을 제안한다. 정압이 높아지고 풍속이 급격히 낮아지는 건물 외피의 바람 특성을 극복하기 위해, 제안된 시스템은 입사판이라는 장치를 도입한다. 입사판은 후면에 설치된 로터가 작동할 수 있도록 시스템으로 유입되는 바람의 풍속을 증가시켜준다. 본 연구에서는 먼저 입사판과 로터를 포함한 전체 시스템의 이론적인 모델을 유도하고 제안된 시스템의 디자인 변수들을 면밀히 검토하였으며, 이를 반영한 다양한 모델들의 2차원 전산 유체 해석을 수행하여 가장 효율적인 최종 형상를 결정하였다. 시스템의 성능은 두 단계의 풍동 실험을 통해 검증되었다. 먼저 축소된 입사판 모델을 이용하여 입사판의 성능을 검증하였으며, 실제 크기로 제작된 시작품을 통해 로터의 성능을 검증하였다. 두 풍동 실험 모두 실험 환경과 동일한 조건으로 전산 유체 해석을 수행하여 실험 결과를 보다 면밀하게 검토하였다. 그 결과, 입사판은 로터가 설치된 위치로 바람을 효율적으로 모아주었으며, 최종 선정된 형상의 로터 역시 입사판의 성능을 크게 방해하지 않고 안정된 성능으로 전력을 생산하였다. 본 논문에서는 또한 제안된 시스템이 세계의 여러 도심 지역에 적용되었을 때를 가정하여 시스템의 에너지 생산 잠재력을 평가하였다. 에너지 잠재력은 시스템이 적용된 대상 건물의 단위 면적당 에너지 생산량과 소비량을 비교하여 평가하며, 이는 선정된 도시의 기후 데이터를 바탕으로 한다. 에너지 생산량은 전산 유체 해석을 수행하여 전체 시스템 내부의 풍속을 조사한 후, 개별 모듈 실험으로 검증된 시스템의 발전 계수를 바탕으로 하여 계산되었다. 또한 건물 내부에서 필요로 하는 에너지 소비량은 상용화된 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램을 통해 추정하였다. 본 논문에서는 최종적으로 선정된 6개의 도시에서 8방위로 설치된 시스템의 효율을 비교한다. 그 결과 제안된 시스템이 일부 도시에서 건물일체형 풍력발전장치로서 높은 가능성을 가지고 있음을 확인하였다.
