풍력발전의 원리

풍력발전 원리현황 └풍력발전
2007/10/22 16:34
개요
원 리
  • 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

특징 및 시스템 구성
  • 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행
    • 기계장치부
      • 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정
        속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성
        • 주) Gearless형은 Gearbox 없음

    • 전기장치부
      • 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록하는 전력안정화 장치로 구성

    • 제어장치부
      • 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케하는 Monitoring System으로 구성
        • 주) Yaw controll : 바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절
        • 주) 풍력발전 출력제어방식
          • - Pitch controll
          • ·날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어
          • - Stall(失速) controll
          • ·한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어
          [풍력발전시스템(Geared Type)]

풍력발전시스템 분류
구조상 분류(회전축 방향) 수평축 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형
수직축 풍력시스템(VAWT) : 다리우스형,사보니우스형
운전방식 정속운전(fixed roter speed type) : 통상 Geared형
가변속운전(variable roter speed type) : 통상 Gearless형
출력제어방식 Pitch(날개각) controll
Stall(失速) controll
전력사용방식 계통연계(유도발전기, 동기발전기)
독립전원(동기발전기, 직류발전기)

회전축방향에 따른 구분
[수직축 발전기]
[수평축 발전기]

  • 풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분

    • 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고
      수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있음
    • 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음
    • 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축도 사용됨
운전방식 따른 구분
[Geared형 풍력발전시스템]
[Gearless형 풍력발전시스템]

기어형 및 기어리스형 특성

  • 기어형

    • 대부분의 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 풍력발전시스템에 해당되며 유도형 발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장착되어 있는 형태임
    • 증속기(Gear Box :적정속도로 변환)필요, Inverter 불필요
    • 정속 : 발전기 주파수를 올려 한전계통에 적합한 60Hz 맞춤
    • 대부분 정속운전 유도형 발전기 사용
    • 유도형 발전기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치 장착
    • 회전자→기어증속장치→유도발전기(정전압/정주파수)→한전계통

  • 기어리스형

    • 대부분 가변속 운전동기형(또는 영구자석형) 발전기기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 다극형
      동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태임
    • 가변속 : 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 Inverter 필요
    • 가변속운전 동기형(또는 영구자석형)발전기 사용
    • 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어장치 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive형태임
    • 발전효율 높음(단독 운전의 경우 많이 사용되나 유도발전기보다 비싸고, 크기도 큰 단점있음)
    • 회전자(직결)→동기발전기(가변전압/가변주파수)→인버터→한전계통

    • 주) Hub : 블레이드가 모인 중심부분
    • 주) Nacelle : gear box, generator 등이 있는 구동실
기어형 및 기어리스형 풍력시스템의 구성

  • 기어형

    • 회전자 →기어증속장치 → 유도발전기(정전압/정주파수) → 한전계통

  • 기어리스형

    • 회전자(직결)→동기발전기(가변전압/가변주파수)→인버터→ 한전계통
기어형 및 기어리스형의 비교분석

  • 기어형

    • 장점

      • 저렴한 제작비용으로 고신뢰도의 동력전달계 구성 가능함
      • 장기간의 기술적 노우하우와 경험을 바탕으로 신뢰도가 매우 높음
      • 보편적 요소기술로서 어느 지역에서도 설계제작이 가능한 보편기술임
      • 유지보수가 용이하며 부분품의 교체로서 쉽게 성능유지가 가능함
      • 계통연계가 간편하고 용이한 기술적 특성을 지님

    • 단점

      • 증속기어의 기계적 마모나 이에 따른 유지관리상의 문제야기 될 수 있음
      • 기계적 소음발생의 원인이며, 고장발생의 주요원인이 될 수 있음
      • 통상 전체시스템의 운전수명인 20년 보다 짧은 8∼10년이내의 운전수명을 지님으로서 유지관리 비용의 상승을 초래함
      • 저출력시 추가적인 보상회로에 의한 역률개선이 필요하게 됨

  • 기어리스형

    • 장점

      • 증속 기어장치등 많은 기계부품을 제거할 수 있음
      • 넛셀(nacelle) 구조가 매우 간단 단순해져 유지보수상의 간편성 증대
      • 증속기어의 제거로 기계적 소음의 획기적 저감
      • 역률제어가 가능하여 출력에 무관하게 고역률 실현가능함

    • 단점

      • 매우 크고 무겁고 제작비용이 많이 들어가는 다극형 링발전기가 필요함
      • 다극형 동기발전기 공극이 외기에 노출되어 염해나 먼지등의 부유물에 영향을 받을 수 있으며, 전기적 절연성에 있어서의 안전성 확보가 절대 필요함
      • 중량이 큰 발전기를 외팔보 형태로 지지해야 하는 구조적 문제가 있음
      • 장기적 입장에서 인버터등 전력기기의 신뢰도에 대한 검증이 되지않음
      • 인버터등 전력기기의 계통병입으로 고주파등을 발생할 가능성이 있음

      • ※ 증속기종류 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어
        • Geared Type, 정속운전, 유도발전기에 사용
        • 약 30rpm정도로 회전하는 풍차날개 끝의 속도는 음속의 2배이상을 넘기 때문에 60HZ인 경우에 극수에 따라 1,200rpm에서 3,600rpm사이에서 회전하는 발전기와 직접연결 된다면 시스템에 미치는 영향은
          상상하기 힘듬
        • 또한 발전기의 극수를 늘리면 발전기 회전수를 풍차날개의 회전수의 정도로 낮출수 있지만, 발전기
          회전자의 질량은 거의 토오크와 비례하기 때문에 발전기 무게가 매우 무거워 지며, 극수가 늘어남에
          따라 가격도 비싸짐
        • 따라서 일반적으로 느린 회전수에 큰 토오크를 가진 풍력에너지를 빠른 회전수에 작은 토오크를 지닌
          발전기에 사용하기 위해서는 동력전달장치로 증속기를 사용함
        • 소형 풍력발전기 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어 사용
          • 기어타입 : 평기어 많이 사용
        • 대형 풍력발전기 : 치차를 많이 사용
          • 동력전달 효율이 좋으며, 내구성 큼
          • 기어타입 : 헬리컬기어(helical gear) 많이 사용 : 용량이 커짐에 따라 고속회전운동이 원활하고
            충격에도 잘견디며, 소음이나 진동발생 적음
풍력발전 출력제어방식
  • Pitch controll
    • 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어(경사도 조절장치는 유압으로 작동. 장기간 운전시
      유압장치실린더와 회전자간의 기계적 링크부분 손상우려되며, 빠른 풍속변화시 순간적피크발생으로
      시스템손상우려)

  • Stall(失速) controll
    • 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전량생산 및 기계적 링크가 없어 유지보수 수월 (피치각에 의한 능동적 출력제어 못하므로 과출력가능성 존재하며, 제동효율 좋지못함. 복잡한 공기역학 설계적용 필요)
국내ㆍ외 기술개발 현황 및 동향
해외현황
1980년대 초부터 풍력발전의 제작기술이 급속히 발전하여 2003년도 현재 전세계적으로 40,301MW
정도의 규모로 설치되어 있으며, 독일의 Germanischer Lloyd, 덴마크의 Vesitas 및 RISO 등에서 설계인증ㆍ검증, 성능평가기준을 제시하고 있는 실정이며 IEA에서는 풍력발전에 관한 국제규정을 마련하고
있는 단계임.
  • 유럽을 중심으로 시스템의 대형화에 초점을 두고 2MW는 상용화 단계이며, 4.5MW는 시험중이고 독일에서 5MW의 슈퍼 터빈을 개발중.
  • 미국은 DOE를 중심으로 첨단 풍력발전기 개발에 중점 지원
  • 제작기술의 발달로 풍력발전단가는 1980년도 5센트/kWh에서 현재 4센트/kWh 수준
  • 설치비도 1980년대 3,000달러/kWh에서 현재 750∼950달러/kWh 수준
주요국가의 풍력발전 보급현황
  • 세계시장은 1989년 이후 매년 증가하고 있으며, 2003년 풍력발전 보급시장은 최근 5년간 31.7%의 높은 신장추세를 보이고 있음.
  • 2003년까지 미국,유럽이 전세계 풍력발전기 보급량의 89.8% 차지함.
  • * 연평균 증가율 26.5%
  • * 자료출처 : Windpower Monthly
  • 2005년에는 18,449MW(2000년)의 3.5배인 63,769MW 보급예상하고 있음.
  • 세계 주요 국가의 판매량은 내수용보다 수출량이 많으며 특히 일본의 수출률은 96%임.
구 분 2003년 2003년 누적
설치용량(MW) 비 율 설치용량(MW) 비 율
미국 1,818 21.8% 6,905 17%
유럽 5,549 66.5% 29,301 73
동남아시아 521 6.2% 2,707 6.7%
아프리카 63 0.8% 211 0.5%
기타 393.8 4.7% 1,177 2.9%
합계 8,344 100 40,301 100%

  • * BTM Consult ApS - March 2004
국내현황
연구비 지원현황
  • '88년부터 2004년까지 35과제에 39,136백만원을 투자하였으며 그중 25,927백만원을 정부에서 지원
기술개발 현황 및 동향
  • '90년대 초에 대학과 연구원을 중심으로 기초연구 및 소형풍력시스템 연구를 시작한 이래 '90년대 중반부터
    본격적으로 기술개발 수행
    • 1단계('88∼'91) 사업으로 전국 64개 기상청 산하 기상관측소, 일부지역의 도서 및 내륙 일부지역에서
      관측된 풍속과 풍향자료를 이용한 풍력자원 특성분석 이루어짐
    • '93년부터 한국에너지기술연구소가 제주 월령에 풍력, 태양광 및 태양열 시설을 포함한 신재생에너지 시범단지를 조성, 100㎾ 풍력발전기 1기와 30㎾ 풍력발전기 2기를 설치, 계통선에 연계 운전중임
    • 1단계 사업기간에 한국과학기술원이 20㎾ 소형 수평축 풍력발전기를 국산화하려는 연구개발을 시도하였고, 2단계('92∼'96) 사업기간에는 복합재료 분야의 전문업체인 한국화이바가 한국형 중형급 수직축 300㎾풍력발전기 개발
    • 한국화이바에서 중대형급(750㎾급) Gearless Type (Direct Drive Generation)수평축 풍력발전기
      (브레이드) 개발완료(2001년)
    • (주)효성에서 풍력발전 시스템용 증속기 및 유도 발전기 개발완료(2001말 종료)
    • 한국전기연구원에서 750kW급 제어 및 계통연계장치 개발(2002말 종료)
    • 주)우리들에서 50kW급 풍력,태양광,디젤복합발전 시스템개발중 (2003.5월종료)
    • (주)효성과 유니스산업(주)에서 750kW급 기어드 및 기어리스 풍력발전시스템 국산화 기술개발 완료
    • 1∼2MW급 중대형 풍력발전 시스템 개발 추진중(2004년∼ )
향후 기술개발 추진계획
  • 풍력발전시스템 구성에 필요한 요소기술개발 및 시스템 개발 지속 추진(추진중)
    • 국산화 차원의 기술개발
    • 풍력 발전 패턴별 (예: Gearless Type, Geared Type등) 부문별 기술개발내용 추진
      • Geared Type(증속기) 기준의 풍력발전시스템 제어 및 계통연계장치 개발
      • Gearless Type기준에 적용되는 동기발전기 개발
    • 관련요소기술간의 System Integration 기술개발 및 확보
  • 풍력단지 용량별 계통연계 기술 및 설비의 표준화
  • 국내 풍력발전 시스템 표준성능시험 기술 개발
  • MW급 이상 대용량 발전 시스템 개발
    • 내륙 : 남북한, 시베리아, 해외수출
    • Offshore : 국내해안지역, 수출 목표 연구
  • ※ 해양(Offshore) 풍력발전
    • 해양풍력발전 : 해안에서 떨어진 10여m 깊이의 바다위에 설치
    • 스웨덴, 덴마크등 유럽에서는 90년대부터 시작하여 2000년말 현재 총 88기(설치용량 86MW)설치
      • 덴마크 Tuno : 총 5 MW (500kW×10기)
      • 덴마크 Middelgrunden : 총 40MW (2,000kW×20기)
    • 국내에서는 서해안이 유망 후보지역
    [덴마크 Tuno 해양단지]
    [덴마크 Middelgrunden 해양단지]
[풍력발전 기술개발 기본계획]
1 단계( ∼2005년) 2 단계(2006년∼2008년) 3 단계(2009년∼2012년)
  • 중형급 750kW 풍력발전기 개발·상용화
  • 소형분산형 30kW급 풍력 발전기 상용화
    • 경량화·저가화 개발
  • 소형풍력기의 연계기술확립 및 보급
  • 풍력자원 DB구축 및 예측기술 개발
  • 대형급 1,500 kW 풍력발전기 개발 및 상용화
  • 해양풍력 발전기 개발 및 상용화
  • 해양풍력 자원 DB구축
  • 초대형급 3MW 풍력발전기 개발 및 상용화
  • 해양풍력단지 보급확산
  • 풍력발전산업 고도화로 해외수출 확대

기술개발결과 및 실용화 관련
기술개발결과
  • 기술개발 성과분석
    • 중형(750kW)급 블레이드, 발전기, 제어시스템 제작기술 등 핵심 요소기술 확보
      • 국내 중공업사의 발전기 제작기술은 우수함
      • 외국 풍력발전설비 리모델링 수준
      • 선진기술대비 70% 수준
        • 회전자 설계·제작 기술 : 70%
        • 발전기 및 계통연계 기술 : 90%
        • 시스템 설계·조합기술 : 60%
  • * 시스템 설계 및 조합(integration)기술과 실용화를 위한 양산기술 개발 필요
  • 750 kW급 수평축 풍력발전 시스템 개발
    • 현재 브레이드, 증속기, 유도발전기 등의 요소기술 및 시스템제어기술은 설계 및 제작기술을 확보하여, 실용화 진입단계임
관련요소기술개발
  • 브레이드 : 최초로 (주)한국화이바에서 750kW급 브레이드 개발완료 및 해외인증획득 (2001년)
    • 미국 라거웨이사의 750kW급 Gearless Type 모델 적용

  • 발전기 및 증속기
    • 유도발전기 : 주)효성에서 유도발전기 및 중속기 개발완료(660 kW급)
      • Geared Type에 적용
    • 동기발전기 : 미개발(Gearless Type에 적용)

  • 제어시스템기술개발
    • 한국전기연구원 : 750kW급 풍력발전시스템 제어 및 계통연계장치 개발완료
      (Gearless Type, 동기발전형식 기준)
현재 3대중점기술개발과제로 (주)효성(기어드타입),(주)유니슨산업(기어리스타입)에서 750kW급 풍력발전시스템 국산화 개발완료
  • 개발기간 : 2001.12.31∼2004.12.30(3년)
실용화 관련
  • 현재 750kW급 수평축 풍력발전시스템에 대해서는
    • Gearless Type의 블레이드 및 풍력발전시스템 제어·계통연계장치는 개발되었으며
    • 2005년∼2006년에 750kW급 국내개발 기어 및 기어리스타입에 대한 실증시험 추진

  • 블레이드 및 발전기 제작능력 있으므로 향후 안정적인 시장확보시 국내 제작 풍력발전시스템의 실용화 가능함

by 화이트울프 | 2008/01/29 11:18 | 신재생에너지 | 트랙백 | 덧글(0)

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