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풍력 발전

풍력 발전

풍력발전설비에서 기어드형(Geared type)과 기어레스형(Gearless Type)의 장단점을 설 명하시오.

풍력발전설비에서 출력제어방식의 종류를 들고 설명하시오

도시형 풍력발전시스템의 설치시 고려할 기술적 사항을 설명하시오

풍력발전설비의 TSR(Tip Speed Ratio)를 설명하시오

개요

1) 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적인 에너지로 변환하고, 이 기계적인 에너지를 이용하여 발전기를 구동시켜 전기를 생산하는 것을 말한다.
2) 이론상 풍력에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 변환이 가능하지만 날개의 형상에 따른 효율, 기계적 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제는 40% 정도만 전기에너지로 이용이 가능하다.

풍력발전

풍력 발전량

→ 베르누이의 유체역학 이론을 근거

\[P=\frac{1}{2}\rho Av^3\times C_p[W]\] \[\rho:공기밀도1.225[kg/m^3], A:날개의 회전 단면적[m^2]\]\[ v:평균풍속[m/s], C_p:출력계수(최근값 0.47~0.49)\]

풍력발전기의 출력과 풍속관계

1) 정격출력
설계상의 최대연속 출력으로 일반적으로 연간 풍력에너지를 가장 많이 뽑아 낼 수 있는 풍속으로 설정
2) 정격풍속
정격출력이 얻어지는 풍속으로 12~14 [m/s]
3) 시동풍속
풍차가 발전을 개시할 때의 풍속으로 3~5 [m/s] 수준
4) 종단풍속(한계풍속)
풍속이 너무 높은 때에 풍차의 안전을 확보하기 하기 위하여 발전을 정지하는 풍속으로 25[m/s] 수준

풍력발전

시스템의 구성

풍력이 가진 에너지를 흡수ㆍ변환하는 운동량 변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행

1) 기계 장치부
바람으로부터 회전력을 생산하는 회전날개(Blade), 주 회전축(Main Shaft)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정속도로 변환하는 기어박스(Gearbox)와 기동 및 제동 및 운용 효율성 향상을 위한 제동장치, 피치(Pitch) 제어장치 및 요(Yaw) 제어장치 등의 제어장치 부문으로 구성된다.

2) 전기 장치부
발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록 하는 전력변환 장치로 구성된다.

3) 제어 장치부
풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 제어시스템 및 피치 및 요제어장치, 원격지 제어, 그리고 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케 하는 모니터링 시스템으로 구성된다.

풍력발전
풍력발전

분류

구조상

발전기의 축이 바람의 방향과 수평이냐, 수직이냐에 따라 구분

(1) 수평축: 프로펠러 형
(2) 수직축: 다리우스 형, 사보니우스 형

수평축 방식은 바람 에너지를 최대로 받기위한 바람 추적장치(Yawing System, pitch control)등이 필요하여, 시스템 구성상 복잡하나 가장 안정적이고 고효율 풍력발전 시스템으로 인정받고 있어 대부분 이 방식을 채용

풍력발전

[프로펠러 형] [다리우스 형]

운전방식

풍력발전시스템은 동력전달장치의 구조에 따라서 기어형(Geared type)과 기어리스형(Gearless type)으로 나뉘어 진다.

(1) 기어형(Geared type)

① 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 회전자의 회전속도를 증가시키기 위하여 기어박스(Gearbox)를 사용하는 풍력발전기이다.
② 전력계통연계시 돌입전류 저감을 위한 소프트 스타터가 필요하다.
③ 회전자 → 기어박스(증속장치) → 발전기 → 연계 변압기 → 전력계통

풍력발전_기어박스

[기어박스]

(2) 기어리스형(Gearless type)

① 기어리스형은 기어박스 없이 발전기와 로터를 직접 연결하는 풍력발전기이다.
② 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치(인버터)를 설치되므로, 기어형에 비해서 시설비가 증가한다.
③ 기어리스형에는 일반적으로 동기발전기를 사용하게 되는데, 최근에 들어서는 효율향상을 위하여 영구자석을 많이 사용하고 있다.
④ 회전자 → 발전기 → 전력변환장치(인버터) → 연계 변압기 → 전력계통

[표] 기어형과 기어리스형 특징비교

구 분기어형기어리스형
장 점⦁계통연계가 간편함
⦁저렴한 제작비용으로 고신뢰도의 동력전달계통 구성
⦁보편적인 기술로 적용성이 뛰어남
⦁장기간 노하우의 축적으로 신뢰성 높음  
⦁기어박스 등 많은 기계부품을 제거할 수 있음
⦁나셀(nacelle) 구조가 매우 단순해져 유지보수가 편리함
⦁증속기어의 제거로 기계적 소음 저감.
⦁역률제어가 가능하여 출력에 무관하게 고역률 실현가능함.
단 점⦁증속기어의 기계적 마모
⦁기계적 소음발생의 원인
⦁유지관리 비용의 상승
⦁역률개선을 위한 콘덴서 필요    
⦁크고 무거우며 제작비용이 많은 다극형 발전기가 필요
⦁중량이 큰 풍력발전기의 지지의 문제
⦁장기적 입장에서 인버터의 신뢰성 문제
⦁인버터 등 전력기기으로 계통연계로 고주파 발생

출력제어 방식

정격풍속을 초과한 경우 블레이드의 회전수와 토크를 감소시킨다.

(1) 피치 제어방식(Pitch Control) → 중대형

현재 대부분의 MW급 이상의 풍력 발전기는 대형화에 따른 시스템의 안정적 출력확보를 위해 정격 풍속 이상에서 피치제어를 통해 일정한 출력을 얻는다. 날개의 피치각을 유압기기나 전동기로 제어하여 날개의 변환 효율을 제어하는 방식

피치제어 방식의 특징은 다음과 같다.

① 풍속에 따라서 블레이드의 피치를 능동적으로 제어하여 출력을 제어하는 방식
② 넓은 풍속제어 범위를 가지며, 효율이 높아 대부분 이 방식을 채용
③ 고가이나 극한 풍속에서는 바람방향으로 날개각을 정렬시켜 제동하는데 이용
④ 종류에는 유압식, 전동식이 있다.

(2) 실속(失速) 제어 방식(Stall Control) → 중소형

① 블레이드를 허브에 일정의 각도로 고정하고, 한계풍속 이상으로 커졌을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어 블레이드의 기하학적 형상을 설계함으로써 실속의 발생에 의하여 출력을 제어하는 방식
② 구조가 단순하나 복잡한 공기역학적 설계가 필요 → 블레이드 설계의 어려움
③ 피치각에 의한 능동적 출력제어가 불가능하여 과출력 가능성, 제동특성이 좋지 않고, 극한조건에서 이상진동 등의 문제 발생가능
④ 최근에는 구조적인 문제로 사용이 감소하는 추세이다.⑤ 종류에는 수동형과 능동형[수동형+피치제어(8~20°)]이 있다.

풍력발전

(3) 회전자의 회전속도 제어방식

최근 대형 풍력 발전기에서 주로 채택되고 있는 가장 이상적인 제어 형식으로, 피치와 요 제어 이외에 추가적으로 회전자의 회전속도를 풍속에 따라 제어하여 정격풍속 이하의 풍속에서 주속비(TSR: Tip Speed Ratio)를 항상 최적 설계 값으로 유지할 수 있도록 하여 에너지 추출을 극대화 할 수 있게 한다.

※ 주속비(TSR: Tip Speed Ratio)

풍력발전_주속비

∙주속비(TSR)

\[주속비(TSR)=\frac{V_{tip}}{V_{win}}=\frac{\omega_{blade}\cdot R_{blade}}{V_{win}}\]

∙풍속에 대한 블레이드 회전 속도비
Vwin: 풍속, ωblade: 블레이드 회전각속도
Rblade: 블레이드 반경

※ 주속비(TSR)와 에너지 출력/효율과의 관계

[주속비 – 출력계수]

[브레이드의 형상별 주속비 – 효율]

∙주속비-출력계수 특성 곡선은 블레이드 설계시 결정되는 파라메타

∙주속비가 점점 커져(풍속에 비해 블레이드의 회전속도가 증가하면) 일정 값 이상이 되면 바람으로 인출되는 에너지량이 감소

∙Betz의 연구결과 및 Rankine-Froude 모델에 따르면 출력계수의 이론적 최대값은 0.59임

∙수평축 풍력발전기의 경우 주속비는 7~8

∙수직축 풍력발전기의 경우 주속비는 1이하

계통연계 방식

DC link 방식

(1) 설비는 변환장치를 필요하므로 복잡하지만 안정적인 전력 확보가 가능
(2) 연계 계통에 끼치는 전압 변동, 주파수 변동 등의 영향을 줄일 수 있어 이 방식이 주로 채용
(3) 전력전자 소자에 의한 고조파 발생의 문제

AC link 방식

(1) 단순히 전압을 승압하여 연계하는 방식으로 설비는 간단하지만 풍력발전기의 출력의 변화가 심하다.
(2) 대용량 전력계통 연계시에는 전압 변동, 주파수 변동, 보호협조 문제가 있다.

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