풍력에너지

기술의 개요

 

풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적(aero dynamic)특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 바람에너지를 날개를 이용해서 전기에너지로 바꾸는데 이때 이론적으로 날개의 바람에너지 중 59.3%만 이 전기에너지로 바뀔 수 있으며, 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20~40%만이 전기에너지로 이용 가능하다.

 약 50년 전에 현대적 개념의 200kw급 풍력발전기가 덴마크의 Gedser 해안에서 개발된 이후 1973년 오일쇼크를 거치면서 풍력발전기의 설계 기술은 비약적으로 진보되었고, 최근 들어 독일과 덴마크를 중심으로 5MW 이상의 대형 풍력발전기가 개발되면서 대용량 풍력발전과 계통연계 등과 같은 다양한 연구가 진행되고 있다.

 풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성요소로는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속장치(gearbox), 전기를 생산하는 발전기(Generator), 각종 안전장치를 제어하는 제어장치, 브레이크장치와 전력제어장치 및 철탑 등으로 구성된다. 다음은 풍력발전기를 구성하는 핵심 구성요소이다.

 

①    회전자(Rotor): 바람이 사진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치이며, 풍력발전기의 성능에 큰 영향을 미침. 효과적인 풍력발전을 위해서는 이러한 로터의 설계가 매우 중요하며, 특히 각의 날개(Blade)의 설계가 아주 중요한 요소로 작용함.

▣출력은 swept area에 비례함: swept area = πr² (r:blade length)

▣블레이드 길이 10% 증가 시 효율은 21% 증가.

 

②    날개(blade): 구조적 하중 특성, 재료성능, 블레이드 디자인 및 수명을 고려한 재료를 사용함. Glass fiber reinforced plastics (GFRP)을 많이 사용하는데 이는 가장 대표적인 내식성, 내약품성 재료로서 높은 강도를 가지기 때문임. 현재 대부분의 대형 풍력발전기에 사용함. 현재 대부분의 대형 풍력발전기에 사용함. 또 날개 (Blade)는 1개, 2개 그리고 3개를 사용하는데

▣1-blade는 소음과 외관상의 문제를 발생시키며 큰 요잉(yawing) 모멘트가 작용하며 불규칙한 토크를 발생시키므로 잘 사용되지 않음.

▣2-blade는 티터링 모션이 크며 소음과 외관상 문제를 다소 발생시킴

▣3-blade 날개는 대부분의 대형 풍력발전기에 채택되고 있으며 현재 가장 안정적이고 주도적인 모델이다.

 

③    공력블레이드 시스템: 풍력발전의 주된 브레이크 시스템임. 스톨제어 발전기에 사용되는 전형적인 브레이크 시스템이며, 발전기 및 기계 브레이크 시스템에 과부하방지, 블레이드 주 코드 방향이 회전면과 수직이 되도록 피치각을 90도로 회전시켜 최대의 공력저항을 발생시켜 로터를 제동시키는 방법.

 

④운전시스템: 풍력발전기는 무엇보다 운전시스템이 중요함. 바람의 세기에 관계없이 일정한 전력의 생산이 효율에 큰 영향을 주므로 운전시스템은 매우 중요한 부분임. 운전시스템은 날개 회전수와 그 패턴에 따라 구분됨

 

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