Download - 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr
![Page 1: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/1.jpg)
신재생 에너지신재생 에너지(Renewable Energy)
제4장 풍력에너지(Wind Energy)
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 2: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/2.jpg)
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 과정을 잘 표현
풍력터빈
- 바람의 운동에너지 => 기계적인 동력(곡식의 제분, 물의 양수)
- 바람의 운동에너지 => 기계적인 동력 => 전기 생산
그림 4.1 미국 California 주 San Bernandino 산에그림 4.1 미국 California 주 San Bernandino 산에설치된 풍력터빈 발전단지
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 3: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/3.jpg)
바람 (wind)( )
• 온도 차이에 의한 공기순환
그림 4.2 바다 표면온도의 적외선 사진 (NASA 위성인 NOAA-7이 1984년 7월에 촬영)
• Coriolis 힘
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 4: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/4.jpg)
• 지구의 바람
표 4.1 지배적인 바람 방향
위도 북위 90~60˚ 북위 60~30˚ 북위 30~0˚ 남위 0~30˚ 남위 30~60˚ 남위 60~90˚
표 4.1 지배적인 바람 방향
방향 북동 남서 북동 남동 북서 남동
그림 4.3 NASA 위성인 GOES-8이 촬영한 지구의 사진
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 5: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/5.jpg)
• 지구 자전에 의한 바람 (Geostrophic wind) : 대류권, 지구 자전에 의한 바람,
표면 바람 ( f i d)표면 바람 (surface wind)
• 국부적 바람 : 해풍, 육풍, 산 바람(mountain wind)
해풍 산바람
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 6: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/6.jpg)
바람에너지
• 풍력터빈의 입력동력 :
바람의 힘이 회전자 (rotor) blade에 작용하는 토크(회전력)로 변환
바람이 회전자에 전달하는 에너지의 크기 공기의 밀도 회전자 면적 바람의 속도• 바람이 회전자에 전달하는 에너지의 크기 : 공기의 밀도, 회전자 면적, 바람의 속도
23
21 rVP πρ=
: 바람의 동력 [W], : 공기의 밀도 1.225 [kg/m3] (해표면에서의 대기압, 15 ◦C)
: 바람의 속도 [m/s] : 회전자의 반경 [m]
2ρ
P ρ
V r: 바람의 속도 [m/s], : 회전자의 반경 [m]
• 바람을 굴절시키는 풍력터빈
V r
바람을 굴절시키는 풍력터빈
. 유선형 관, 회전자 전방과 후방에서의 공기 압력 분포, 하류에서 일어나는 현상
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 7: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/7.jpg)
그림 4.5 바람이 우측에서 좌측으로 불어올 때, 바람의 운동에너지 일부를 획득하기 위한장치 (3엽 풍력터빈과 기타 기계적 장치)
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 8: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/8.jpg)
그림 4.6 바람의 속도에 대한 에너지 변화
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 9: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/9.jpg)
수직축 풍력터빈(Vertical Axis Wind Turbine)
• 헬리콥터 형태의 Darrieus 모델
• 회전자 축이 지면에 대해 수직으로 회전
바람의 방향과 관계없이 운전• 바람의 방향과 관계없이 운전
• 바람추적 장치인 요잉 운동 장치가 필요 없음
구조가 간단하고 시스템 가격이 저렴• 구조가 간단하고 시스템 가격이 저렴
• 수평축 풍력터빈에 비해 에너지 변환 효율이 현저히 낮음
• 회전자의 진동문제 큼• 회전자의 진동문제 큼
• 상용화 된 대용량 시스템 전무
그림 4.7 100 m의 로터 직경을 갖는그림 4.7 100 m의 로터 직경을 갖는4,200 kW급 수직축 Darrieus 풍력터빈(캐나다 퀘벡주 Cap Chat에 위치)
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 10: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/10.jpg)
수평축 풍력터빈(Horizontal Axis Wind Turbine)
• 회전자 축이 지면에 대해 수평으로 회전
• 바람에너지를 최대로 얻기 위한 바람 추적장치 필요
시스템 구성이 복잡• 시스템 구성이 복잡
• 가장 안정적인 고효율 풍력 터빈
세계 풍력발전시장의 대부분을 차지• 세계 풍력발전시장의 대부분을 차지
• 3엽 풍력터빈 : upwind 터빈
• 2엽 풍력터빈 : downwind 터빈• 2엽 풍력터빈 : downwind 터빈
그림 4.8 수평축 풍력터빈의 사용 예
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 11: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/11.jpg)
그림 4-9 3.6 MW급 GE의 풍력터빈
표 4-2 3.6 MW급 GE 풍력터빈 3.6 sl의 기술적 사양
작동 데이타 로터
정격용량 3,600 kW 로터 블레이드 개수 3엽
최소 정지 풍속 3 5 m/s 로터 직경 111 m최소 정지 풍속 3.5 m/s 로터 직경 111 m
최대 정지 풍속 17 m/s 만곡 면적 9,677 m2
정격 풍속 14 m/s 로터 속도 (가변) 8.5∼15.3 rpm
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 12: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/12.jpg)
풍력터빈의 내부구조
• 풍속계 (anemometer)
• 블레이드 (blade)
• 탑 (tower)
• 바람방향 (wind direction)
풍향기 ( i d )• 브레이크 (brake)
• 제어부 (controller)
• 풍향기 (wind vane)
• 좌우요동 구동장치 (yaw drive)
좌우요동 모터 ( t )• 기어박스 (gear box)
• 발전기 (generator)
고속축 (hi h d h f )
• 좌우요동 모터 (yaw motor)
• 고속축 (high-speed shaft)
• 저속축 (low-speed shaft)
낫셀 ( ll )• 낫셀 (nacelle)
• 피치 (pitch)
• 회전자 (rotor)
Renewable Energy제4장 풍력에너지
• 회전자 (rotor)
![Page 13: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/13.jpg)
독립전원형 (Stand Alone Type)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
그림 4 11 독립전원형 발전시스템의 전력공급 개념
Renewable Energy제4장 풍력에너지
그림 4.11 독립전원형 발전시스템의 전력공급 개념
![Page 14: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/14.jpg)
계통연계형 (Grid Connection Type)계통연계형 (Grid Connection Type)
• 기존상용 전력선 + 풍력터빈을 병렬로 연결하여 운전기존상용 전력선 + 풍력터빈을 병렬로 연결하여 운전
• 시스템의 대형화 단지화가 가능
• 대규모 풍력발전 단지(wind farm 또는 wind park)로 육성대규모 풍력발전 단지(wind farm 또는 wind park)로 육성
• 풍력터빈 1기 (1,500 kW) X 20기 = 30 MW급 풍력발전 단지
• 저전압, 중전압, 고전압으로 구분되어 기존의 전력선에 연계, ,
• 변압기(transformer), 계통연계장치 등이 부가적으로 필요
그림 4 12 계통연계형 발전시스템의 전력공급 개념
Renewable Energy제4장 풍력에너지
그림 4.12 계통연계형 발전시스템의 전력공급 개념
![Page 15: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/15.jpg)
풍력에너지의 장점
• 바람이라는 연료를 사용하는 청정에너지원 (공기오염 X, 배기가스, 온실가스 X)
고갈되지 않는 자원• 고갈되지 않는 자원
• 설치비, 유지·보수비 외에 추가의 비용이 필요치 않음
• 기술의 발전으로 발전단가는 석탄화력• 기술의 발전으로 발전단가는 석탄화력,
가스발전과 거의 비슷해짐
그림 4.13 에너지별 발전비용그림 4.14 바람의세기에 따른
Renewable Energy제4장 풍력에너지
(출처 : 미국 캘리포니아 주 에너지 위원회) 세기에 따른풍력에너지의 비용
![Page 16: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/16.jpg)
풍력에너지의 단점풍력에너지의 단점
• 높은 초기 투지비
• 바람이 간헐적이고 전기가 필요한 곳에 바람이 항상 불지 않는다.
바람이 많은 지역은 도시로부터 멀리 떨어져 있다• 바람이 많은 지역은 도시로부터 멀리 떨어져 있다.
• 밧데리를 사용하지 않으면 저장할 수 없다.
모든 바람이 전기가 필요한 때를 맞추어서 이용될 수 없다• 모든 바람이 전기가 필요한 때를 맞추어서 이용될 수 없다.
• 회전자 블레이드에 의한 소음
• 시야 (visual) 충격• 시야 (visual) 충격
• 회전자의 조류 충돌
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 17: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/17.jpg)
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 Cour이 개발한 풍력발전기
=> 가정용과 산업용 전기를 생산하는데 이용
G d ’ K b 1940년대 제일 큰 풍력터빈• Grandpa’s Knob : 1940년대 제일 큰 풍력터빈
- 미국 Vermont 주 언덕의 정상에서 작동되기 시작
1 25 MW 출력 @ 48 k /h- 1.25 MW 출력 @ 48 km/h
- 2차 세계대전 중 수개월 동안에 지역 전기공급망에
전기를 공급
Renewable Energy제4장 풍력에너지
전기를 공급그림 4-15 Grandpa's Knob의 현판
![Page 18: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/18.jpg)
그림 4.16 20세기 초에 Great Plains (미국과 캐나다 Rocky 산맥 동쪽의대고원 지대)에서 사용된 풍차 => 물을 급수하고 전기를 생산
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 19: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/19.jpg)
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- 우리나라, 북미의 동북부 해안, 남미의 동단, 북구지역, 아시아의 동북구 해안,
일본, 히말라야 고산지역
경제성 있는 바람의 세기는 초속 4 이상 : 제주도 동 서 남해안 지역• 경제성 있는 바람의 세기는 초속 4 m 이상 : 제주도, 동, 서, 남해안 지역
50 m 고도
80 m 고도
Renewable Energy제4장 풍력에너지
그림 4.17 50 m 고도에서 최근 5년간 우리나라 연평균 풍력자원 지도
![Page 20: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/20.jpg)
그림 4.18 미국의 연간 풍력 자원과 풍력 등급
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 21: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/21.jpg)
해외 풍력에너지 이용 현황해외 풍력에너지 이용 현황
2008년 4월 현재 세계에 보급된 풍력발전 규모 총 100 GW• 2008년 4월 현재, 세계에 보급된 풍력발전 규모 총 100 GW
(전체 전기소비량의 1.3 %를 풍력으로 생산)
그림 4.19 풍력발전의 세계 보급규모 및 전망
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 22: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/22.jpg)
국내 풍력에너지 이용 현황
• 2007년에 자체 생산한 750 kW와 1.5 MW급 풍력터빈이 국내시장에 출시
• 2∼3 MW 풍력터빈은 개발 중이며, 향 후 2∼3년에 걸쳐 운용 시험 예정
• 2007년 현재, 우리나라에 전체 설치된 풍력발전 용량 : 총 193 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
그림 4.20 제주 행원풍력발전시범단지
풍차날개 하나 : 최대 27 m
• 1998년 8월부터 한전에 전력공급
• 현재 15기, 전체발전용량 10 MW
Renewable Energy제4장 풍력에너지
• 관광명소
![Page 23: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/23.jpg)
• 한경풍력발전단지 : 한국남부발전(주)( )
- 북제주군 한경면 해안에 21 MW의 발전용량
• 대관령 강원 풍력단지(2006년 완공되어 운영 중)
- 2 MW 풍력터빈 49기를 설치 (총 98 MW 규모) => 연간 244,400 MWh의
전기를 생산
• 영덕풍력발전단지(2005년 완공되어 운영 중)
- 1,650 kW급 풍력터빈 24기를 설치(총 39.6 MW 규모) => 연간 96,680
MWh의 전기를 생산
• 2008년 12월 기준 14개소, 146기, 232 MW에 이른다.
• 2004년, 산업자원부 “제2차 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) =>
Renewable Energy제4장 풍력에너지
14,000 MW(2030년 목표)
![Page 24: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/24.jpg)
번호 발전소 용량 (kW) 사업자 설치위치
표 4.2 국내 풍력발전 운영현황
2008년 12월 기준
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
대관령풍력 강원도 강원 평창6 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 양양11 양양풍력 3,000 중부발전 강원 양양
12 고리풍력 750 한수원 부산 고리
13 태기산풍력 40,000 포스코건설 강원 횡성·평창
Renewable Energy제4장 풍력에너지
합계 14개소, 146기, 232,445 kW
![Page 25: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/25.jpg)
풍력에너지의 연구·개발
그림 4.21 풍력터빈 정격용량의 개발방향 및 성장
• 회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상• 회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상
- 익형(airfoil)의 새로운 설계, 회전자가 더 유연하게 허브에 부착되는 방법,
블레이드의 생산공정 향상
Renewable Energy제4장 풍력에너지
블레이드의 생산공정 향상
![Page 26: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/26.jpg)
그림 4-22 곡면 기본 비틀림 동조
그림 4-23 비틀림-플랩 동조된 블레이드 설계
• 능동제어(active control)
그림 4 23 비틀림 플랩 동조된 블레이드 설계(재료 근간의 비틀림 동조)
( )
• 탑의 높이 증가
• 드라이브트레인 (drive train; 기어박스, 발전기, 전력변환)
그림 4.24 Clipper Windpower사의 다축-구동-경로기어박스 (multiple-drive-path gearbox)
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 27: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/27.jpg)
• 기본적인 공기역학 연구 : 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics)( p y )
그림 4.25 NACA 0012 블레이드 주위의공기흐름에 관한 컴퓨터 모사 결과
• 공기역학적인 향상장치 : 와류생성기 (vortex generator)
그림 4.26 비행기 날개에 장착된와류 생성기
Renewable Energy제4장 풍력에너지
![Page 28: 제4장풍력 lecture rev - knuee.kangwon.ac.kr](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042318/625ca928fb7b5d1efa22db46/html5/thumbnails/28.jpg)
• 해양풍력터빈 기술해양풍력터빈 기술
그림 4.27 2002년 완공된 덴마크의 Horns Rev 최대 해양풍력발전단지
Renewable Energy제4장 풍력에너지