풍력 터빈

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배경

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 회전하는 기계적 에너지로 변환한 다음 작업에 사용되는 기계입니다. 보다 발전된 모델에서는 회전 에너지를 발전기를 사용하여 가장 다양한 형태의 에너지인 전기로 변환합니다.

수천 년 동안 사람들은 물을 퍼 올리거나 곡식을 갈기 위해 풍차를 사용해 왔습니다. 20세기까지 미국 가정과 목장에서는 전체가 금속으로 만들어진 크고 가느다란 다중 날개 풍력 터빈이 집의 배관 시스템이나 소의 물통으로 물을 펌핑하는 데 사용되었습니다. 제1차 세계 대전 후, 전기를 생산할 수 있는 풍력 터빈을 개발하기 위한 작업이 시작되었습니다. Marcellus Jacobs는 1927년에 라디오와 몇 개의 램프에 전력을 공급할 수 있지만 그 외에는 거의 제공하지 않는 프로토타입을 발명했습니다. 나중에 전기 수요가 증가하자 Jacobs의 작고 부적합한 풍력 터빈은 사용할 수 없게 되었습니다.

미국에서 건설된 최초의 대규모 풍력 터빈은 1934년 Palmer Cosslett Putnam에 의해 고안되었습니다. 그는 1941년에 그것을 완성했습니다. 기계는 거대했습니다. 타워의 높이는 36.6야드(33.5미터)였으며 두 개의 스테인리스 스틸 블레이드의 직경은 58야드(53미터)였습니다. Putnam의 풍력 터빈은 1,250킬로와트의 전기를 생산할 수 있으며 이는 작은 마을의 요구 사항을 충족하기에 충분합니다. 그러나 기계적 고장으로 1945년에 폐기되었습니다.

1970년대 석유 금수 조치와 함께 미국은 풍력 터빈에서 저렴한 전기를 생산할 수 있는 가능성을 다시 한 번 고려하기 시작했습니다. 1975년에는 프로토타입 Mod-O가 작동 중이었습니다. 이것은 2개의 21야드(19미터) 블레이드가 있는 100kW 터빈이었습니다. 더 많은 프로토타입(Mod-OA, Mod-1, Mod-2 등)이 뒤따랐으며, 각각은 이전보다 더 크고 강력했습니다. 현재 미국 에너지부는 기계당 3,200킬로와트 이상을 목표로 하고 있습니다.

다양한 풍력 터빈 모델이 존재하며, 가장 눈에 띄는 것은 달걀 치는 사람 모양의 수직축 다리우스(Darrieus)입니다. 그러나 상업용 제조업체에서 가장 지원하는 모델은 약 100kW의 용량과 길이가 33야드(30미터) 이하인 3개의 블레이드를 갖춘 수평축 터빈입니다. 3개의 블레이드가 있는 풍력 터빈은 2개의 블레이드가 있는 풍력 터빈보다 더 부드럽게 회전하고 균형을 잡기가 더 쉽습니다. 또한 더 큰 풍력 터빈은 더 많은 에너지를 생산하지만 더 작은 모델은 주요 기계적 고장을 겪을 가능성이 적기 때문에 유지 보수가 더 경제적입니다.

풍력 발전 단지는 미국 전역, 특히 캘리포니아에서 생겨났습니다. 풍력 발전 단지는 풍력 생산이 유리한 지역에 설치된 풍력 터빈의 거대한 배열입니다. 상당한 인구의 요구를 충족시키기에 충분한 전기를 생산하기 위해서는 상호 연결된 풍력 터빈의 수가 많이 필요합니다. 현재 여러 풍력 에너지 회사가 소유한 풍력 발전 단지에 있는 17,000개의 풍력 터빈은 연간 37억 킬로와트시의 전기를 생산하며 이는 500,000가구의 에너지 수요를 충족하기에 충분합니다.

원자재

풍력 터빈은 타워, 나셀 및 로터 블레이드의 세 가지 기본 부분으로 구성됩니다. 타워는 전기 타워와 유사한 강철 격자 타워이거나 나셀에 내부 사다리가 있는 강철 관형 타워입니다. 풍력 터빈 건설의 첫 번째 단계는 타워를 세우는 것입니다. 타워의 강철 부품은 공장 외부에서 제조되지만 일반적으로 현장에서 조립됩니다. 부품은 조립 전에 함께 볼트로 고정되고 타워는 배치될 때까지 수평을 유지합니다. 크레인이 타워를 제자리로 들어 올리고 모든 볼트를 조이고 완료 시 안정성을 테스트합니다.
다음으로 유리섬유 나셀을 설치합니다. 메인 드라이브 샤프트, 기어박스, 블레이드 피치 및 요 컨트롤과 같은 내부 작동은 공장에서 조립되어 베이스 프레임에 장착됩니다. 그런 다음 나셀이 장비 주위에 볼트로 고정됩니다. 현장에서 나셀은 완성된 타워 위로 들어 올려지고 볼트로 제자리에 고정됩니다. 대부분의 타워에는 지지용으로 사용되는 케이블인 가이가 없으며 보호를 위해 아연 합금으로 코팅된 강철로 만들어졌지만 일부는 대신 칠해졌습니다. 전형적인 미국제 터빈의 타워는 높이가 약 80피트이고 무게가 약 19,000파운드입니다.

나셀은 풍력 터빈의 내부 작동을 포함하는 강하고 속이 빈 쉘입니다. 일반적으로 유리 섬유로 만들어진 나셀에는 주 구동축과 기어박스가 있습니다. 또한 블레이드 피치 제어, 블레이드 각도를 제어하는 ​​유압 시스템 및 바람에 대한 터빈의 위치를 ​​제어하는 ​​요 드라이브가 포함되어 있습니다. 발전기 및 전자 제어 장치는 주요 구성 요소가 강철과 구리인 표준 장비입니다. 현재 터빈의 일반적인 나셀 무게는 약 22,000파운드입니다.

재료의 가장 다양한 사용과 새로운 재료에 대한 가장 많은 실험은 블레이드에서 발생합니다. 상업용 풍력 터빈의 블레이드에 사용되는 가장 지배적인 재료는 중공 코어가 있는 유리 섬유이지만 사용 중인 다른 재료에는 경량 목재와 알루미늄이 있습니다. 나무 칼날은 단단하지만 대부분의 칼날은 속이 비어 있거나 플라스틱 폼이나 벌집, 발사목과 같은 가벼운 물질로 채워진 코어를 둘러싼 스킨으로 구성됩니다. 일반적인 유리 섬유 블레이드는 길이가 약 15미터이고 무게가 약 2,500파운드입니다.

풍력 터빈에는 풍력 에너지를 전기로 변환하고 타워 바닥에 위치한 유틸리티 박스도 포함됩니다. 다양한 케이블은 유틸리티 박스를 나셀에 연결하고 다른 케이블은 전체 터빈을 인근 터빈 및 변압기에 연결합니다.

제조
프로세스

개별 풍력 터빈의 건설을 고려하기 전에 제조업체는 풍력 발전 단지의 부지를 위한 적절한 지역을 결정해야 합니다. 바람은 일정해야 하며 속도는 정기적으로 시속 15.5마일(시속 25km) 이상이어야 합니다. 특정 계절에 바람이 더 강하면 최대 전력 사용 기간에 가장 강한 것이 바람직합니다. 예를 들어, 세계 최대 풍력 발전소가 있는 캘리포니아의 Altamont Pass에서는 수요가 많은 여름에 풍속이 최고조에 달합니다. 풍력 발전 단지가 고려되고 있는 뉴잉글랜드의 일부 지역에서는 바람이 겨울에 가장 강합니다. 나셀은 메인 드라이브와 같은 풍력 터빈의 내부 작동을 포함하는 강하고 속이 빈 쉘입니다. 샤프트와 기어박스. 또한 블레이드 피치 제어, 블레이드 각도를 제어하는 ​​유압 시스템, 바람에 대한 터빈의 위치를 ​​제어하는 ​​요 드라이브가 포함되어 있습니다. 현재 터빈의 일반적인 나셀 무게는 약 22,000파운드입니다. 난방은 전력 소비를 증가시킵니다. 풍력 발전 단지는 산으로 둘러싸인 완만한 구릉지의 탁 트인 지역에서 가장 잘 작동합니다. 이 지역은 풍력 터빈을 능선에 배치할 수 있고 나무와 건물에 의해 방해받지 않고 산이 공기 흐름을 집중시켜 더 강하고 빠른 바람의 자연적인 풍동을 만들기 때문에 선호됩니다. 풍력 발전 단지는 지역 발전소로의 전기 전송을 용이하게 하기 위해 유틸리티 라인 근처에 배치해야 합니다.

사이트 준비

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1 풍력 발전소가 건설되는 곳이면 어디든지 부품을 운반하기 위해 도로가 끊어집니다. 각 풍력 터빈 위치에서 토지는 등급이 매겨지고 패드 영역은 평평해집니다. 콘크리트 그런 다음 기초를 땅에 깔고 지하 케이블을 설치합니다. 이 케이블은 풍력 터빈을 서로 직렬로 연결하고 모든 풍력 터빈을 원격 제어 센터에 연결하여 풍력 발전소를 모니터링하고 전력을 전력 회사에 전송합니다.

타워 세우기

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2 타워의 철재 부품은 공장에서 오프사이트로 제조되지만, 대개는 현지에서 조립된다. 부품은 조립 전에 함께 볼트로 고정되고 타워는 배치될 때까지 수평을 유지합니다. 크레인이 타워를 제자리로 들어 올리고 모든 볼트를 조이고 완료 시 안정성을 테스트합니다.

나셀

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3 유리 섬유 나셀은 타워와 마찬가지로 공장 외부에서 제조됩니다. 하지만 타워와 달리 공장에서 조립하기도 한다. 메인 드라이브 샤프트, 기어박스, 블레이드 피치 및 요 제어장치와 같은 내부 작동이 조립된 다음 베이스 프레임에 장착됩니다. 그런 다음 나셀이 볼트로 고정됩니다. 풍력발전기별 유틸리티 박스와 풍력발전단지의 전기통신시스템은 나셀과 블레이드. 케이블은 나셀에서 유틸리티 박스로 그리고 유틸리티 박스에서 원격 제어 센터로 연결됩니다. 장비 주변. 현장에서 나셀은 완성된 타워 위로 들어 올려지고 볼트로 제자리에 고정됩니다.

로터리 블레이드

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4 알루미늄 블레이드는 알루미늄 시트를 볼트로 결합하여 만들고, 나무 블레이드는 단면이 비행기 날개와 유사한 공기역학적 프로펠러를 형성하도록 조각됩니다.

5 그러나 지금까지 가장 많은 수의 블레이드가 유리 섬유로 만들어졌습니다. 유리 섬유 제조는 힘든 작업입니다. 먼저 조개껍데기처럼 반으로 갈라지되 칼날 모양의 틀을 준비한다. 다음으로, 유리 섬유-수지 복합 혼합물을 금형의 내부 표면에 도포한 다음 닫습니다. 그런 다음 유리 섬유 혼합물을 몇 시간 동안 건조해야 합니다. 그러는 동안 금형 내의 공기가 채워진 주머니는 날의 모양을 유지하는 데 도움이 됩니다. 유리 섬유가 건조된 후 금형을 열고 방광을 제거합니다. 블레이드의 최종 준비에는 청소, 샌딩, 두 반쪽 밀봉 및 페인팅이 포함됩니다.

6 블레이드는 일반적으로 타워에 장착된 후 나셀에 볼트로 고정됩니다. 지상에서 조립이 더 쉽기 때문에 때때로 3갈래 블레이드에는 들어 올리기 전에 나셀에 두 개의 블레이드가 볼트로 고정되고 세 번째 블레이드는 나셀이 제자리에 고정된 후에 볼트로 고정됩니다.

제어 시스템 설치

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7 풍력발전기의 유틸리티 박스와 풍력발전단지의 전기통신 시스템은 나셀과 블레이드의 배치와 동시에 설치된다. 케이블은 나셀에서 유틸리티 박스로 그리고 유틸리티 박스에서 원격 제어 센터로 연결됩니다.

품질 관리

대부분의 제조 공정과 달리 풍력 터빈의 생산에는 품질 관리에 대한 관심이 거의 없습니다. 풍력 터빈의 대량 생산은 상당히 새로운 것이기 때문에 표준이 설정되지 않았습니다. 정부와 제조업체 모두가 이 분야에서 노력하고 있습니다.

가동 중인 풍력 터빈은 시간의 90%가 작동하는 것으로 간주되지만, 특히 블레이드에서 많은 구조적 결함이 여전히 발생합니다. 때때로 제조 직후에 균열이 나타납니다. 정렬 및 조립 오류로 인한 기계적 고장은 일반적입니다. 전기 센서는 전력 서지로 인해 자주 고장납니다. 비 유압식 브레이크는 안정적인 경향이 있지만 유압식 브레이크 시스템은 종종 문제를 일으킵니다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 기존 기술을 사용하는 계획이 개발되고 있습니다.

풍력 터빈은 고장을 최소화하기 위해 정기적인 유지 보수 일정이 있습니다. 3개월마다 점검을 받고 6개월마다 주요 유지 점검이 예정되어 있습니다. 여기에는 일반적으로 움직이는 부품에 윤활유를 바르고 기어박스의 오일 레벨을 확인하는 작업이 포함됩니다. 작업자가 현장에서 전기 시스템을 테스트하고 발전기 또는 연결 문제를 기록하는 것도 가능합니다.

환경적 이점
및 단점

무진장한 바람으로 전기를 생산하는 풍력 터빈은 공해를 일으키지 않습니다. 이에 비해 석탄, 석유 및 천연 가스는 생산된 킬로와트시당 1~2파운드의 이산화탄소(온실 효과와 지구 온난화에 기여하는 배출)를 생산합니다. 풍력 에너지가 전기 수요에 사용되면 이 목적을 위한 화석 연료에 대한 의존도가 줄어듭니다. 풍력 터빈에 의한 현재 연간 전기 생산(37억 킬로와트시)은 400만 배럴의 석유 또는 100만 톤의 석탄에 해당합니다.

풍력 터빈은 환경적 결점에서 완전히 자유롭지 못합니다. 많은 사람들은 특히 자연 그대로의 황야 지역 근처에 거대한 풍력 발전 단지가 건설될 때 그것들을 미학적으로 생각합니다. 새가 죽임을 당한 사례가 기록되어 있으며, 윙윙거리는 칼날은 상당한 소음을 발생시킵니다. 이러한 영향을 줄이기 위한 노력에는 야생 지역이나 조류 이동 경로와 일치하지 않는 사이트를 선택하고 소음을 줄이는 방법을 연구하는 것이 포함됩니다.

미래

풍력 터빈의 미래는 더 좋아질 수 있습니다. 풍력 에너지의 잠재력은 대부분 미개척 상태입니다. 미국 에너지부는 1995년까지 현재 생산되는 전력량의 10배에 달하는 전력을 생산할 수 있을 것으로 추정하고 있습니다. 2005년까지 현재 생산량의 70배에 달하는 전력 생산이 가능합니다. 이것이 달성된다면 풍력 터빈은 미국 전력 생산량의 10%를 차지할 것입니다.

풍력 자원에 대한 지식을 높이기 위한 연구가 현재 진행 중입니다. 여기에는 바람이 안정적이고 강한 곳에 풍력 발전 단지를 배치할 가능성에 대해 점점 더 많은 지역에 대한 테스트가 포함됩니다. 기계 수명을 5년에서 20년에서 30년으로 늘리고, 블레이드의 효율성을 개선하고, 더 나은 제어를 제공하고, 더 오래 지속되는 드라이브 트레인을 개발하고, 더 나은 서지 보호 및 접지를 허용하는 계획이 유효합니다. 미국 에너지부는 최근 현재 가능한 것보다 더 높은 효율 등급의 풍력 터빈을 건설하기 위해 최신 연구를 시행하기 위한 일정을 세웠습니다. (이상적인 풍력 터빈의 효율은 59.3%입니다. 즉, 풍력 에너지의 59.3%를 포집할 수 있습니다. 실제 사용 중인 터빈은 약 30% 효율입니다.) 미국 에너지부는 또한 3개 기업과 연구 계약을 체결했습니다. 기계적 고장을 줄이는 방법. 이 프로젝트는 1992년 봄에 시작되어 세기말까지 확장될 것입니다.

풍력 터빈은 앞으로 더 널리 보급될 것입니다. 세계 최대 풍력 터빈 제조업체인 US Windpower는 1995년까지 420메가와트 용량(4,200대)에서 800메가와트(8,000대)로 확장할 계획입니다. 그들은 2000년까지 2,000메가와트(20,000대)를 보유할 계획입니다. 기타 풍력 터빈 제조업체도 생산량을 늘릴 계획입니다. 여러 선진국으로 구성된 국제 위원회가 풍력 터빈의 잠재력을 논의하기 위해 구성되었습니다. 개발도상국에 1920년대에 지어진 Marcellus Jacobs와 유사한 소형 풍력 터빈을 제공하기 위한 노력도 이루어지고 있습니다. 이미 유럽 풍력의 70~80%를 생산하고 있는 덴마크는 풍력 터빈 제조를 확대할 계획을 세우고 있습니다. 세기의 전환기는 적절하게 배치되고 효율적이고 내구성이 있으며 수많은 풍력 터빈을 보게 될 것입니다.