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풍력에너지

풍력

특징 및 시스템 구성

풍력발전기는 풍력이 가진 에너지를 흡수ㆍ변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행합니다.

풍력

  • 기계장치부 : 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동ㆍ제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성 (* Gearless형은 Gearbox 없음)
  • 전기장치부 : 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록하는 전력안정화 장치로 구성
  • 제어장치부 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controler와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케하는 Monitoring System 으로 구성
    * Yaw Control : 바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절
    * 풍력발전 출력제어방식
  • Pitch Control날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어
  • Stall(失速) Control한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어
풍력발전 시스템(Geared Type)

풍력

풍력발전 시스템 분류
구조상(회전축 방향) 분류

풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분합니다.

  • 수직축 풍력시스템(VAWT) :바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있습니다. 다리우스형, 사보니우스형이 있습니다.
  • 수평축 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형으로 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하지만 바람의 방향에 영향을 받습니다. 보통 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축도 사용합니다.
운전방식 따른 구분
  • 기어형(정속운전 Fixed roter speed type)
    - 대부분의 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 풍력발전시스템에 해당되며 유도형 발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장착되어 있는 형태
    - 증속기(Gear Box : 적정속도로 변환)필요, Inverter 불필요
    - 정속 : 발전기 주파수를 올려 한전계통에 적합한 60Hz 맞춤
    - 대부분 정속운전 유도형 발전기 사용
    - 유도형 발전기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치 장착
    - 시스템 구성 : 회전자 → 기어증속장치 → 유도발전기(정전압/정주파수) → 한전계통
장점
  • 저렴한 제작비용으로 고신뢰도의 동력전달계 구성 가능
  • 장기간 축척된 기술력과 경험으로 신뢰도가 매우 높음
  • 보편적 요소기술로서 어느 지역에서도 설계제작이 가능
  • 유지보수가 용이함. 부분품의 교체로 쉽게 성능유지 가능
  • 계통연계가 간편하고 용이함
단점
  • 증속기어의 기계적 마모나 이에 따른 유지관리상의 문제가 생길 수 있음
  • 기계적 소음발생의 원인이며 고장발생의 주요 원인이 될 수 있음
  • 통상 전체시스템의 운전수명인 20년 보다 짧은 8∼10년 이내의 운전수명을 지님으로서 유지관리 비용의 상승을 초래
  • 저출력시 추가적인 보상회로에 의한 역률 개선 필요
  • 기어리스형(가변속운전 Variable roter speed type)
    - 대부분 가변속 운전동기형(또는 영구자석형) 발전기기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당
    - 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태
    - 가변속 : 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 Inverter 필요
    - 가변속운전 동기형(또는 영구자석형)발전기 사용
    - 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어장치 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태
    - 발전효율 높음(단독 운전의 경우 많이 사용되나 유도발전기보다 비싸고, 크기도 큰 단점있음)
    - 시스템 구성 : 회전자(직결) → 동기발전기(가변전압/가변주파수) → 인버터 → 한전계통
장점
  • 증속 기어장치등 많은 기계부품을 제거할 수 있음
  • 넛셀(nacelle) 구조가 매우 간단 단순해져 유지보수상의 간편성 증대
  • 증속기어의 제거로 기계적 소음의 획기적 저감
  • 역률제어가 가능하여 출력에 무관하게 고역률 실현가능함
단점
  • 매우 크고 무거우며 제작비용이 많이 들어가는 다극형 링발전기 필요
  • 다극형 동기발전기 공극이 외기에 노출되어 염해나 먼지등의 부유물에 영향을 받을 수 있으며, 전기적 절연성에 있어서의 안전성 확보가 절대 필요함
  • 중량이 큰 발전기를 외팔보 형태로 지지해야 하는 구조적 문제가 있음
  • 장기적 입장에서 인버터등 전력기기의 신뢰도에 대한 검증이 되지않음
  • 인버터 등 전력기기의 계통병입으로 고주파 등을 발생할 가능성이 있음
  • 증속기종류 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어
    Geared Type, 정속운전, 유도발전기에 사용
    약 30rpm정도로 회전하는 풍차날개 끝의 속도는 음속의 2배 이상을 넘기 때문에 60HZ인 경우에 극수에 따라 1,200rpm에서 3,600rpm사이에서 회전하는 발전기와 직접연결 된다면 시스템에 미치는 영향은 상상하기 힘듭니다. 또한 발전기의 극수를 늘리면 발전기 회전수를 풍차날개의 회전수의 정도로 낮출수 있지만, 발전기 회전자의 질량은 거의 토오크와 비례하기 때문에 발전기 무게가 매우 무거워 지며, 극수가 늘어남에 따라 가격도 비싸지기 때문에 일반적으로 느린 회전수에 큰 토오크를 가진 풍력에너지를 빠른 회전수에 작은 토오크를 지닌 발전기에 사용하기 위해서는 동력전달장치로 증속기를 사용합니다.
    - 소형 풍력발전기 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어 사용
    - 기어타입 : 평기어 많이 사용
    - 대형 풍력발전기 : 치차를 많이 사용
    - 동력전달 효율이 좋으며, 내구성 큼
    - 기어타입 : 헬리컬기어(helical gear) 많이 사용, 용량이 커짐에 따라 고속회전운동이 원활하고 충격에도 잘견디며, 소음이나 진동발생 적음
출력제어방식에 따른 분류
  • Pitch Control : 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어(경사도 조절장치는 유압으로 작동. 장기간 운전시 유압장치실린더와 회전자간의 기계적 링크부분의 손상이 우려되며, 빠른 풍속변화시 순간적 피크발생으로 시스템손상우려)
  • Stall(失速) Control : 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전량생산 및 기계적 링크가 없어 유지보수 수월 (피치각에 의한 능동적 출력제어가 불가능하여 과출력 가능성이 존재하며, 제동효율 좋지못함. 복잡한 공기역학 설계필요)