풍력 발전

풍력

바람은 태양 에너지의 한 형태입니다. 바람은 태양에 의한 대기의 고르지 못한 가열, 지표면의 불규칙성, 지구의 자전으로 인해 발생합니다. 바람의 흐름 패턴은 지구의 지형, 수역 및 식물 덮개에 의해 수정됩니다. 바람 에너지는 움직이는 공기의 운동 에너지입니다. 이 풍력 에너지를 수확할 수 있습니다. 풍력은 이 풍력 에너지를 풍력 터빈을 사용하는 전력, 풍차를 사용하는 기계적 동력, 풍력 펌프에 의한 물의 펌핑 또는 배수 및 선박을 추진하는 돛과 같은 유용한 형태의 에너지로 변환하는 것입니다. 풍력 에너지는 재생 가능하거나 비전통적인 에너지원입니다. 이것은 깨끗하고 오염되지 않은 에너지 원입니다. 세계 여러 곳에서 대량으로 구할 수 있습니다. 전기 생산 과정에서 온실 가스를 발생시키지 않습니다.

바람에서 얻을 수 있는 경제적으로 추출 가능한 전력의 총량은 매우 높습니다. 독일 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute)의 Axel Kleidon은 대기의 온도 차이를 만들어 바람을 이끄는 들어오는 태양 복사를 시작으로 풍력 에너지의 양에 대한 '하향식' 계산을 수행했습니다. 그는 18TW에서 68TW(1조 와트인 테라와트) 사이의 어딘가에서 추출할 수 있다고 결론지었습니다. Cristina Archer와 Mark Z. Jacobson은 실제 풍속 측정값을 기반으로 한 '상향식' 추정치를 제시했습니다. 이 추정치에 따르면 육지와 바다의 고도 100미터에서 1700TW의 풍력이 이용 가능합니다. 이 가용 전력 중에서 72~170TW를 실용적이고 비용 경쟁력 있는 방식으로 추출할 수 있습니다. 그들은 나중에 80TW로 추정했습니다. 그러나 Harvard 대학의 연구에서는 대규모 풍력 발전 단지의 경우 평균 1 Watt/Sq m 및 2 ~ 10MW/Sq km 용량을 추정하며, 이러한 총 풍력 자원 추정치가 약 4배만큼 너무 높다는 것을 시사합니다.

풍력 에너지로부터 전력 생산은 풍력 터빈의 도움으로 발생합니다. 각 풍력 터빈은 발전기(교류기)와 연결됩니다. 간단히 말해서 풍력 터빈은 팬의 반대입니다. 선풍기처럼 전기를 사용하여 바람을 만드는 대신 풍력 터빈은 바람을 사용하여 전기를 만듭니다. 바람은 전기를 생산하기 위해 발전기에 연결된 샤프트를 회전시키는 블레이드를 돌립니다. 원하는 출력을 얻기 위해 여러 터빈이 함께 연결됩니다. 이렇게 많은 수의 풍력 터빈이 모여 있는 것을 풍력 발전 단지라고 합니다. 풍력 발전 단지는 일반적으로 풍속이 터빈 블레이드를 움직일 수 있는 곳에 건설됩니다.

풍력 에너지

발전을 위한 풍력 에너지의 사용은 매우 빠른 속도로 증가하고 있습니다. 풍력은 풍력 터빈을 사용하여 움직이는 공기의 에너지를 수확하고 그 에너지를 전기로 변환합니다. 풍력을 이용하여 풍력을 발생시키는 원리는 다음과 같습니다.

시간 t 동안 가상 영역 A를 통해 흐르는 총 풍력 에너지는 다음 방정식으로 주어집니다.

어디에 ? 는 공기의 밀도, v는 풍속, Avt는 A(바람 방향에 수직으로 간주됨)를 통과하는 공기의 부피, Avt는? 따라서 질량은 m입니다. 단위 시간당 통과. ½?v ² 는 단위 부피당 움직이는 공기의 운동 에너지입니다.

전력은 단위 시간당 에너지이므로 A에 입사하는 풍력 발전(예:풍력 터빈의 로터 면적과 같음)은 다음과 같습니다.

위의 방정식에서 다음이 추론됩니다.

• 전력은 공기 밀도 ?에 정비례합니다. 공기 밀도가 증가하면 터빈의 출력이 증가합니다.
• 출력은 터빈 블레이드의 스위프 면적에 정비례합니다. 블레이드의 길이가 증가하면 그에 따라 스위프 영역의 반경이 증가하여 터빈 출력이 증가합니다.
• 풍력도 속도에 따라 달라지며 야외 기류에서는 풍속(v)의 3승에 비례합니다. 바람의 속도가 2배가 되면 가용 전력이 8배 증가합니다. 따라서 그리드 전기용 풍력 터빈은 특히 더 높은 풍속에서 효율적이어야 합니다.

풍력 터빈

풍력 발전소에서 풍력 터빈은 운동 에너지를 사용하여 바람에 제시하여 발전기(발전기)의 원동기를 회전시켜 전기를 만듭니다. 충분한 바람이 터빈의 날개를 치면 회전합니다. 블레이드는 로터와 결합됩니다. 따라서 블레이드가 움직이면 로터도 움직입니다. 풍력 터빈에서 피치 시스템은 로터의 속도를 제어합니다. 로터는 저속 샤프트에 연결됩니다. 이 저속 샤프트는 기어 시스템을 통해 발전기의 고속 샤프트에 연결됩니다. 기어 시스템은 발전기 샤프트의 회전 속도를 일반 발전기의 정상 속도로 높입니다. 이 고속 발전기는 전기를 생산합니다.

풍력 터빈은 또한 기계를 시작하거나 중지할 때 컨트롤러로 구성됩니다. 일반적으로 풍력 터빈은 풍속 범위 내에서 작동됩니다. 풍속이 하한을 넘으면 터빈이 시동되고 풍속이 생존 풍속이라고도 하는 상한에 도달하면 터빈이 자동으로 중지됩니다. 모든 풍력 터빈은 이 최대 풍속(생존 풍속)에 맞게 설계되었습니다.

풍력 터빈에는 풍속을 결정하는 풍속계가 있으며 풍속이 높은지 아닌지를 컨트롤러에 정기적인 정보를 보냅니다. 브레이크는 비상시에 작동하여 로터를 기계적으로, 전기적으로 또는 유압적으로 정지시킵니다. 풍력 터빈에는 풍향계, 요 드라이브 및 요 모터도 포함됩니다. 그들의 기능은 바람의 방향을 측정하고 바람의 방향이 바뀔 때 바람 앞에 머물도록 풍력 터빈을 조정하는 것입니다.

풍력발전기는 일반적으로 두 종류가 있다. 수평축 풍력 터빈(HAWT) 및 수직축 풍력 터빈(VAWT). 수평축은 upwind와 downwind로 나뉘고, 수직축은 드래그 기반과 리프트 기반으로 나뉩니다.

HAWT 업윈드 터빈에서 터빈의 샤프트와 교류 발전기는 모두 수평으로 정렬되고 터빈 블레이드는 터빈 전면에 배치됩니다. HAWT 다운윈드 터빈의 경우 로터와 발전기의 샤프트도 수평으로 배치되지만 터빈 블레이드는 터빈 뒤에 배치되므로 바람이 블레이드보다 먼저 타워에 부딪힙니다.

VAWT 드래그 기반 터빈을 관찰하면 발전기 샤프트가 수직으로 위치하며 블레이드가 위로 배치되고 터빈은 일반적으로 지상이나 작은 타워에 장착됩니다. VAWT 리프트 기반 터빈의 경우 발전기 샤프트는 블레이드 위치가 위로 향하게 수직으로 배치됩니다. 대부분의 대형 현대식 풍력 터빈은 고효율 때문에 수평축 터빈입니다. 블레이드는 항상 바람에 수직으로 움직이기 때문에 전체 회전을 통해 힘을 받습니다. 터빈에는 다음과 같은 주요 구성 요소가 있습니다.

• 바람의 에너지를 회전축 에너지로 변환하는 블레이드 또는 로터
• 변속기와 발전기가 포함된 드라이브 트레인
• 로터와 드라이브 트레인을 지지하는 타워
• 밸런스 장비에는 제어 장치, 전기 케이블, 지상 지원 장비 및 상호 연결 장비가 포함됩니다.

풍력 터빈의 구성 요소는 그림 1에 나와 있습니다.

 그림 1 풍력 터빈의 구성요소

풍력 발전 단지는 전기 생산에 사용되는 동일한 위치에 있는 풍력 터빈 그룹입니다. 대규모 풍력 발전 단지는 확장된 지역에 분산된 수백 개의 개별 풍력 터빈으로 구성될 수 있지만 터빈 사이의 토지는 농업 또는 기타 목적으로 사용될 수 있습니다. 풍력 발전 단지는 연안에 위치할 수도 있습니다.

거의 모든 대형 풍력 터빈은 일반적으로 높은 관형 타워의 상단에 있는 나셀에 부착된 3개의 블레이드가 있는 역풍 로터가 있는 수평 축 풍력 터빈으로 구성된 동일한 설계를 가지고 있습니다. 풍력 발전 단지에서 개별 터빈은 고압(약 33kV), 집전 시스템 및 통신 네트워크와 상호 연결됩니다. 변전소에서 이 고압 전류는 고압 전력 전송 시스템에 연결하기 위한 변압기를 사용하여 전압이 증가합니다.

풍력 터빈의 설계 사양은 일반적으로 전력 곡선과 보장된 가용성을 기반으로 합니다. 일반적인 작동 온도 범위는 섭씨 20~40도입니다. 기후가 극단적이고 날씨가 더운 지역에서는 버전이 필요합니다. 풍력 터빈은 IEC 61400 표준에 따라 설계 및 검증될 수 있습니다.

HAWT의 공기역학은 약간 복잡합니다. 블레이드의 기류는 터빈에서 멀리 떨어진 기류와 동일하지 않습니다. 로터 표면의 공기역학은 다른 공기역학 분야에서는 보기 힘든 현상을 나타냅니다. 1919년 물리학자 Albert Betz는 이상적인 풍력 에너지 추출 기계의 경우 질량과 에너지 보존의 기본 법칙에 따라 바람의 운동 에너지가 59.3% 이하로 포착될 수 있음을 보여주었습니다. 최신 터빈은 이 Betz 법칙 한도에 접근하고 이 이론적인 한도의 60%~70%에 도달할 수 있습니다.

풍력 터빈은 일반적으로 광범위한 풍속에서 최대 전력을 생산하도록 설계됩니다. 모든 풍력 터빈은 일반적으로 최대 풍속을 위해 설계됩니다. 풍력 터빈에는 다음과 같은 세 가지 작동 모드가 있습니다.

• 정격 풍속 미만 작동
• 정격 풍속 작동 주변(일반적으로 명판 용량)
• 정격 풍속 이상 작동

바람의 정격 풍속이 초과되면 전력이 제한되어야 합니다. 이것은 다른 방식으로 수행됩니다. 제어 시스템에는 프로세스 변수를 측정하는 센서, 에너지 캡처 및 구성 요소 로딩을 조작하는 액추에이터, 센서에서 수집한 정보를 기반으로 액추에이터를 조정하는 제어 알고리즘으로 구성된 세 가지 기본 요소가 포함됩니다.

풍력 발전의 기타 문제

• 풍속이 일정하지 않기 때문에 풍력 발전소의 연간 에너지 생산량은 발전기 명판 정격의 합계에 1년의 총 시간을 곱한 것만큼 많지 않습니다. 이 이론상 최대값에 대한 연간 실제 생산성의 비율을 공장 부하 계수(PLF)라고 합니다. 달성되는 일반적인 PLF는 15% ~ 40%입니다. 범위의 상단에서 더 높은 PLF 값은 유리한 위치에서 달성되며 풍력 터빈 설계 개선으로 인한 것입니다.
• 풍력 발전은 개별 풍력 터빈의 고장이 전체 전력에 거의 영향을 미치지 않기 때문에 주요 기술 고장이 거의 발생하지 않으므로 분산 풍력은 매우 안정적이고 예측 가능합니다.
• 풍력 발전소는 화석 연료 발전소에 비해 상대적으로 환경에 미치는 영향이 적지만 로터 블레이드에서 발생하는 소음, 미학적(시각적) 충격, 로터에 날아가 새가 죽는 등의 우려가 있습니다. .
• 바람을 동력원으로 사용할 때의 주요 문제는 전기가 필요할 때 바람이 항상 불지는 않기 때문에 간헐적이라는 점입니다. 바람은 저장할 수 없으며(배터리를 사용하는 경우 풍력 발전 전기를 저장할 수 있음), 모든 바람을 전력 수요 시기에 맞춰 이용할 수 있는 것은 아닙니다. 또한 풍력이 좋은 지역은 종종 전력 수요 지역에서 멀리 떨어진 오지에 있습니다.
• 풍력 자원 개발은 토지의 다른 용도와 경쟁하는 것이며, 이러한 대체 용도는 발전보다 가치가 더 높을 수 있습니다. 그러나 풍력 터빈은 방목이나 농업에도 사용되는 토지에 위치할 수 있습니다.






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