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풍력발전wind power generation

바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

정의 & 개요

바람에너지 전기에너지 ( 이론상 59.3%) 날개의 형상에 따른 효율 , 기계적인 마찰 , 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40% 의 효율

풍력발전 개요

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풍력발전의 원리

기본 원리

GearBox

Break

Sys-tem

연계설비

Controller

보호장치

Gener-ator

바람

풍력발전의 장단점 장점 : 환경친화적 무공해 청정에너지 발전 설비 면적을 적게 차지하는 국토의 효율적이용 단점 : 에너지공급의 불안정성 풍속특성이 발전단가에 가장 큰 영향 소형시스템일수록 발전단가에 불리

풍력발전 개요

에너지이용

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바람 (wind) : 태양에너지의 한 형태

- 태양에 의한 대기의 불균일한 가열

- 지구표면의 불규칙성

- 지구의 자전과 공전으로 인하여 생성

풍력에너지 또는 풍력발전 : 바람을 이용하여 기계적인 동력 또는

전기를 생산하는 과정

- 바람의 운동에너지 => 기계적인 동력 ( 곡식의 제분 , 물의 양수 )

- 바람의 운동에너지 => 기계적인 동력 => 전기 생산

<California 주 San Bernandino 산에

설치된 풍력터빈 발전단지 >

풍력 에너지원

바람 (wind) : 온도 차이에 의한 공기순환

< 바다 표면온도의 적외선 사진 (NASA 위성인 NOAA-7 이 ) >

• Coriolis 효과 : 지구의 자전에 의한 힘으로 바람의 방향이 북반구에서는 오른쪽 , 남반구에서는 왼쪽으로 작용하는 힘

풍력 에너지원

• 지구의 바람 : 지배적인 지구의 바람

위도북위 90 ～

60˚

북위 60 ～

30˚

북위 30 ～

0˚

남위 0 ～

30˚

남위 30 ～

60˚

남위 60 ～

90˚

방향 북동 남서 북동 남동 북서 남동

<NASA 위성인 GOES-8 이 촬영한 지구의 사진 >

< 지배적인 바람 방향 >

풍력 에너지원

해풍 산바람

• 지구 자전에 의한 바람 (Geostrophic wind) : 대류권 , 지구 자전에 의한 바람 ,

표면 바람 (surface wind)

• 국부적 바람 : 해풍 , 육풍 , 산 바람 (mountain wind)

풍력 에너지원

• 풍력터빈의 입력동력 :

바람의 힘이 회전자 (rotor) blade 에 작용하는 토크 ( 회전력 ) 로 변환• 바람이 회전자에 전달하는 에너지의 크기 : 공기의 밀도 , 회전자 면적 , 바람의 속도

: 바람의 동력 [ W ], : 공기의 밀도 1.225 [kg/m3] ( 해표면에서의 대기압 , 15 ◦C)

: 바람의 속도 [m/s], : 회전자의 반경 [m]

• 바람을 굴절시키는 풍력터빈

. 유선형 관 , 회전자 전방과 후방에서의 공기 압력 분포 , 하류에서 일어나는 현상

풍력 에너지의 계산

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2

1rVP

P V r

< 바람의 속도에 대한 에너지 변화 >

풍력 에너지의 계산

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풍력발전기의 분류

회전축 방향에 따른 구분

수직축 발전기 수평축 발전기

바람방향에 구애 받지 않음

사막이나 평원에서 사용

구조가 간단하다

바람방향의 영향을 많이 받음

가장 일반적인 형태

풍력 발전기 분류

• 회전자 축이 지면에 대해 수직으로 회전• 바람의 방향과 관계없이 운전• 바람추적 장치인 요잉 운동 장치가 필요 없음• 구조가 간단하고 시스템 가격이 저렴• 수평축 풍력터빈에 비해 에너지 변환 효율이

현저히 낮음• 회전자의 진동문제 큼• 상용화 된 대용량 시스템 전무

수직축 풍력터빈 (Vertical Axis Wind Turbine)

<100 m 의 로터 직경을 갖는 4,200 kW 급 수직축 Darrieus

풍력터빈 ( 캐나다 퀘벡주 Cap Chat 에 위치 )>

수직축 풍력터빈 (Vertical Axis Wind Turbine)

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중앙 기둥 (central column) : 날개가 부착되어 있는 수직의 원통 부분 . 날개에 가해지는 바람의 힘으로 회전한다 .

회전자 (rotor) : 보통 2~3 개의 날개로 이루어진 풍력 터빈의 회전부 . 이것이 회전함으로써 교류 발전기가 작동하여 전기를 생산한다 .

날개 (blade) : 중앙 기둥에 부착된 공기 역학적 부분 . 바람의 힘으로 돌면서 회전자를 움직인다 .

받침대 (base) : 풍력 터빈의 회전자를 지지하고 전기를 생산하는 설비 ( 기어박스와 교류 발전기를 포함 ) 가 들어 있는 구조물 .

공 기 역 학 적 제 동 기 (aerodynamic brake) : 비상용 제동 시스템 . 날개에 부착된 셔터로 구성되어 있으며 , 이들은 풍력 터빈의 속도가 지나치게 빠를 때 자동으로 작동된다 .

버팀대 (strut) : 날개를 중앙 기둥과 연결하는 수평 부분 . 그들을 강화시킨다 .

버팀줄 (guy wire) : 수직축의 꼭대기를 콘크리트 기초에 연결하는 케이블 . 풍력 터빈을 꼿꼿하게 서 있게 한다

수직축 풍력터빈 (Vertical Axis Wind Turbine) 구조

• 회전자 축이 지면에 대해 수평으로 회전• 바람에너지를 최대로 얻기 위한 바람 추적장치

필요 • 시스템 구성이 복잡• 가장 안정적인 고효율 풍력 터빈• 세계 풍력발전시장의 대부분을 차지• 3 엽 풍력터빈 : upwind 터빈• 2 엽 풍력터빈 : downwind 터빈

수평축 풍력터빈 (Horizontal Axis Wind Turbine)

< 수평축 풍력터빈의 사용 예 >

풍력터빈의 내부구조

• 풍속계 (anemometer)• 블레이드 (blade)• 브레이크 (brake)• 제어부 (controller)• 기어박스 (gear box)• 발전기 (generator)• 고속축 (high-speed shaft)• 저속축 (low-speed shaft)• 낫셀 (nacelle)• 피치 (pitch)• 회전자 (rotor)• 탑 (tower)• 바람방향 (wind direction)• 풍향기 (wind vane)• 좌우요동 구동장치 (yaw

drive)• 좌우요동 모터 (yaw

motor)

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풍력발전기의 분류

운전 방식에 따른 구분

기어리스 (Grealess)형

기어 (Gear) 형

회전자와 발전기가 직접연결

발전효율이 높음

간단한 구조 , 저소음

저렴한 제작비용

어느 지역에서도 설계 ,제작가능

유지 보수 용이

풍력 발전기 분류

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장점 단점

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

- 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

< 기어형 풍력 발전기의 장단점 >

기어형 풍력 발전기의 장단점

독립전원형 (Stand Alone Type)

• 생산된 전력을 사용자에게 직접 공급하는 방식• 저장장치 ( 축전지 ) + 보조발전설비 (디젤발전기 또는 태양광 ) =>

복합적으로 사용하는 형태• 기존 상용 전력선이 없는 도서지역 , 산간벽지의 전원공급 ,

등대나 통신장비의 전원용

<독립전원형 발전시스템의 전력공급 개념>

계통연계형 (Grid Connection Type)

• 기존상용 전력선 + 풍력터빈을 병렬로 연결하여 운전• 시스템의 대형화 단지화가 가능• 대규모 풍력발전 단지 (wind farm 또는 wind park) 로 육성• 풍력터빈 1 기 (1,500 kW) X 20 기 = 30 MW 급 풍력발전 단지• 저전압 , 중전압 , 고전압으로 구분되어 기존의 전력선에 연계• 변압기 (transformer), 계통연계장치 등이 부가적으로 필요

< 계통연계형 발전시스템의 전력공급 개념>

풍력에너지의 장점

• 바람이라는 연료를 사용하는 청정에너지원 ( 공기오염 X, 배기가스 , 온실가스 X)

• 고갈되지 않는 자원• 설치비 , 유지 · 보수비 외에 추가의 비용이 필요치 않음• 기술의 발전으로 발전단가는 석탄화력 ,

가스발전과 거의 비슷해짐

< 에너지별 발전비용 > < 바람의 세기에 따른 풍력에너지의 비용 >

풍력에너지의 단점

• 높은 초기 투자비• 바람이 간헐적이고 전기가 필요한 곳에 바람이 항상 불지 않는다 .

• 바람이 많은 지역은 도시로부터 멀리 떨어져 있다 .

• 밧데리를 사용하지 않으면 저장할 수 없다 .

• 모든 바람이 전기가 필요한 때를 맞추어서 이용될 수 없다 .

• 회전자 블레이드에 의한 소음• 회전자의 조류 충돌

풍력에너지의 단점

풍력에너지의 역사

• BC 5000, 풍력에너지는 나일강을 따라 배를 항해하는데 사용• BC 200, 갈대직물 날개를 한 수직축 풍차로 곡식 제분 (페르시아 , 중동 )

단순풍차로 물을 급수 ( 중국 )

• 11 C, 풍차를 개량하여 호수와 라인강 삼각주의 배수 시 적용 (독일 )

• 19 C 후반 , 농장과 목초지에 물을 급수하는데 사용 (미국 개척자 )

• 1891년 풍력발전기의 효시 : 덴마크의 Poul La Cour 이 개발한 풍력발전기

=> 가정용과 산업용 전기를 생산하는데 이용• Grandpa’s Knob : 1940년대 제일 큰 풍력터빈

- 미국 Vermont 주 언덕의 정상에서 작동되기 시작

- 1.25 MW 출력 @ 48 km/h

- 2 차 세계대전 중 수개월 동안에 지역 전기공급망에

전기를 공급<Grandpa's Knob 의 현판>

<20 세기 초에 Great Plains (미국과 캐나다 Rocky 산맥 동쪽의

대고원 지대 ) 에서 사용된 풍차 => 물을 급수하고 전기를 생산 >

풍력에너지의 역사

우리나라 풍력에너지의 자원 가능성

• 바람은 가장 중요한 요소 , 지역적 조건에 크게 영향을 받는다 .

• 우리나라는 해안선이 길어 세계에서도 풍력발전용 바람이 많은 나라 중의 하나• 세계풍력발전 개황 : 연평균 풍속이 초속 5.6 m 이상인 지역

- 우리나라 , 북미의 동북부 해안 , 남미의 동단 , 북구지역 , 아시아의 동북구 해안 ,

일본 , 히말라야 고산지역• 경제성 있는 바람의 세기는 초속 4 m 이상 : 제주도 , 동 , 서 , 남해안 지역

< 50m / 80m 고도에서 최근 5년간 우리나라 연평균 풍력자원 지도 >

80 m 고도50 m 고도

해외 풍력에너지 이용 현황

• 2008년 4월 현재 , 세계에 보급된 풍력발전 규모 총 100 GW

( 전체 전기소비량의 1.3 % 를 풍력으로 생산 )

< 풍력발전의 세계 보급규모 및 전망>

국내 풍력에너지 이용 현황

• 2007년에 자체 생산한 750 kW 와 1.5 MW 급 풍력터빈이 국내시장에 출시 • 2∼3 MW 풍력터빈은 개발 중이며 , 향 후 2∼3년에 걸쳐 운용 시험 예정 • 2011년 현재 , 우리나라에 전체 설치된 풍력발전 용량 : 총 250 MW

• 풍력을 이용한 전체 전기출력 399 GWh( 국가 전기수요의 0.1% 를 풍력이 담당

• 제주도 , 전남 무안 , 경북 포항 , 강원도 등에서 운용 중• 중 · 대형급 풍력터빈의 블레이드 , 기어장치 , 발전기 , 전력변환장치 ,

제어장치들의 개발이 진행 중

• 풍차날개 하나 : 최대 27 m

• 1998년 8월부터 한전에 전력공급• 현재 15 기 , 전체발전용량 10 MW

• 관광명소

< 제주 행원풍력발전시범단지 >

• 한경풍력발전단지 : 한국남부발전 ( 주 )

- 북제주군 한경면 해안에 21 MW 의 발전용량• 대관령 강원 풍력단지 (2006년 완공되어 운영 중 )

- 2 MW 풍력터빈 49 기를 설치 (총 98 MW 규모 ) => 연간 244,400 MWh 의

전기를 생산• 영덕풍력발전단지 (2005년 완공되어 운영 중 )

- 1,650 kW 급 풍력터빈 24 기를 설치 (총 39.6 MW 규모 ) => 연간 96,680

MWh 의 전기를 생산

• 2008년 12월 기준 14 개소 , 146 기 , 232 MW 에 이른다 .

• 2004년 , 산업자원부 “제 2 차 신재생에너지 기술개발 및 이용 · 보급 기본계획”

=> 풍력사업단 구성

- 기술개발강화 , 실용화기반 조성 , 보급활성화

- 2012년 국내 총 발전 설비 용량 2,250 MW => 8,000 MW(2020년 ) =>

14,000 MW(2030년 목표 )

국내 풍력에너지 이용 현황

번호 발전소 용량 (kW) 사업자 설치위치

1 행원풍력 9,795 제주도 제주 행원

2 울릉도 풍력 600 경상북도 경북 울릉

3 포항풍력 660 경상북도 경북 포항

4 전북풍력 7,900 전라북도 전북 군산

5 한경풍력 21,000 남부발전 제주 한경

6 대관령풍력 2,640 강원도 강원 평창

7 매봉산풍력 6,800 강원도 강원 태백

8 영덕풍력 39,600 영덕풍력 경북 영덕

9 강원풍력 98,000 강원풍력 강원 평창

10 신창풍력 1,700 제주도 제주 신창

11 양양풍력 3,000 중부발전 강원 양양

12 고리풍력 750 한수원 부산 고리

13 태기산풍력 40,000 포스코건설강 원 횡 성 ·

평창

합계 14 개소 , 146 기 , 232,445 kW

국내 풍력발전 운영현황

2008년 12월 기준

< 풍력터빈 정격용량의 개발방향 및 성장 >

풍력에너지의 연구 · 개발 및 향후 과제

• 회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상

- 익형 (airfoil) 의 새로운 설계 , 회전자가 더 유연하게 허브에 부착되는 방법 ,

블레이드의 생산공정 향상

• 능동제어 (active control)

• 탑의 높이 증가• 드라이브트레인 (drive train;

기어박스 , 발전기 , 전력변환 )

< 곡면 기본 비틀림 동조 > < 비틀림 -플랩 동조된 블레이드 설계

(재료 근간의 비틀림 동조 )>

<Clipper Windpower 사의 다축 - 구동 - 경로기어박스 (multiple-drive-path gear-box)>

풍력에너지의 연구 · 개발 및 향후 과제

• 기본적인 공기역학 연구 : 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics)

• 공기역학적인 향상장치 : 와류생성기 (vortex generator)

< 블레이드 주위의 공기흐름에 관한 컴퓨터 모사결과 > < 비행기 날개에 장착된 와류 생성기 >

풍력에너지의 연구 · 개발 및 향후 과제