풍력 터빈의 이해

오늘날 미국에서 풍력 터빈은 전력을 생성하는 일반적이고 가장 깨끗한 방법 중 하나입니다. 이 발전은 대규모 풍력 발전 단지에서 단일 가정에 전력을 공급하는 소형 터빈에 이르기까지 이루어집니다. 전 세계의 풍력 터빈은 다양한 전력 요구 사항을 충족할 수 있는 깨끗한 전기를 생산합니다.

오늘은 풍력 터빈의 정의, 응용 프로그램, 기능, 구성 요소, 다이어그램, 유형 및 작동에 대해 알게 될 것입니다. 또한 이러한 유형의 풍력 터빈의 장점과 단점을 알게 될 것입니다.

풍력 터빈이란 무엇입니까?

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 깨끗한 전기로 변환하는 기계입니다. 바람의 운동 에너지를 깨끗하고 재생 가능한 전기 에너지로 변환하는 장치로도 볼 수 있습니다.

터빈에는 기술에 따라 다르지만 분당 13~20회 회전하는 블레이드가 있습니다. 이것은 일정하거나 가변적인 속도 때문일 수 있습니다. 즉, 로터의 속도는 바람의 속도와 관련하여 다릅니다. 이는 종종 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다.

풍력 터빈은 25년 이상의 평균 수명을 갖도록 설계되었습니다. 풍력 기술의 급속한 발전은 풍력 터빈의 내구성과 유용성을 증가시켰습니다.

풍력 터빈에는 수평 또는 수직 축의 다양한 크기와 유형이 있습니다. 풍력 농장이라고 부를 수 있습니다. 수십만 개의 대형 터빈이 설치된 곳입니다. 그들은 매년 60GW가 추가되는 650기가와트 이상의 전력을 생성하므로 간헐적 재생 에너지의 점점 더 중요한 원천이 되고 있습니다. 대부분의 국가에서는 풍력 터빈을 사용하여 에너지 비용을 낮추고 화석 연료 사용을 줄입니다.

풍력 터빈의 응용

풍력 터빈의 응용 분야는 인간의 거의 모든 현상에 에너지가 필요하기 때문에 매우 방대합니다. 풍력 에너지의 초기 사용 이후부터 그것은 기계적 동력을 생성하는 데 사용되었습니다. 기원전 5000년에 이집트인들은 풍력 에너지를 사용하여 나일 강을 따라 보트를 추진했습니다. 미국 식민지 개척자는 이 시스템을 사용하여 물을 퍼내고, 곡식을 갈고, 제재소에서 나무를 베었습니다.

오늘날 더 작은 풍력 터빈은 전력 교통 경고 표지판, 보트 또는 캐러밴의 보조 전력용 배터리 충전과 같은 애플리케이션에 사용됩니다. 더 큰 터빈은 사용하지 않은 전력이 전력망을 통해 유틸리티 공급업체에 다시 판매되기 때문에 국내 전력 공급에 기여하도록 설계되었습니다.

또한 대형 터빈에서 그 적용은 100킬로와트에서 수 메가와트 범위의 전력망에 전력을 제공하는 것입니다. 이러한 유틸리티 규모의 터빈은 종종 풍력 발전소에서 함께 그룹화되어 더 많은 양의 전기를 생산할 수 있습니다. 생산된 전력은 수만 가구에 전력을 공급할 수 있을 것입니다.

소형 풍력 터빈의 경우 일반적으로 물 펌핑 스테이션, 가정, 통신 접시 등 근처에서 전력을 공급하는 애플리케이션에 가깝습니다. 최대 100킬로와트를 생성합니다. 이 터빈은 때때로 디젤 발전기, 배터리 및 태양광 시스템에 연결됩니다. 하이브리드 풍력 시스템이라고도 합니다.

마지막으로, 해상 풍력 터빈은 거대하고 더 높은 경향이 있습니다. 그들은 강력한 바다 바람을 포착하고 약 4,000기가와트의 전기에 해당하는 방대한 양의 에너지를 생성할 수 있습니다. 많은 국가에서 강력한 에너지를 활용하는 데 자주 사용됩니다.

참고 :풍력 터빈의 주요 기능은 전력을 생산하거나 기계적 에너지로 직접 사용하는 것입니다.

풍력 터빈의 구성요소

풍력 터빈은 분배를 위해 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 다음은 기존 수평축 터빈의 구성 요소입니다.

• 로터 – 풍력 에너지를 저속 회전 에너지로 변환하는 블레이드를 포함하여 장치 비용의 약 20%가 소요되었습니다.
• 발전기 – 발전기, 제어 전자 장치 및 가장 가능성이 높은 기어박스(예:유성 기어박스), 가변 속도 드라이브 또는 무단 변속기를 포함하여 풍력 터빈 비용의 약 34%가 소요되었습니다. 이러한 풍력 터빈 구성 요소는 저속 유입 회전을 발전에 적합한 고속 회전으로 변환하는 역할을 합니다.
• 주변 구조 – 타워 및 로터 요 메커니즘을 포함하여 풍력 터빈 비용의 약 15%입니다.

풍력 터빈 시스템의 다이어그램:

풍력 터빈의 종류

풍력 터빈에는 기본적으로 수평 축과 수직 축의 두 가지 유형이 있습니다.

수평축 풍력 터빈:

오늘날 대부분의 풍력 터빈은 수평 축을 사용합니다. 즉, 블레이드 프로펠러 스타일은 수평 축을 중심으로 회전하도록 설계되었습니다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 바람이 부는 방향, 즉 바람이 타워보다 먼저 블레이드에 부딪힙니다. Downwind는 바람이 블레이드보다 먼저 타워에 부딪히는 다른 유형입니다.

업윈드는 회전 방향이 바뀔 때 로터가 바람을 향하도록 유지하기 위해 나셀을 돌리는 구성요소인 요 드라이브와 모터를 사용합니다. 이것은 더 큰 터빈을 위한 요 시스템에 장착된 풍향 센서를 사용하여 달성됩니다. 작은 터빈은 단순한 바람개비를 가리키고 있습니다.

수평축 풍력 터빈은 HAWT로 약칭됩니다. 오늘날 타워의 바람을 맞대고 있는 날개가 있는 3개의 날개가 달린 대형 수평축 풍력 터빈이 오늘날 세계 풍력의 압도적 다수를 생산하는 것이 일반적입니다.

다운윈드 터빈 유형은 바람과 일치하도록 유지하기 위한 몇 가지 추가 메커니즘을 제거하기 위해 제작되었습니다. 칼날은 강한 바람에 구부러지도록 설계되어 휩쓸리는 면적과 바람 저항이 줄어듭니다.

장점에도 불구하고 바람 방향이 제공되지만 바람 방향 디자인이 여전히 선호됩니다. 각 블레이드가 지지 타워 뒤를 지날 때 바람에 의한 하중 변화가 터빈을 손상시킬 수 있기 때문입니다.

수직축 풍력 터빈:

수직축 풍력 터빈 또는 VAWT는 주 로터 샤프트가 수직으로 배열되어 있습니다. 이 배열의 목적은 터빈이 효율성을 위해 바람을 가리킬 필요가 없다는 것입니다. 이것은 바람의 방향이 매우 가변적인 사이트에 대한 이점입니다. 터빈은 본질적으로 조종성이 낮기 때문에 건물에 통합된 경우에도 이점이 있습니다.

이러한 유형의 풍력 터빈에서 발전기와 기어박스는 로터 어셈블리에서 지상 기반 기어박스로의 직접 구동을 사용하여 지면 근처에 배치할 수 있습니다. 이를 통해 유지 관리에 대한 접근성이 향상됩니다. 그러나 이러한 설계는 시간이 지남에 따라 평균적으로 훨씬 적은 에너지를 제공하므로 주요 단점입니다.

수직 터빈 유형은 수평 설계보다 효율성이 훨씬 낮습니다. 상대적으로 낮은 회전 속도와 그에 따른 더 높은 토크 및 더 높은 드라이브 트레인 비용도 시스템에 영향을 미칩니다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 두 가지 주요 설계로 나뉩니다.

드래그 기반 또는 사보니우스 터빈 – 일반적으로 수직 축을 중심으로 회전하는 솔리드 베인이 있는 로터가 있습니다.

리프트 기반 또는 다리우스 터빈 – 일부는 달걀 모양의 모양을 가지고 있는 것처럼 보이지만 키가 크고 수직인 익형 스타일을 가지고 있습니다. 풍력 첨탑은 아직 독립적인 테스트를 거치고 있지만 일종의 양력 기반 터빈입니다.

풍력 터빈의 작동

풍력 터빈의 작동은 덜 복잡하고 쉽게 이해할 수 있습니다. 대부분의 풍력 터빈은 3개의 블레이드로 구성되어 있지만 2개의 블레이드가 있는 것이 일반적입니다. 이 블레이드는 관형 강철로 만든 타워에 장착됩니다. 터빈은 타워가 지상에서 100피트 이상에 있기 때문에 더 높은 고도에서 발견되는 더 빠른 풍속을 사용합니다.

바람의 에너지는 비행기 날개처럼 보이는 프로펠러 모양의 블레이드에 포착됩니다. 따라서 바람이 불면 블레이드의 한쪽 면에 저기압 공기 주머니가 형성됩니다. 그런 다음 이 저압 에어 포켓이 블레이드를 쪽으로 당겨 로터를 회전시킵니다. 이것을 리프트라고 합니다. 왼쪽의 힘은 블레이드의 전면에 대한 바람의 힘보다 훨씬 강하며, 이를 항력이라고 합니다. 양력과 항력의 조합으로 로터가 프로펠러처럼 회전합니다.

로터의 회전을 분당 약 18회전에서 증가시키기 위해 일련의 기어가 사용됩니다. 이는 분당 약 1,800회 회전하므로 터빈 발전기가 AC 전기를 생산할 수 있습니다.

앞서 언급했듯이 나셀은 일부 핵심 터빈 구성 요소를 수용하는 부품입니다. 여기에는 터빈 타워 위에 장착된 로터, 기어 및 발전기가 포함됩니다. 이 나셀은 충분히 큽니다. 또 다른 중요한 부분은 로터 속도가 55mph를 초과하지 않도록 유지하는 터빈 컨트롤러입니다. 이는 강풍으로부터 시스템을 안전하게 유지하는 데 도움이 됩니다.

풍속계는 시스템에서 지속적으로 풍속을 측정하고 데이터를 컨트롤러에 전송하는 데 사용됩니다. 나셀에는 비상 시 로터를 기계, 전기 또는 유압으로 정지시키는 브레이크도 포함되어 있습니다.

풍력 터빈의 작동에 대해 자세히 알아보려면 아래 동영상을 시청하세요.

풍력 터빈의 장점과 단점

장점:

다음은 다양한 응용 분야에서 풍력 터빈의 이점입니다.

• 높은 타워가 있는 HAWT, 베이스는 윈드 시어가 있는 사이트에서 더 강한 바람에 접근할 수 있습니다.
• 날개가 바람에 수직으로 움직이기 때문에 HAWT의 전체 회전을 통해 동력을 받기 때문에 효율성이 높습니다.

VAWT용

• 어떤 바람 방향으로도 전기를 생산합니다.
• 수평 축 풍력 터빈에 비해 낮은 생산 비용.
• 강력한 지지 타워가 필요하지 않습니다.
• 간편한 이동
• 낮은 유지 관리 비용
• 도시 지역에 설치할 수 있습니다.

단점

이러한 유형의 풍력 터빈의 장점에도 불구하고 여전히 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 다음은 풍력 터빈의 단점입니다.

HAWT의 경우:

• 대규모 타워 건설이 필요합니다.
• 기어박스, 로터 샤프트 및 브레이크 어셈블리와 같은 구성 요소가 제자리로 들어 올려지고 있습니다.
• 다운윈드 변형은 피로와 구조적 결함을 겪습니다.

VAWT의 경우:

• HAWT에 비해 효율성이 매우 낮습니다.
• 진동이 심합니다.
• 소음 공해가 발생합니다.
• 진동으로 인해 베어링 마모가 증가하여 높은 유지 보수 비용이 발생합니다.
• 시작하려면 초기 푸시가 필요합니다.

결론

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 깨끗한 전기로 변환하는 기계입니다. HAWT 및 VAWT로 약칭되는 두 가지 유형이 있습니다. 전체 작업이 다르며 다른 이점을 제공합니다. 이것이 풍력 터빈의 정의, 응용 프로그램, 기능, 구성 요소, 다이어그램, 유형 및 작동을 설명하는 이 기사의 전부입니다. 또한 이러한 풍력 터빈의 장점과 단점도 나열합니다.

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