풍력발전에 대해서

목차

■ 개요

■ 대표적인 풍력발전기 형태

■ 풍력발전 원리

■ 풍력발전기의 구조

본문내용

약 70m부터 풍속이 10m/s 이상이나, 바다의 경우 지상 약 45m부터 10m/s 이상이다. 풍속 10m/s에서 출력 100kW를 내는 발전기가 있다면 숲에서는 기둥(Tower)의 높이가 약 70m이어야 되고 해안에서는 그림과 같이 약 45m 이면 100kW의 출력을 얻을 수가 있다.
4. 해상풍력발전단지(offshore wind park)
육상에 세워진 풍력발전기의 설계와 건설, 운영 등에 대한 경험을 바탕으로 지금은 해상풍력발전단지(offshore wind park)를 세우는 쪽으로 가고 있다. 바다 위의 발전기는 우선 기둥을 세울 수 있는 바다용 토대(Foundation)가 필요하게 되고 수심에 따라서 고려해야 할 사항이 늘어난다. 또 전선망을 바다에 깔아야 할 뿐만 아니라 바다위에 변전소도 지어야 한다. 그래서 건설, 전기, 기계 등과 같은 여러 가지 측면에서 육상에 비해 어렵고 비용도 상대적으로 높다.
이런 어려움에도 불구하고 바람이 숲에 비해서 상대적으로 바람이 적게 감속하기 때문에 같은 높이의 기둥(Tower)을 가지고 좀 더 큰 출력의 풍력발전기를 건설할 수가 있다. 예를 들어 지상 100m에서 바람이 바다와 숲에서 동시에 6m/s로 불고 있다면, 숲에서는 지상 약 72 m에서 풍속 5m/s이고 반면 바다에서는 그림 8과 같이 풍속은 5.5 m/s가 된다. 숲에 세워진 100 kW급 발전기로 풍속 5m/s에서 12.5 kW의 출력을 낸다고 하자. 앞의 식에 의해서 출력(power)은 풍속의 세제곱에 비례한다면, 바다에 세워진 같은 100 kW급 발전기로 풍속 5.5 m/s에서 30%가 많은 16.6kW의 출력을 낼 수가 있다. 즉 해상에서 더 많은 전기에너지를 얻을 수 있다.
아울러 날개 전체가 비교적 균일한 힘을 받기 때문에 로터 브레이드(rotor blade)와 기둥(tower)이 피로하중도 덜 받게 된다.
■ 풍력발전기의 구조
1. 풍력발전기에 장착된 기계장치들
풍력발전기는 크게 로터 (rotor)와 기계장치들이 장착된 네이셀(nacelle), 타워(tower)로 분리해 볼 수 있다. 풍력발전기를 공급하는 업체들은 자체의 풍력발전기에 맞는 구조를 가지고 있지만 씬크로너스 발전기(synchronous generator)를 이용한 풍력 발전기를 제외하고 대략 비슷한 기계장치들의 배열을 가지고 있다. 여기서는 DeWind의 D6-1000(1MW)에 대해서 설명하겠다.
로터 브레이드(rotor blade)에 작용되는 힘이 허브(hub)를 통해서 회전력(모멘트, moment)으로 바뀐다. 모멘트는 사무실 문을 여는 원리와 같다. 문고리를 잡아당기면 문이 회전하면서 열리는 것이다. 매우 무겁고 큰 문의 경우 문을 열기 위해서 많은 힘이 가해지기에 경칩을 튼튼한 것을 써야 한다. 이와 같은 원리로 허브는 매우 견고하게 만들어 진다. 허브를 통해서 모멘트는 회전축 (rotor shaft)에 전달된다. 그림 9에서 회전축의 직경이 매우 크고 견고한 것을 알 수가 있다. 이렇게 중량의 회전축과 허브, 로터는 두 개의 베어링을 통해서 네이셀(nacelle)에 고정된다. D6의 경우(그림 9) 허브와 로터 브레이드의 무게가 18톤이다. 기어박스(gearbox)를 통해서 회전수가 약 54배 빨라진 후, 모멘트는 발전기로 전달된다. 그림에서 기어박스 다음에 브레이크도 볼 수가 있다. 네이셀은 기둥과 연결되어 있지만 바람의 방향에 따라서 돌아갈 수가 있도록 설계되어 있다.
2. 로터 브레이드(rotor blade)
로터 브레이드는 앞에서 언급한 것처럼 항력을 이용해서 허브(hub)를 돌리는 역할을 한다. 그만큼 힘을 많이 받는 핵심 부품이기 때문에 튼튼하게 만들어져야 한다. 로터 브레이드는 상대적으로 가벼우면서도 튼튼한 재료인 복합재료(composite materials)를 사용해서 제조한다. 복합재료는 유리섬유(glass fiber) 등에 엑폭시(epoxy) 등과 같은 접착제를 이용해 만든 재료를 말한다. 흔히 가정의 옥상에 있는 물탱크를 연상하면 되겠지만 이 복합재료는 항공기 재료로 많이 사용되고 있다. 풍력발전기의 로터 브레이드를 공급하는 덴마크의 회사로 LM이 있다. 원래 LM에서 글라이더를 생산했다.
복합재료를 사용해서 로터 브레이드를 만들게 되면 가벼우면서 견고한 것이 장점이다. 공기역학적인 측면(aerodynamics)에서 표면이 연결부위가 없이 매우 매끄러운 관계로 공기저항이 적은 것 역시 큰 장점이라 할 수 있다. 그만큼 효율을 높일 수가 있다. 효율에 관계된 것으로 로터 브레이드의 단면 형상을 들 수가 있겠다. 어떤 단면을 어느 부분에 사용했느냐에 따라서 효율이 달라지게 된다. 보통은 4.2장에서 언급한 설계풍속을 기준으로 최대 효율을 얻을 수 있도록 설계를 한다. 설계 방법으로는 BEM(blade element momentum method)가 있다. 앞에서 소개한 풍력발전기들의 풍속에 따른 출력곡선을 그림 10에 나타내었다. 각각의 풍력발전기 마다 다른 형태를 보여주고 있다. 이는 제어방식이 각기 다르기 때문이다. GE Wind 900s 대신에 GE Wind 1.5s의 데이터를 사용함으로 인해 무차원 출력 [W/W]으로 비교하였다. 피치(pitch)형 발전기의 경우 최대 출력이 좀더 낮은 풍속에서 도달함을 알 수가 있다. 독일에서는 풍력발전기의 수명을 법적으로 20년 이상 잡고 있다. 즉 그 동안 로터
브레이드나 허브, 기타 기계장치들이 파손이 되거나 네이셀(nacelle)의 진동이 심하여 영구적으로 가동이 불가능해서는 안 된다. 로터 브레이드와 허브는 제조상의 이유로 완전히 대칭이 아니므로 편심이 존재하게 된다. 이로 인해서 허브가 회전하면서 진동이 발생하게 된다. 마치 날개가 하나 부러진
선풍기가 요란한 소리를 내는 것과 같은 원리이다. 겨울에 로터 브레이드에 얼음이 있을 경우 얼음을 제거하기 전까지 운전을 중지해야 하는 이유이다. 이를 방지하기 위해서 보통 로터 브레이드내에 자동차의 유리창과 같이 열선이 내장되어 있다. 아울러 풍력발전기의 대형화에 따라서 구조역학과 공기역학이 복합적으로 작용한 진동문제가 나타나게 된다.

키워드

풍력,   에너지,   전기