풍력발전기의 작동 원리는 간단히 말해서 바람의 운동에너지(즉, 공기의 운동에너지)가 발전기 회전자의 운동에너지로 변환되고, 회전자의 운동에너지가 전기에너지로 변환됩니다.
풍력 터빈의 작동 원리는 풍력 에너지를 재생 에너지의 일부로 활용하는 것입니다. 1995년부터 2005년까지 연평균 성장률은 28.5%였다. 독일풍력에너지협회(DEWI)의 추정에 따르면, 풍력 발전의 연간 성장률은 높은 성장률을 유지할 것이며, 전 세계적으로 설치된 풍력 발전 용량은 2012년 또는 그 이전에 150기가와트에 도달할 것으로 예상됩니다.
발전용 풍력발전기는 19세기 말 처음 등장했다. 1980년대 이래로 이 기술은 산업 응용 분야를 위해 계속해서 발전하고 성숙해 왔습니다. 지난 20~30년 동안 일반적인 풍력 터빈의 로터 직경은 계속 증가했으며 정격 출력도 계속 증가했습니다.
2000년대 초반 풍력 터빈의 가장 비용 효율적인 정격 출력 범위는 600~750kW였으며 로터 직경은 40~47미터였습니다. 당시 모든 제조업체는 이러한 풍력 터빈을 생산했습니다. 이러한 유형의 기계를 기반으로 차세대 메가와트 풍력 터빈이 개발되었습니다.
2007년 초, 일부 제조업체는 정격 출력이 수 메가와트이고 로터 직경이 약 90미터인 풍력 터빈을 생산하기 시작했습니다(예: Vestas V90 3.0MW 풍력 터빈, Nordex N90 2.5MW 풍력 터빈, 등), 심지어 직경이 100미터인 일부(예: GE 3.6MW 풍력 터빈)도 있습니다. 이러한 대형 풍력 터빈의 주요 시장은 유럽입니다. 유럽에서는 풍력발전에 적합한 지역이 날로 줄어들고 있어, 최대한의 발전용량을 갖춘 풍력터빈 설치가 시급하다.
해양 적용을 위해 설계된 또 다른 대형 풍력 터빈이 설계 및 프로토타입되었습니다. 예를 들어, RE Power가 설계한 풍력 터빈은 회전자 직경이 126미터이고 출력이 5MW입니다.
1) 바람의 힘
바람의 에너지는 바람의 운동에너지를 말합니다. 특정 공기 질량의 운동 에너지는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
에너지 = 1/2 X 질량
전력 = 1/2 X 공기 밀도 >공기 밀도의 단위는 킬로그램/입방미터입니다.
면적은 공기 흐름의 단면적을 나타내며, 단위는 평방미터입니다.
속도 단위는 미터/초입니다.
해수면과 섭씨 15도에서 건조한 공기의 밀도는 1.225kg/m3입니다. 공기 밀도는 기압과 온도에 따라 변합니다. 고도가 높아질수록 공기 밀도는 감소합니다.
위의 공식을 보면 바람의 힘은 속도의 세제곱(입방체)에 비례하고, 바람바퀴가 휘몰아치는 면적에 비례한다는 것을 알 수 있다. 그러나 실제로 풍차는 바람 에너지의 전부가 아닌 일부만을 추출할 수 있습니다.
2) 풍력 터빈의 작동 원리
현대 풍력 터빈은 비행기 날개와 마찬가지로 공기 역학적 원리를 사용합니다. 바람은 윈드 휠 블레이드를 "밀어내는" 것이 아니라 블레이드를 통해 불어 블레이드의 전면과 후면 사이에 압력 차이를 형성합니다. 이 압력 차이는 양력을 발생시켜 윈드 휠이 회전하고 바람 흐름을 지속적으로 교차하게 합니다. .
풍력발전기의 로터는 바람의 힘을 모두 끌어낼 수 없습니다. 베츠의 법칙에 따르면, 풍력 모터가 이론적으로 추출할 수 있는 최대 전력은 풍력의 59.6%입니다. 대부분의 풍력 터빈은 풍력의 40% 이하만 추출할 수 있습니다.
풍력 터빈은 주로 풍차, 나셀, 타워의 세 부분으로 구성됩니다. 전력망에 연결된 대규모 풍력 터빈의 가장 일반적인 구조는 직립형 관형 타워에 설치된 수평축 3날 풍차입니다.
(위 사진 출처 : 덴마크 풍력 산업 협회)
풍차 블레이드는 복합 재료로 만들어졌습니다. 소형 풍력 터빈과 달리 대형 풍력 터빈의 로터는 매우 천천히 회전합니다. 상대적으로 단순한 풍력 터빈은 고정된 속도를 사용합니다. 일반적으로 약한 바람에서는 낮은 속도, 강한 바람에서는 빠른 두 가지 속도가 사용됩니다. 이러한 고정 속도 풍력 터빈의 유도 비동기 발전기는 그리드 주파수에서 교류 전류를 직접 생성할 수 있습니다.
비교적 새로운 디자인은 일반적으로 가변 속도입니다(예를 들어 Vestas Company의 V52-850kW 풍력 모터의 회전 속도는 14rpm~31.4rpm입니다). 가변 속도 작동을 통해 윈드휠의 공기역학적 효율이 향상되어 바람이 약한 조건에서 더 많은 에너지를 추출하고 소음을 줄일 수 있습니다. 따라서 가변 속도 풍력 모터 설계는 고정 속도 풍력 모터보다 점점 더 대중화되고 있습니다.
나셀에 설치된 센서가 바람의 방향을 감지하고, 조향기계장치를 통해 나셀과 윈드휠이 들어오는 바람을 향하도록 자동으로 회전한다.
풍차의 회전운동은 기어변속기를 통해 엔진룸의 발전기에 전달된다(기어변속기가 없을 경우 발전기에 직접 전달된다).
풍력 산업에서는 기어박스가 장착된 풍력 터빈이 매우 일반적입니다. 그러나 풍력 터빈용으로 설계된 다극 직접 구동 발전기에서도 상당한 발전이 있었습니다.
타워 바닥에 위치한 변압기(또는 엔진실에 일부 위치)는 발전기에서 배전망 전압(홍콩의 경우 11kV)까지의 전압을 높일 수 있습니다.
모든 풍력 터빈의 출력은 바람에 따라 달라집니다. 강한 바람이 불 때 출력(및 로터에 가해지는 응력)을 제한하는 가장 일반적인 두 가지 방법은 실속 조정과 피치 조정입니다. 실속 조절형 풍력 모터를 사용하면 정격 풍속을 초과하는 강한 바람이 산업용 블레이드를 통과하는 기류에 난류를 일으켜 윈드 휠이 실속하게 됩니다. 바람이 너무 강하면 산업용 블레이드의 테일 제동 장치가 작동하여 윈드 휠을 제동합니다. 각도 조절이 가능한 윈드 모터를 사용하면 각 블레이드가 세로축을 축으로 회전할 수 있으며, 블레이드 각도는 풍속에 따라 변경되어 윈드휠의 공기역학적 성능이 변경됩니다. 바람이 너무 강하면 블레이드가 들어오는 바람을 향하여 공기 가장자리로 회전하여 윈드 휠이 제동됩니다.
번개 보호 스트립이 블레이드에 내장되어 있어 블레이드가 번개에 맞으면 번개의 전류가 지면으로 유도될 수 있습니다.
위: Vestas V52-850kW 풍력 터빈의 나셀에 있는 구성 요소
(출처: Vestas)
3) 풍력 터빈의 힘 곡선
풍속이 매우 낮으면 풍력 터빈 로터는 정지 상태를 유지합니다. 컷인 풍속(보통 초당 3~4미터)에 도달하면 풍차가 회전하기 시작하고 견인 발전기가 전기를 생성하기 시작합니다. 바람이 강해지면 출력이 증가합니다. 풍속이 정격 풍속에 도달하면 풍력 터빈은 정격 출력을 출력합니다. 그 이후에는 출력 전력이 거의 변하지 않습니다. 풍속이 더욱 증가하여 차단 풍속에 도달하면 풍력 터빈이 제동을 걸어 손상을 방지하기 위해 더 이상 전력을 출력하지 않습니다.
풍력발전기의 성능은 전력곡선으로 표현할 수 있다. 전력 곡선은 다양한 풍속(컷인 풍속에서 컷아웃 풍속까지)에서 풍력 모터의 출력 전력을 표시하는 데 사용됩니다.
위: 다양한 소음 수준에서 V52-850kW 풍력 터빈의 작동 곡선(소음 수준은 풍력 터빈의 속도를 변경하여 변경될 수 있음)
(출처: Vestas)
특정 위치에 적합한 풍력 터빈을 선택하는 일반적인 방법은 풍력 터빈의 전력 곡선과 해당 위치의 풍력 데이터를 사용하여 에너지 생산량을 추정하는 것입니다. .
(대형 풍력 터빈 - 자원 잠재력 섹션에서 더 많은 관련 정보)
4) 풍력 터빈의 정격 출력
풍력 터빈의 정격 출력은 다음과 일치합니다. 특정 정격 풍속 설정에 따라 다릅니다. 에너지는 풍속의 세제곱에 비례하므로 풍력 터빈의 출력은 풍속에 따라 크게 달라집니다.
같은 구조와 회전자 직경을 가진 풍력 모터라도 다양한 크기의 발전기를 장착할 수 있습니다. 따라서 구조와 로터 직경이 동일한 두 개의 풍력 터빈은 강풍 구역(더 큰 발전기 포함) 또는 약한 바람 구역(더 작은 발전기 포함) 유형 발전기용으로 설계되었는지 여부에 따라 상당히 다른 정격 출력 값을 가질 수 있습니다.
5) 풍력 터빈의 주요 유형
수평축 풍력 터빈과 수직축 풍력 터빈
블레이드의 고정축 방향에 따라 바람이 터빈은 수평축과 수직축의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 수평축 풍력 모터가 작동할 때 회전축의 방향은 풍향과 일치하고 수직축 풍력 모터의 회전축 방향은 풍향과 직각을 이룹니다.
수평축 풍력 모터는 일반적으로 바람의 방향과 일관성을 유지하기 위해 지속적으로 방향을 바꿔야 합니다. 수직축 풍력 터빈의 경우에는 반드시 그럴 필요가 없습니다. 왜냐하면 수직축 풍력 터빈은 서로 다른 방향에서 풍력 에너지를 수집할 수 있기 때문입니다.
수평축 풍력발전기는 전 세계적으로 주류를 이루고 있다.
업윈드 풍력 발전기 및 다운윈드 풍력 발전기
업윈드 풍력 발전기는 풍차가 들어오는 바람을 향하는 수평축 풍력 발전기입니다. 순풍 모터의 경우 들어오는 바람은 풍차 뒤쪽에서 불어옵니다. 대부분의 풍력 터빈은 역풍 유형입니다.
단일 블레이드, 2블레이드 및 3블레이드 풍력 터빈
블레이드 수는 공기 역학적 효율성, 복잡성, 비용, 소음, 미적 요구 사항, 등. . 대형 풍력 터빈은 1개, 2개 또는 3개의 블레이드로 구성될 수 있습니다.
블레이드 수가 적은 풍력 터빈은 일반적으로 바람에서 에너지를 추출하기 위해 더 높은 속도가 필요하므로 더 많은 소음이 발생합니다. 그리고 리프가 너무 많으면 서로 상호 작용하여 시스템 효율성이 저하됩니다. 현재는 3블레이드 풍력 터빈이 주류입니다. 미적인 관점에서 보면 3개의 블레이드를 갖춘 풍력 터빈이 더욱 균형 잡히고 아름답게 보입니다.
6) 육상 풍력 발전 단지
육상 풍력 발전 시스템은 단지 하나의 풍력 터빈만 가질 수도 있고, 여러 개의 풍력 터빈이 선형 또는 사각형 배열로 배열되어 풍력 발전 단지를 형성할 수도 있습니다.
풍력 발전소의 풍력 터빈은 과도한 난류 상호 작용을 피하거나 '후류 효과'로 인해 후방 풍력 터빈의 전력 출력이 심각하게 감소하는 것을 방지하기 위해 서로 충분히 멀리 떨어져 있어야 합니다.
대형 장비(특히 블레이드)를 설치 장소까지 운반하기 위해서는 도로 건설이 필요하다. 또한 풍력 발전 단지의 출력을 그리드 액세스 포인트에 연결하기 위한 송전선을 구축해야 합니다.
7) 전 세계 풍력 발전 설비
2005년 말까지 전 세계 풍력 발전 설비의 총 용량은 58기가와트에 이르렀습니다. 독일, 스페인, 미국, 인도, 덴마크는 설치된 풍력 발전 용량 측면에서 최고의 국가입니다. 덴마크에서는 풍력 에너지가 국가 전체 전력 소비의 20%를 공급합니다. 홍콩 최초의 대규모 풍력 터빈은 2005년 말 홍콩 전기 그룹(Hong Kong Electric Group)에 의해 라마 섬에 설치되었으며 2006년 2월 공식적으로 사용되었습니다. 기계의 정격 출력은 800kW입니다.