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[태양광발전 정보]
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풍력 발전 시스템
Date : 2009-07-24
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풍력 발전 시스템


1. 바람의 에너지와 파워

풍력 발전은, 바람의 흐름을 이용해 풍차를 돌리고, 그 동력으로 발전기를 회전시켜 발전합니다.

바람은, 대단히 가벼운 공기의 흐름이지만, 때로는 튼튼한 건물까지도 무너지게 해 버릴 만큼의 에너지를 가지고 있기 때문에 바람을 이용한 설비는 매우 신중하게 설계해야 합니다.

바람의 에너지는, 질량을 가지는 유체인 것이며 운동에너지입니다.

운동에너지의 법칙

바람의 운동에너지 = ( 1/2 ) x 바람의 질량( kg ) x 풍속( m/s )의 2승

상식에 기초하고, 풍력 발전에 이용할 때의 바람의 파워를 계산하려면, 단위 시간에 이용할 수 있는 바람의 분량을 정해야 합니다.
바람의 분량은, 바람이 통과하는 단면적, 바람의 빠름, 즉 풍속에 의해 구할 수 있습니다.
여기에서 말하는 단면적이란, 풍력 발전기의 Rotor가 바람을 받는 바람의 면적에 상당합니다. 상식에서의 바람의 질량은, 소정의 단면적을 단위 시간에 통과하는 공기의 질량이므로, 단면적( m^2 ) 와 공기 밀도( kg/m^3 ) 및 풍속( m/s ) 의 합에 의하여 나타내집니다.

바람의 질량( kg ) =단면적( m^2 ) ×공기 밀도( kg/m^3 ) ×풍속( m/s )

운동에너지의 법칙에 바람의 질량의 항목에 위에 공식을 대입하면, 아래와 같이 바람의 파워 공식이 얻어집니다.
(파워= 단위 시간의 에너지량을 의미합니다)



바람의 파워( W ) = ( 1/2 ) x 단면적( m^2 ) x 공기밀도( kg/m^3 ) x 풍속( m/s )의 3승

이 식이, 풍력 발전을 아는 데 있어서 가장 중요한 식이고, 풍력 발전에 challenge하는 것이면, 이 식의 의미를 이해해 놓을 필요가 있습니다.

1. 바람의 파워는, 단면적에 비례한다.
단면적이란, 풍력 발전기의 바람의 면적이며, Rotor의 바람의 면적과 같은 것을 의미합니다. 또 바람의 면적은, Rotor 직경의 2승으로 비례하기 때문에, 풍력 발전기의 Rotor 직경이 2배가 되면, 얻어지는 바람의 파워가 4배가 된다, 다고 하 것을 압니다.

2. 바람의 파워는, 공기 밀도에 비례한다.
공기 밀도는, 그 자리의 기압이나 공기 중의 수분량에 의해 변화합니다. 예를 들면 높은 곳에서는, 기압이 작아지기 때문에, 공기 밀도도 작아집니다. 전문적으로는, 기압이 낮고 위치가 높은 곳에 풍력 발전 시스템을 계획할 때에는, 공기 밀도 저하에 동반하는 풍차 출력 감소를 고려에 넣지만, 일반적인 위치에 있어서는, 대부분 마음에 두지 않아도 좋을 것입니다. 통상, 평지에서의 공기의 밀도는, 대체로 1.2( kg/m^3 ) 입니다.

3. 풍속의 3승으로 비례한다.
이 것은, 아주 중요합니다. 풍속의 3승으로 비례한다란, 풍속이 2배가 되면 바람의 파워는 8배로, 풍속이 3배가 되면 바람의 파워는 27배가 된다는 것을 의미하고 있습니다. 반대 생각하면 풍속이 절반으로 줄어들면 바람의 파워는 8분의 1이 된다는 것입니다.
따라서, 풍속 발생이 되는 즉시 바람의 파워가 크게 변동하고, 즉 풍력 발전기의 출력도 그것에 따라, 크게 변동한다고 하는 것을 이해할 수 있습니다.

결론 : 풍력 발전은 풍차의 직경에 2승에 비례하고, 풍속의 3승에 비례합니다.


2. 풍력 발전 효율

먼저 설명 항목에서, 바람의 에너지와 파워에 대해서 설명했지만, 그러면 실제로, 풍력 발전 시스템에서는, 어느 정도의 전기가 얻어지는 것인지에 대해서 생각해 봅니다.
바람의 에너지를 마지막으로 전기에너지로 변환하려면, 몇 단계가 있고, 각 단계에 있어서 loss가 생기기 때문에, 실제로 쓸만한 전기량은, 바람이 가지는 에너지의 일부가 됩니다.

우선, 바람의 에너지를 풍력 발전기의 braid에 의해 회전 운동에너지로 변환하는 효율에 대해서, 바람의 흐름이 가진 에너지를 100% 이용하려면, 바람이 가진 운동에너지가 제로로 끝나게 됩니다. 이것은 풍력 발전기에 의해 바람의 흐름을 완전히 막아버리기 때문에 바람이 갈 곳이 없어져 버립니다.
( 즉, 풍력 발전기에 바람이 일절 유입할 수 없는 상태가 됩니다).

또 반대 견지에서 생각하면, 전항의 설명과 같이, 바람의 에너지는, 풍속의 3승으로 비례하기에, 가능한 조금이라도 큰 풍속의 바람이 풍력 발전기를 통과하는 것이 바람직합니다, 이유는, 가능한 바람을 부드럽게 풍력 발전기의 후방에 받아 넘겨 줄 필요가 있습니다.

이러한 단순한 원리부터도, 어느 정도 바람을 후방에 에너지를 통과시켜 주는 것이 효율적이 되는 것인지, 비효율적인지는 정확히 좋은 포인트가 어느 것인지를 생각해 볼 필요가 있습니다.

이 것에 대해서 이론 적으로 해석하면, 바람 에너지를 운동에너지에 가장 효율 적으로 변환하려면, 풍력 발전기의 후방 쪽 풍속이 3분의 1에 저하하도록 한 경우에, 그 때의 최대 효율은, 약59.3%인 것이 증명되고 있습니다.
(이것을 벳츠의 법칙( 벳츠 한계 )라고 부르고 있습니다).

앞에서 말한 값은, 이론 적으로 제출된 이상적인 한계치이고, 실제의 풍력 발전기용 풍차에 있어서는, 20∼45% 정도의 에너지 변환 효율이 되고 있습니다.
일반적으로 고 효율형의 풍차는, 고속 회전형이 되기 때문에, 소음이나 수명, 안전성을 고려하는 경향이 있지만 폭넓은 풍속력에 유연한 성능을 발휘하는 목적 등에는 적절하지 않을 수 있습니다.
그러나 풍력발전기는 반드시 최대 효율만을 우선한 풍차 디자인이 채용될 수는 없습니다.

기타, 발전기나 송전 등에 의한 전기적인 효율, 회전력의 전달 등의 기계적 효율 등이 있지만, 이러한 에너지 효율(변환 효율이나 전달 효율)은, 대개80∼95% 정도와 앞에서 말한 풍차 효율과 비교하여 큰 값이 되게 설계되고 있습니다.

결론 : 풍력 발전에 의해 얻어지는 전기 에너지량은, 풍차가 받는 바람 에너지의 대강 10∼35% 정도입니다



3. 풍력 발전기의 기종 선정

설치 목적이나, 설치하는 장소의 환경, 예산 등의 조건을 판단 재료로서, 풍력 발전기의 기종을 선정합니다.

# 기종 선정

1. 설치 목적에 따른 기종 선정
풍력 발전 시스템을 설치하는 목적이, 구체적인 발전량을 필요로 하는 전원 설비인 것인지, 또는 발전량에 따라 전력 사용량을 조정하면서 사용하기 위한 것인 것인지, 혹은 심볼의 존재로서의 의미로 설치하는조형물인 것인지, 학술 연구 목적인 것인지…등등, 풍력 발전 시스템으로 대응하는 동기나 목적은 여러가지입니다.

설치 목적이, 순수한 전원 설비인 경우에는, 설치 환경이나 예산 조건이 허락하는 범위내에서, 할 수 있는 한 대형의 고출력, 고신뢰기를 선택하게 됩니다.

1. 대형의 독립 전원용 풍력 발전기: ( 제품은 다음에 표시합니다. )
2. 중형의 독립 전원용 풍력 발전기: ( 제품은 다음에 표시합니다. )

설치 목적이, 개인적인 취미 이용이고, 설치 작업도 포함시켜 자신이 DIY로 하려고 하는 경우에는, 자기의 능력에 따른 규모의 풍력 발전기나 팩키지 제품을 선정하게 됩니다.
1. 소규모의 풍력 발전기:
2. 패키지 제품:

설치 목적이, 발전 성능 그 자체에는 큰 구애됨이 없고, 심볼적인 존재로서의 기대가 큰 경우에는, 미풍에서도 잘 도는 듯한 풍력 발전기나 파워 어시스트 기능 딸린 것이 바람직합니다.
1. 미풍에서도 잘 도는 풍력 발전기:
2. 파워 어시스트 기능 딸린 풍력발전기:

설치 목적이, 풍력 발전에 관한 학술 연구인 경우에는, 연구 목적, 내용, 예산 즉시에 권유할 수 있는 풍력 발전기가 크게 다르지만, 통상은 쓸데없는 영향이나 간섭을 무시하기 위해, CPU나 자동제어 장치 등을 탑재하고 있지 않은 plain인 기종을 선정합니다.

또 시판 제품에 연구 목적을 위하여 판매되는 해당 제품이 없는 경우에는, 연구 목적으로 이용하기 위한 풍력 발전기를 신규로 설계, 제작하는 경우도 있습니다.

2. 설치 장소의 환경에 따른 기종 선정
풍력 발전기를 설치하는 장소가, 소음이 걱정이 되는 주택가이거나, 염해가 혹심한 해상 & 연안, 폭풍이나 빙설이 혹심한 고산 지대등 실제로 여러가지 있지만, 환경에 따른 기종을 선정하는 것이 필요합니다






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