바람: 태양에너지의 한 형태
주요 발생원인
1) 태양에 의한 대기의 불균일한 가열
2) 지구표면의 불규칙성
3) 지구의 자전과 공전으로 인하여 발생
* 온도 차이에 의한 공기순환
- 적도 지역이 태양에 의해 다른 지역보다 더 가열됨
- 더운 공기가 가벼워 약 10km 고도까지 상승 후 북쪽, 남쪽으로 퍼지면서 순환
Coriolis Force(코리올리 힘, 전향력)
정의) 지구의 자전 -> 오른쪽(북반구), 왼쪽(남반구)로 치우치는 힘
모든 회전하는 계에서 발생
지구 자전에 의한 바람
국부적 바람
1) 해풍/육풍
2) 산바람
풍력 에너지
풍력 터빈의 입력동력
바람의 힘이 Rotor Blade에 작용하는 Torque로 변환
위의 식의 Parameter는 다음과 같다.
축에 따른 구조
1) 수직축 풍력 터빈
Darrieus Model
특징
Rotor 축이 지면에 대해 수직으로 회전
장점
바람의 방향과 관계없이 운전
바람 추적 장치(= 요잉 운동 장치) 불필요
간단한 구조, 저렴한 시스템 가격
단점
수평축 풍력터빈에 비해 에너지 변환 효율이 현저히 낮음
회전자의 진동문제
상용호된 대용량 시스템 전무
2) 수평축 풍력 터빈
특징
Rotor 축이 지면에 대해 수평으로 회전
세계 풍력발전시장의 대부분을 차지
3엽(Blade 3개) 풍력 터빈: upwind turbin
2엽(Blade 2개) 풍력 터빈: downsind turbin
장점
지속적인 기술발전으로 가장 안정적인 고효율 풍력 터빈
단점
바람 에너지를 최대로 얻기 위한 바람 추적 장치 필요(복잡한 시스템 구성)
구조
1. 블레이드(Blade)
2. 회전자(Rotor)
3. 피치(Pitch)
4. 브레이크(Brake)
5. 저속축(Low-Speed Shaft)
6. 기어박스(Gear box)
7. 발전기(Generator)
8. 제어부(Controller)
9. 풍속계(Anemometer)
10. 풍향기(Wind Vane)
11. 낫셀 (Nacelle)
12. 고속축(High-Speed Shafft)
13.좌우 요동 구동장치 (Yaw drive)
14. 좌우 요동 모터 (Yaw motor)
15. 탑(Tower)
* Motor 존재 이유
- 속도 제한을 거는 등의 원하는 속도가 되게끔 제어하는 Motor가 필요함.
- 9. 풍속계(Anemometer): 크기, 10. 풍향기(Wind Vane): 방향을 통해 풍력 에너지의 방향 및 크기를 센싱하여 8. 제어부(Controller)로 제어함.
- 8. 제어부(Controller)에서 제어 신호를 통해 1. 블레이드(Blade)를 제어함.
- 3. 피치(Pitch) 제어함.
=> 강제적으로 속도를 제어함에 따라 노후화 문제 발생
Power Coefficient
공기가 가진 에너지, 바람이 가진 에너지의 비율 즉, 속력 효율을 의미한다.
* Tip Speed Ratio
Parameter
- Cut in wind Speed: The minimum wind speed at which the machine will deliver useful power
- Rated wind Speed: The wind Speed at which rated power is obtained(rated power is generally the maximum power output of th electrical generator).
- Cut-out wind speed: The maximum wind speed at which the turbin id allowed to deliver power (usally limeted by engineering loads and safety constraints).
Operating area
1) Max. Power Control
- Cut in wind speed: 초기 동작을 위한 풍속 이상의 바람이 불 때 rotor 회전
2) Pitch or Stall Control
- Electrical Generator의 Maximum Power output에 맞춰서 설정됨.
- Rated wind spped: Tip speed ratin와 관계없이 고정된 풍력 발전 제어 수행
- Rotor의 속도가 일정하도록 제어 수행
- 마모, 퍼티그 발생
3) Cut out wind speed
- Cut out wind speed 이상의 풍속일 경우, 발전기 정지
- 기계적으로 회전 억제
사용 형태
1) 독립전원형(Standalone type)
- 생상된 전력을 사용자에게 직접 공급하는 방식
- 저장장치(배터리) + 보조발전설비(디젤 발전기 or 태양전지시스템)
=> 복합적으로 사용(신재생에너지 간의 상호보완가능, 불확실성 감소)
- 기존 상용 전력석이 없는 도서 지역, 산간 벽지의 전원 공급, 등대나 통신장비의 전원 요
2) 계통 연계형(Grid- connected type)
- 기존 상용 전력선 + 풍력 터빈을 병렬로 연결하여 운저
- 시스템의 대형화 가능 (Ex. 대규모 풍력 발전 단지, wind farm, wind park)
- 풍력 터빈 1기(1.5MW)
- 풍속 변화에 불안정한 출력 전압 생성-> POWER CONVERTER 필요
- 저전압, 중전압, 고전압으로 구분되어 기존의 전력선에 연계
- 변압기, 계통연계장치 등이 필요
장단점
장점
1. '바람'이라는 연료를 사용하는 청정에너지원(공기오염 X, 배기가스, 온실가스 X)
2. 고갈되지 않는 자원
3. 설치비, 유지 보수비 외에 추가의 비용이 필요치 않음
4. 기술의 발전으로 발전단가는 석탄화력, 가스발전과 거의 비슷함
단점
1. 높은 초기 투자비
2. 바람이 간헐적이고 전기가 필요한 곳에 바람이 항상 불지 않는다.
3. 바람이 많은 지역은 도시로부터 멀리 떨어져 있다.
4. 배터리를 사용하지 않으면 저장할 수 없다.
5. 모든 바람이 전기가 필요한 때를 맞추어서 이용될 수 없다.
6. 회전자 블레이드에 의한 소음
7. 시야(Visual) 충격
8. 회전자의 조류 충돌
신재생에너지의 대표적인 단점인 불확실성을 지닌다.
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