신한대학교 에너지환경공학과 교 수 황 재 석
제 13 강
목 차
1. 바람
2. 풍력터빈
3. 풍력에너지의 장단점 4. 풍력에너지의 역사
5. 풍력에너지의 자원가능성 6. 풍력에너지의 연구·개발
[참고문헌] 기상청,풍력자원지도 / 글로벌에너지협력센터, 국제에너지 자원동향 국내풍력발전산업 현황 및 정책, Vol12-053호 2012.06.28 풍력핵심기술연구센터(http://wtrc.kims.re.kr/main/main.html)
조력과 지열에너지를 제외한 재생에너지와 화석연료 에너지는 궁극적으로 태양이 근원임
지구는 1.74 ⅹ1017W의 태양에너지를 공급받는다.
이중 1~2%정도가 바람 에너지로 변환
이것은 지구상의 모든 식물에 의하여 생산되어 바이오 매스(biomass)로 변환되는 에너지의 약 50~100배 이상이 된다.
1.1 온도 차이에 의한 공기순환
적도지역은 지구의 다른 지역보다 더 가열된다.
데워진 공기는 찬 공기보다 가볍기 때문에 약 10km고도까지 상승하여 북쪽과 남쪽으로 퍼진다.
만일 지구가 자전하지 안는다면 공기는 단순 극점에 도달한 후 다시 하강하여 적도로 돌아 오는 단순 대류현상만 있을 것이다.
그림 4-2 바다표면 온도의 적외선사진 NASA 위성인 NOAA-7이 1984년 7월촬영
1.2 Coriolis 힘 :
지구의 자전 → 오른쪽(북반구), 왼쪽(남반구)으로 치우침
프랑스 수학자 Gustave Gaspard
Coriolis(1792~1843)에 의해 명명
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˚
방향 북동 남서 북동 남동 북서 남동
편동풍 편서풍 무역풍 무역풍 편서풍 편동풍
그림 4-3 NASA 위성인 GOES-8이 촬영한 지구의 사진
1.4 지구자전에 의한 바람 (geostrophic wind) :
대류권(Troposphere): 대류권은 지표면에서 약 11km까지이다.
열대지방의 경우는 16-18 km 까지이고, 극지방에서는 10 km 이내이기도 하다.
이 층은 전체 대기 질량의 약 70~80%를 가지고 있다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다.
대류권의 위 층은 성층권이다.
대류권을 나타내는 영어인 troposphere는 "돌리다", "섞다"를 나타내는 그리스어인 tropos로부터 유래하였다.
이 말대로, 대류권은 끊임없이 움직이고 있다. 대류권에서 중요한 가스로는 질소 및 산소가 있다.
고도에 따른 온도 감소율은 다른 어떤 대기권보다도 심하다. 대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보 면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 떨어진다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지 표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하락하는 것이다. 그러므로 대류권에서 모든 기후변화와
온실효과가 일어난다.
대류권 계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다. 대류권 계면 위쪽으로는 고도 50km에 이르도록 온도가 서서히 상승한다. 대류권을 지나는 동안 비행기가 높이 뜨면 뜰수록 안내판의 기온은 섭씨건 화씨건 모두 낮 아져서 최상부에 이르면 국내선 비행기는 -17도, 국제선 비행기는 -50도까지 떨어진다.
지구자전에 의한 바람 : 온도 차이에 의해서 크게 유도되며, 압력 의 차이는 지구 표면에서 별로 영향을 주지 못한다.
지구 자전에 의한 바람은 지표로 부터 1,000m 고도에서 발견되며 바람의 속도는 기상풍선(weather balloon)을 사용하여 측정한다.
표면 바람(surface wind):
일반적으로 바람은 100m까지는 지표에 의해 많은 영향을 받는다. 바람은 지구표면의 높낮이와 장애물에 의해 감속 되며, 표면 근처에서 바람의 방향은 지구 자전에 의한 바람의 방향과 약간 다르다. 풍력에너지를 취급하려면 표면 바람과 그 바람으로부터 유용한 에 너지를 어떻게 계산하는지에 관심을 가져야 한다.• 헬리콥터 형태의 Darrieus 모델
• 회전자 축이 지면에 대해 수직으로 회전
• 바람의 방향과 관계없이 운전
• 바람추적 장치인 요잉(Yawing) 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
• 세계에서 가장 큰 풍력터빈이었으나 현재 가동중지
그림 4-8 100 m의 로터 직경을 갖는 4,200 kW급 수직축 Darrieus 풍력터빈 (캐나다 퀘벡주 Cap Chat에 위치)
수직축 풍력발전기의 종류
• 회전자 축이 지면에 대해 수평으로 회전
• 바람에너지를 최대로 얻기 위한 바람 추적장치 필요
• 시스템 구성이 복잡(複雜)
• 1891년이래 가장 안정적인 고효율 풍력 터빈
• 세계 풍력발전시장의 대부분을 차지
•
3엽 풍력터빈
: upwind 터빈(맞바람형식)→ 풍속손실/풍속변동에 의한 피로하중/소음 적음
→ 요잉시스템 필요(구성 복잡), 로터와 타워 충돌 손실
•
2엽 풍력터빈
: downwind 터빈(뒷바람형식) → 요잉시스템 불필요, 구성 간단, 가격 유리 → 풍속 변화에 의한 손실 발생그림 4-9 수평축 풍력터빈
수평축 풍력발전기의 종류
크기비교
풍력터빈의 내부구조
• 풍속계 (anemometer) : 바람속도 측정, 속도 데이터를 제어부에 송신
• 블레이드 (blade) : 양력과 회전력 발생, 양력=0.5x(공기밀도)x(속도)2x(수직단면적)→형상중요
• 브레이크 (brake) : rotor 제어
• 제어부 (controller) : 바람속도 13~26km/h 때 가동 : 발전기 과열방지
• 기어박스 (gear box) : 저속축과 고속축 연결, 30~60rpm → 1,200~1,500rpm(전기생산에 필요한 속도), 고가, 고중량 → 직접구동발전기 개발 중(저속구동/gear-boxless)
• 발전기 (generator) : 유도발전기
• 고속축 (high-speed shaft) : 발전기 구동축
• 저속축 (low-speed shaft) : 회전자가 30~60rpm에서 저속축 회전
• 낫셀 (nacelle) : 기어박스, 저속/고속축, 발전기, 제어부, 브레이크 포함, 회전자 부착
• 피치 (pitch) :
• 회전자 (rotor) : blade & hub
•탑 (tower) : 강관
• 풍향기 (wind vane) : 풍향 측정, yaw 장치와 통신 → 풍향에 따라 터빈의 방향 조절
• 좌우요동 구동장치 (yaw drive) : 바람방향의 변화에 대응 → 회전자가 바람에 직면하도록 조절
• 좌우요동 모터 (yaw motor) : yaw drive 에 동력 제공
•바람이라는 연료를 사용하는 청정에너지원 (공기오염 X, 배기가스, 온실가스X)
• 고갈되지 않는 자원
• 설치비, 유지·보수비 외에 추가의 비용이 필요치 않음
• 기술의 발전으로 발전단가(production cost)는 석탄화력, 가스발전과 거의 비슷해짐
•높은 초기 투자비
• 바람이 간헐적이고 전기가 필요한 곳에 바람이 항상 불지 않는다.
• 바람이 많은 지역은 도시로부터 멀리 떨어져 있다.
• 배터리를 사용하지 않으면 저장할 수 없다.
• 모든 바람이 전기가 필요한 때를 맞추어서 이용될 수 없다.
• 회전자 블레이드에 의한 소음이 심각하다.
• 시야(visual) 충격
• 회전자의 조류 충돌
• 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
• Grandpa’s Knob : 1940년대 제일 큰 풍력터빈
- 미국 Vermont 주 언덕의 정상에서 작동되기 시작 - 1.25 MW 출력 at 48 km/h
- 2차 세계대전 중 수개월 동안에 지역 전기 공급망에 전기를 공급
그림 4.17 20세기 초에 Great Plains (미국과 캐나다 Rocky 산맥 동쪽의 대고원 지대)에서 사용된 풍차 => 물 을 급수하고 전기를 생산
- 풍력에너지의 사용은 화석연료의 가격에 민감
- 제2차 세계대전 후 원유가격이 하락 했을 때 풍력터빈의 관심은 쇠퇴 - 1970년대 석유의 파동 시는 세계적인 관심대상
- 원유의 제한공급에 따라 풍력터빈 기술의 연구 개발은 유용한 동력을 얻기 위한 방법으로 도입
- 이로 인하여 유럽과 미국은 풍력발전단지(wind farm) 또는 풍력발전소로 발전
- 가장 빠르게 성장하는 에너지원으로 산업용, 상업용, 가정용전기를 공급하는 깨끗한 재생 에너지로 수년 내 실현 가능할 것임
유효바람의 세기 :
• 보퍼트 풍력 계급(Beaufort wind force scale)의 3-10계급 (3.3~5.5m/s)~(24.5~28.4m/s)
• 강풍이 심한 경우 안전을 위해 작동을 중단
회전날개의 크기와 높이가 발전 가능량을 결정
• 길이가 2배 증가 시 동력은 4배 증가
• 풍속이 2배 증가 시 동력은 8배 증가
• 고도가 높을수록 풍속이 증가
•
우리나라는 해안선이 길어 세계에서도 풍력발전용 바람이 많은 나라 중의 하나
•
미국의 풍력전문가 폴 지프가 조사한 “세계풍력발전 개황” : 연평균
풍속이 초속 5.6 m 이상인 지역으로
- 우리나라, 북미의 동북부 해안, 남미의 동단, 북구지역, 아시아의 동 북구 해안, 일본, 히말라야 고산지역
경제성 있는 바람의 세기는 연간 평균 풍속이 초속 4m 이상(제주도,
동서해안 및 남해안과 대관령, 진부령)
그림 4-18 80 m 고도에서 최근 5년간 연평균 풍력자원 그림 4-19 미국의 연간 풍력 자원과 풍력 등급
풍력발전 관련 기술은 이미 실용화 단계에 도달
풍력발전기의 저가화, 대형화, 보급확대에 치중해야
풍력터빈 설계자들은 최근의 설치된 기계가 최선이라 했 지만 매 5년 주기로 새로운 세대가 선형적 크기로 등장
에너지 생애주기 가격(COE: life-cycle cost of energy) 이 현격히 낮아짐
터빈 가격을 낮추기 위하여 히전자, 블레이드, 타워, 는동
제어, 드라이브 시스템 등의 연구개발로 경쟁력이 생김
회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상
- 날개형(airfoil)의 새로운 설계, 회전자가 더 유연하게 허브에 부착되는 방법, 블레이드의 생산공정 향상
11.1 회전자(rotor)
그림 4-22 풍력터빈 정격용량의 연도별 rotor길이 개발방향 및 성장
