풍력에너지

신에너지 재생에너지 (MR)

N 신재생에너지
F 연료전지
S 태양광설비
M 태양전지모듈 선정시 고려사항
P 태양광발전설비 설계
C 태양광 발전 파워컨디셔너
W 풍력에너지
X 건축물 구내 및 옥상 등에 설치한 풍력발전설비
L 풍력발전시스템의 낙뢰 피해와 피뢰대책
T 풍력발전설비의 검사사항
O 해양에너지 발전
H 에너지 하베스팅

목차(풍력에너지 MRW)

1️⃣풍력에너지

풍력발전은 바람의 운동 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 방식
바람이 풍력터빈의 블레이드를 회전시키면, 이 회전 에너지가 축을 통해 발전기로 전달
발전기는 회전 에너지를 전기에너지로 변환하며, 이 전기에너지는 변환 과정을 거쳐 송전망에 연결

1)전력계통 연계 시 미치는 영향

발전량 변동성: 풍속 변화에 따라 발전량이 불규칙적으로 변동되어 전력계통의 주파수와 전압을 불안정하게 만들 수 있습니다.
무효전력 문제: 풍력발전은 무효전력을 많이 소비하거나 생산하여 전력계통의 전압을 불안정하게 만들 수 있습니다.
고조파 발생: 전력변환 과정에서 고조파가 발생하여 전력 품질을 저하시킬 수 있습니다.

2)전력계통 연계 시 대책

발전량 예측: 정확한 발전량 예측 모델을 개발하여 전력계통 운영에 활용합니다.
무효전력 보상: 무효전력 보상 장치를 설치하여 전력계통의 전압을 안정화시킵니다.
고조파 필터: 고조파 필터를 설치하여 고조파를 제거하고 전력 품질을 향상시킵니다.
주파수 조정 시스템: 주파수 변동을 감지하고 발전량을 조절하여 주파수를 안정화시킵니다.
전력저장장치: 여유 전력을 저장하여 수요가 많은 시간대에 공급하거나, 발전량이 부족할 때 보충하여 전력계통의 안정성을 확보합니다.
스마트 그리드: 다양한 에너지원과 소비자를 연결하는 스마트 그리드를 구축하여 전력계통의 효율성을 높입니다.

1️⃣시스템 구성 및 원리

1)기계장치부

풍력터빈: 바람의 힘을 받아 회전하는 날개(Blade)와 회전축(Shaft), 회전자(Routor)으로 구성되어 있으며, 바람의 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환합니다.
나셀: 풍력터빈의 핵심 부품들이 설치되는 공간으로, 발전기, 변속기, 제어 시스템 등이 포함됩니다.
변속기(Gearbox): 풍력터빈의 회전 속도를 발전기에 적합한 속도로 변환하는 장치입니다.
타워: 풍력터빈을 지지하는 높은 기둥으로, 바람이 강한 상층부에 풍력터빈을 설치하여 발전 효율을 높입니다.
기초: 타워를 지지하고, 하중을 지반으로 전달하는 구조물입니다.
기동 제동 및 운용 효율성향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

2)전기장치부

발전기: 회전 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 유도발전기, 동기발전기, 영구자석형 동기발전기 등이 사용됩니다.
전력변환장치: 발전기에서 생산된 전력을 송전망에 적합한 전압과 주파수로 변환하는 장치입니다.

전력변환장치 검사 사항

변압기: 절연 상태, 온도 상승, 소음, 진동 등을 점검합니다.
반도체 스위치: 정상적인 동작 여부를 확인하고, 열화 상태를 점검합니다.
냉각 시스템: 냉각 팬, 냉각수 순환 등을 점검합니다.
보호 계전기: 정상적인 동작 여부를 확인합니다.
절연 저항: 절연 상태를 점검합니다.
접지 저항: 접지 상태를 점검합니다.
고조파: 전력 품질을 저해하는 고조파 발생 여부를 점검합니다.

3)제어장치부

풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 ControlSystem 및 Yawing & Pitching Controller와
제어시스템: 풍력터빈의 모든 구성 요소를 제어하고, 발전량을 최적화하며, 비상 상황에 대응하는 시스템입니다.
원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 모니터링 시스템으로 구성

비상정지 및 안정장치 검사 사항

비상정지 버튼: 비상 상황 발생 시 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
과속 보호 장치: 풍력터빈이 과속할 경우 정확하게 작동하는지 확인합니다.
과부하 보호 장치: 발전기가 과부하될 경우 정확하게 작동하는지 확인합니다.
지락 보호 장치: 지락 발생 시 정확하게 작동하는지 확인합니다.
피뢰침: 낙뢰로부터 시스템을 보호하는 기능이 정상적인지 확인합니다.
안전 펜스: 안전 펜스가 손상되지 않았는지 확인하고, 출입구 잠금 장치가 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
비상 조명: 비상 상황 발생 시 정상적으로 작동하는지 확인합니다.

4)기타

YawContril
바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절

풍력발전 출력제어방식
- PitchControl : 날개의 경사각 조절로 출력을 능동적 제어
- StallControl : 한계충속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기 역학적 형상에 의한 제어

2️⃣풍력발전시스템 분류

구조상 분류 (회전축 방향 분류)	수평축 풍력시스템 : 프로펠러형
	수직축 풍력시스템 : 다리우스형, 사보니우스형
운전방식 분류	정속운전형 : Geared형
	가변속운전형 : Gearless형
출력제어방식	Pitch(날개각)컨트롤형
	Stall컨트롤형
전력사용방식	계통연계 (유도발전기, 동기발전기)
	독립전원 (동기발전기, 직류발전기)

1)회전축 방향에 따른 구분(구조상 분류)

수직축 풍력 발전기

(Vertical Axis Wind Turbine, VAWT)

개요: 회전축이 지면과 수직을 이루는 풍력 발전기로, 다양한 형태가 있습니다.
구조:
- 사보니우스형: 반원통 형태의 블레이드를 사용하며, 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴합니다.
- 다리우스형: 에어포일 형태의 블레이드를 사용하며, 사보니우스형에 비해 효율이 높습니다.
장점:
- 바람 방향에 구애받지 않음: 어떤 방향에서 불어오는 바람에도 회전이 가능합니다.
- 저렴한 설치 비용: 타워가 낮아 설치 비용이 저렴합니다.
- 소음이 적음: 수평축 풍력 발전기에 비해 소음이 적습니다.
단점:
- 효율이 낮음: 수평축 풍력 발전기에 비해 효율이 낮습니다.
- 기술 개발이 필요: 수평축에 비해 기술 개발이 상대적으로 덜 이루어져 있습니다.

수직축 풍력발전기에는 원호형 날개 2~3개를 수직축에 붙인 다리우스형과 2~4개의 수직 대칭형의 날개를 붙인 자이로밀형, 그리고 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스형등이 있다.

바람의 방향과 관계가 없어 사막이나 쳥원에 많이 설치하여 이용이 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 충파에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

수평축 풍력 발전기

(Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT)

개요: 가장 일반적인 형태의 풍력 발전기로, 회전축이 지면과 수평을 이루고 있습니다.
구조:
- 블레이드: 바람을 받아 회전하는 날개 부분으로, 에너지 변환의 핵심입니다.
- 나셀: 블레이드, 발전기, 변속기 등 주요 부품이 설치된 기둥 모양의 구조물입니다.
- 타워: 나셀을 지지하는 높은 기둥으로, 바람이 강하고 균일한 고지대에 설치됩니다.
장점:
- 높은 효율: 큰 직경의 블레이드를 사용하여 많은 양의 바람 에너지를 포획할 수 있습니다.
- 기술 성숙도: 오랜 연구 개발을 통해 기술이 성숙되어 안정적인 운전이 가능합니다.
단점:
- 높은 설치 비용: 타워가 높아 설치 비용이 많이 듭니다.
- 소음: 회전하는 블레이드에서 소음이 발생할 수 있습니다.

수평축 충력발전기는 1개에서 4개까지의 날개를 가진 다양한 종류가 있지만, 현재 발전용으로 가장 많이 이용되고 있는 것은 3개의 날개를 가진 프로펠러형

간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음

중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 1,000[kW]급 이하 소형은 수직축도 사용

구분	수직형	수평형
장점	•바람의 방향에 맞출 수 있는 Yawing 설비 불필요 •기어박스 및 발전기가 하부에 설치되어 구조보완이 불필요 •유지보수가 쉽다	•구조 간단 •설치용이 •에너지 변환효율 우수
단점	•구조가 복잡 •설치가 어렵다 •에너지 변환 효율이 떨어짐	•바람의 방향에 맞출 수 있는 Yawing설비 필요 •기어박스 및 발전기가 상부에 설치되어 구조보완이 힘듬 •기어박스 및 발전기가 상부에 설치되어 유지보수가 어려움
적용장소	소형 (100[kW]급 이하)	중대형급 이상

2)운전방식 따른 구분

(동력전달장치 구조에 따른 분류)

기어드형: 신뢰성이 높고 비용이 저렴하며, 소규모 풍력발전에 적합
기어리스형: 효율이 높고 수명이 길지만, 비용이 높고 기술적인 난이도가 높아 대규모 풍력발전에 적합

기어드형 풍력발전설비

개요:
- 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 로터의 회전속도를 증가시키기 위한 기어박스를 사용하는 풍력발전기
장점:
- 높은 신뢰성: 오랜 기간 사용되어온 기술로, 신뢰성이 높습니다.
- 저렴한 비용: 기어리스형에 비해 제작 및 유지보수 비용이 저렴합니다.
- 다양한 발전기 적용 가능: 다양한 종류의 발전기에 적용할 수 있습니다.
단점:
- 효율 감소: 기어박스에서 마찰 손실이 발생하여 전체 시스템의 효율이 감소합니다.
- 소음 발생: 기어박스에서 소음이 발생할 수 있습니다.
- 수명이 짧음: 기어박스의 마모로 인해 수명이 짧을 수 있습니다.
- 진동 발생: 기어박스에서 진동이 발생하여 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.

기어리스형 풍력발전설비

개요:
- 기어박스 없이 직접 구동되는 방식으로, 대용량 발전기에 주로 사용
- 이러한 타입은 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치를 설치하게 되는 운전방식
장점:
- 높은 효율: 기어박스가 없어 마찰 손실이 적어 효율이 높습니다.
- 긴 수명: 기어박스가 없어 수명이 길고, 유지보수 비용이 적습니다.
- 저소음: 기어박스가 없어 소음이 적습니다.
- 진동 감소: 기어박스가 없어 진동이 적습니다.
- AC/DC/AC방식으로 계통연계성이 우수
단점:
- 높은 제작 비용: 고가의 영구자석형 발전기가 필요하여 제작 비용이 높습니다.
- 기술 난이도: 고속 회전하는 발전기를 제작하기 위한 기술력이 필요합니다.
- 무게 증가: 무거운 발전기를 사용해야 하므로, 타워의 하중이 증가합니다.
- 계통연결을 위해서 AC/DC/AC변환필요

구분	기어리스타입	기어타입
장점	•AC/DC/AC방식으로 계통연계성이 우수 •풍자원의 활용이 높음 •중속기 제거로 신뢰성 향상 •높은 풍속에서 고속회전으로 토크 감소	•다이렉트 계통연결 가능 •발전기의 가격이 상대적으로 낮음 •제작시 및 보급모델의 다양화 •운전경험이 풍부
단점	•토크가 커서 발전기 중량 증대 •유도발전기에 비해 가격이 높음 •계통연결을 위해서 AC/DC/AC변환필요	•높은 풍속에서 에너지 캡쳐가 적음 •유도 전동기의 효율 낮음 •기어박스의 유지보수 및 신뢰성에 문제 •소음의 증가
특징	•가변속도 운전 •동기형 발전기	•일정속도 운전 •비동기형 유도발전기

3)출력제한

Stall타입

개념 :
블레이드 설계를 정격풍속 이상에서 발전기 출력이 증가하지 않고 정지풍속에서 Stall(실속)이 발생하도록 설계하는 방식

장단점

장점

•회전날개의 공기역학적 형상에 의한 제어방식으로 회전자를 이용하므로 피치 방식보다 많은 발전량 생산(고효율 실현)
•유압장치와 회전자 간의 기계적 링크가 없어 작기운전시에도 유지보수 불필요

단점

•날개 피치각에 의한 능동적 출력제어 결여로 과출력 발생 가능성
•회전날개 피치각이 고정되어 있어 비상제동 시 회전자 끝 부분만 회전되어 제동장치로서 작동하게 되므로 제품효율이 나쁠뿐 아니라 동시에 유압제동장치가 작동해야 하므로 주축 및 기어박스에 충격이 가해짐
•계통 투입 시 전압강하나 In-Rush 전류로 인한 계통영향 소자 상존

피치타입

개념
- 블레이드의 깃각 제어를 통하여 정격충속 이상에서는 일정한 출력이 발생하도록 제어한다
- 정지풍속에서는 블레이드를 Feathering(회전)함으로써 발전기가 정지하도록 제어하는 방식이다.

장단점

장점	•날개 피치각을 제어하는 방식으로 적정 출력을 능동적으로 제어 가능 •피치각의 희전에 의한 공기역학적 제동방식을 사용하여 기계적 충격 없이 부드럽게 정지 및 계통투입 •계통 투입 시에 전압강하나 유입전류(In-Rush)최소화
단점	•날개 피티각 회적을 위한 유입장치 실린더와 회전자 간의 기계적 링크부분의 장기간 운전 시 마모, 부식등에 의한 유지보수 필요 •외부 풍속이 빠르게 변할 경우 제어가 능동적으로 이루어지지 않아 순간적인 peak 등이 발생할 우려

3️⃣장단점

1)장점

무한정의 청정에너지원이다
화석연료를 대신하여 자원고갈에 대비할수 있다
풍력발전시시러은 가장 비용이 적게 들고, 건설 및 설치기간이 짧다
풍력발전시설단지는 농사, 목축 등 토지의 효율성을 높인다.

2)단점

바람이 항상 부는 것이 아니기 때문에 에너지를 저장하기 위한 충전기술이 사용되어야 하고, 이는 비용이 많이 든다.

풍력 발전기 선택 시 고려 사항

설치 환경: 풍속, 지형, 주변 환경 등을 고려해야 합니다.
발전 용량: 필요한 전력량에 맞는 용량의 풍력 발전기를 선택해야 합
경제성: 초기 투자 비용, 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려해야 합
환경적 영향: 소음, 진동, 조류 충돌 등 환경에 미치는 영향을 최소화해야 합

풍력발전용 발전기 선정 시 고려사항

풍속 변동성: 풍력은 태양광과 달리 변동성이 크므로, 발전기는 넓은 범위의 풍속에서 효율적으로 작동할 수 있어야 합
발전기 효율: 발전기의 효율은 발전량과 직결되므로, 높은 효율을 가진 발전기를 선택해야 합니다.
신뢰성: 해상 환경은 극한 환경이므로, 혹독한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 높은 신뢰성을 갖춘 발전기가 필요합니다.
유지보수 편의성: 해상 환경에서 유지보수가 어렵기 때문에, 유지보수가 간편하고 부품 수급이 용이한 발전기를 선택해야 합니다.
발전기 종류:
- 유도 발전기: 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 효율이 낮고 무게가 무거운 단점이 있습니다.
- 동기 발전기: 효율이 높고 전력 품질이 우수하지만, 가격이 비싸고 복잡한 제어 시스템이 필요합니다.
- 영구자석형 동기 발전기: 효율이 높고, 기어리스 시스템에 적합하지만, 고가의 영구자석이 필요합니다.

풍력터빈 정지장치

정지장치 종류:
- 기계식 브레이크: 급격한 정지 시 사용되는 장치로, 마찰력을 이용하여 회전을 멈춥니다.
- 유압 브레이크: 유압을 이용하여 부드럽게 정지시키는 장치입니다.
- 전기 브레이크: 전자기력을 이용하여 정지시키는 장치입니다.
정지 원리:
- 풍속 과다: 풍속이 일정 기준을 초과하면 자동으로 정지합니다.
- 발전기 고장: 발전기 고장 시 자동으로 정지합니다.
- 제어 시스템 고장: 제어 시스템 고장 시 자동으로 정지합니다.
- 외부 신호: 비상 정지 버튼 등 외부 신호에 의해 수동으로 정지합니다.

풍력터빈 정지 시 고려 사항

안전성: 신속하고 안전하게 정지되어야 합니다.
신뢰성: 비상 상황에서도 정확하게 작동해야 합니다.
내구성: 극한 환경에서도 오랫동안 사용할 수 있어야 합니다.
유지보수 편의성: 정기적인 점검 및 유지보수가 용이해야 합니다.

해상풍력 제어시스템의 제어요소

1. 블레이드 각도 (Pitch Angle)

목적: 발전량 조절, 구조물 하중 경감
제어 요소: 풍속 변화에 따라 블레이드 각도를 조절하여 발전량을 최적화하고, 강풍 시 구조물에 가해지는 하중을 줄입니다.

2. 발전기 속도 (Rotor Speed)

목적: 발전 효율 극대화, 그리드 연계 안정성 확보
제어 요소: 발전기 속도를 일정하게 유지하여 발전 효율을 높이고, 전력 계통과의 안정적인 연계를 유지합니다.

3. 요잉 각도 (Yaw Angle)

목적: 풍향 추적, 발전 효율 극대화
제어 요소: 풍향 변화에 따라 풍력 터빈의 방향을 조절하여 항상 최대 풍량을 받아 발전 효율을 높입니다.

4. 발전기 출력

목적: 전력 계통 안정화, 발전량 예측
제어 요소: 발전기 출력을 실시간으로 모니터링하고 제어하여 전력 계통의 안정성을 유지하고, 발전량을 예측합니다.

5. 구조물 변형

목적: 구조물 안전성 확보
제어 요소: 풍하중, 파랑 등 외부 환경 요인에 의한 구조물 변형을 모니터링하고, 허용 범위를 벗어나지 않도록 제어합니다.

6. 유압 시스템 압력

목적: 유압 시스템 성능 유지
제어 요소: 유압 시스템의 압력을 일정하게 유지하여 블레이드 피칭, 요잉 등의 동작을 안정적으로 수행합니다.

7. 온도

목적: 장비 보호, 성능 저하 방지
제어 요소: 발전기, 변환기 등 주요 장비의 온도를 모니터링하고, 과열을 방지하여 장비 수명을 연장합니다.

8. 진동

목적: 구조물 손상 방지, 소음 감소
제어 요소: 진동 센서를 통해 진동을 감지하고, 필요한 경우 제어하여 구조물 손상을 방지하고 소음을 감소시킵니다.

9. 부식

목적: 시스템 수명 연장
제어 요소: 해상 환경에서의 부식을 방지하기 위해 도료, 방식 처리 등을 통해 시스템을 보호합니다.

10. 전력 품질

목적: 그리드 연계 안정성 확보
제어 요소: 전력 품질을 모니터링하고, 고조파, 불균형 등을 제거하여 안정적인 전력을 공급합니다.

신개념에너지(MN)

G 스마트 그리드
M 마이크로 그리드
R 전기자동차 전원공급설비
V V2G
J 전력저장장치
E ESS의 제어기술
D 이차전지를 이용한 전기저장장치의 시설
F ESS의 안전강화
T 리튬이온 축전지
S SMES(초전도 에너지 저장장치)
C 초고용량 커패시터
B 이차전지
A 압축공기 에너지 저장장치(CAES)
N 분산형 전원
L 분산형 전원 배전계통 연계기술

목차(풍력에너지 MRE)