풍력에너지

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풍력에너지

• 풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다
• 풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 업고 국토를 효율적으로 이용할수 있으며, 대규모 발전단지의 경우에는 발전단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신에너지 발전기술이다.
• 효율적으로 전기를 얻으려면 초당 5[]이상의 바람이 지속적으로 불어야 가능하므로 대체로 사막이나 바다에 접해 있는 지역이 풍력발전소를 건설한 만한 곳이 많다

시스템 구성 및 원리

1)기계장치부

• 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 Routor(회전자), 이를 적정 속도로 변화하는 증속기(Gearbox)와 기동 제동 및 운용 효율성향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

2)전기장치부

• 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급하도록 하는전력안정화 장치로 구성

3)제어장치부

• 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 ControlSystem 및 Yawing &Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 Monitoring System으로 구성

4)기타

• YawContril
  바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절

• 풍력발전 출력제어방식
  • PitchControl : 날개의 경사각 조절로 출력을 능동적 제어
  • StallControl : 한계충속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기 역학적 형상에 의한 제어

풍력발전시스템 분류

1)회전축 방향에 따른 구분(구조상 분류)

수직축

• 수직축 풍력발전기에는 원호형 날개 2~3개를 수직축에 붙인 다리우스형과 2~4개의 수직 대칭형의 날개를 붙인 자이로밀형, 그리고 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스형등이 있다.

• 바람의 방향과 관계가 없어 사막이나 쳥원에 많이 설치하여 이용이 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 충파에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

수평축

• 수평축 충력발전기는 1개에서 4개까지의 날개를 가진 다양한 종류가 있지만, 현재 발전용으로 가장 많이 이용되고 있는 것은 3개의 날개를 가진 프로펠러형이다

• 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음

• 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 1000[kW]급 이하 소형은 수직축도 사용한다

2)운전방식 따른 구분(동력전달장치 구조에 따른 분류)

기어드 타입

• 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 로터의 회전속도를 증가시키기 위한 기어박스를 사용하는 풍력발전기이다.

기어리스타입

• 기어박스 없이 발전기와 로터를 직접 연결하는 풍력발전기이다.
• 이러한 타입은 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치를 설치하게 되는 운전방식이다

3)출력제한

Stall타입

• 개념 :
  블레이드 설계를 정격풍속 이상에서 발전기 출력이 증가하지 않고 정지풍속에서 Stall이 발생하도록 설계하는 방식이다.

• 장단점

장점	회전날개의 공기역학적 형상에 의한 제어방식으로 회전자를 이용하므로 피치 방식보다 많은 발전량 생산(고효율 실현) 유압장치와 회전자 간의 기계적 링크가 없어 작기운전시에도 유지보수 불필요
단점	날개 피치각에 의한 능동적 출력제어 결여로 과출력 발생 가능성 회전날개 피치각이 고정되어 있어 비상제동 시 회전자 끝 부분만 회전되어 제동장치로서 작동하게 되므로 제품효율이 나쁠뿐 아니라 동시에 유압제동장치가 작동해야 하므로 주축 및 기어박스에 충격이 가해짐 계통 투입 시 전압강하나 In-Rush 전류로 인한 계통영향 소자 상존

피치타입

• 개념
  • 블레이드의 깃각 제어를 통하여 정격충속 이상에서는 일정한 출력이 발생하도록 제어한다
  • 정지풍속에서는 블레이드를 Feathering(회전)함으로써 발전기가 정지하도록 제어하는 방식이다.

• 장단점

장점	날개 피치각을 제어하는 방식으로 적정 출력을 능동적으로 제어 가능 피치각의 희전에 의한 공기역학적 제동방식을 사용하여 기계적 충격 없이 부드럽게 정지 및 계통투입 계통 투입 시에 전압강하나 유입전류(In-Rush)최소화
단점	날개 피티각 회적을 위한 유입장치 실린더와 회전자 간의 기계적 링크부분의 장기간 운전 시 마모, 부식등에 의한 유지보수 필요 외부 풍속이 빠르게 변할 경우 제어가 능동적으로 이루어지지 않아 순간적인 peak 등이 발생할 우려

장단점

1)장점

• 무한정의 청정에너지원이다
• 화석연료를 대신하여 자원고갈에 대비할수 있다
• 풍력발전시시러은 가장 비용이 적게 들고, 건설 및 설치기간이 짧다
• 풍력발전시설단지는 농사, 목축 등 토지의 효율성을 높인다.

2)단점

바람이 항상 부는 것이 아니기 때문에 에너지를 저장하기 위한 충전기술이 사용되어야 하고, 이는 비용이 많이 든다.

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