신재생에너지 () (Wind Energy)
바람 (wind) : 태양에너지의한형태 - 태양에의한대기의불균일한가열 - 지구표면의불규칙성 - 지구의자전과공전으로인하여생성풍력에너지또는풍력발전 : 바람을이용하여기계적인동력또는전기를생산하는과정을잘표현풍력터빈 - 바람의운동에너지 => 기계적인동력 ( 곡식의제분, 물의양수 ) - 바람의운동에너지 => 기계적인동력 => 전기생산 그림 4.1 미국 California 주 San Bernandino 산에설치된풍력터빈발전단지
바람 (wind) 온도차이에의한공기순환 그림 4.2 바다표면온도의적외선사진 (NASA 위성인 NOAA-7 이 1984 년 7 월에촬영 ) Coriolis 힘
지구의바람 표 4.1 지배적인바람방향 위도북위 90~60 북위 60~30 북위 30~0 남위 0~30 남위 30~60 남위 60~90 방향북동남서북동남동북서남동 그림 4.3 NASA 위성인 GOES-8 이촬영한지구의사진
지구자전에의한바람 (Geostrophic wind) : 대류권, 지구자전에의한바람, 국부적바람 : 해풍, 육풍, 산바람 (mountain wind) 표면바람 (surface wind) 해풍 산바람
바람에너지 풍력터빈의입력동력 : 바람의힘이회전자 (rotor) blade에작용하는토크 ( 회전력 ) 로변환 바람이회전자에전달하는에너지의크기 : 공기의밀도, 회전자면적, 바람의속도 P V ρ P = 1 V 2 ρ πr 3 2 : 바람의동력 [W], : 공기의밀도 1.225 [kg/m3] ( 해표면에서의대기압, 15 C) r : 바람의속도 [m/s], : 회전자의반경 [m] 바람을굴절시키는풍력터빈. 유선형관, 회전자전방과후방에서의공기압력분포, 하류에서일어나는현상
그림 4.5 바람이우측에서좌측으로불어올때, 바람의운동에너지일부를획득하기위한장치 (3 엽풍력터빈과기타기계적장치 )
그림 4.6 바람의속도에대한에너지변화
수직축풍력터빈 (Vertical Axis Wind Turbine) 헬리콥터형태의 Darrieus 모델 회전자축이지면에대해수직으로회전 바람의방향과관계없이운전 바람추적장치인요잉운동장치가필요없음 구조가간단하고시스템가격이저렴 수평축풍력터빈에비해에너지변환효율이현저히낮음 회전자의진동문제큼 상용화된대용량시스템전무 그림 4.7 100 m 의로터직경을갖는 4,200 kw급수직축 Darrieus 풍력터빈 ( 캐나다퀘벡주 Cap Chat에위치 )
수평축풍력터빈 (Horizontal Axis Wind Turbine) 회전자축이지면에대해수평으로회전 바람에너지를최대로얻기위한바람추적장치필요 시스템구성이복잡 가장안정적인고효율풍력터빈 세계풍력발전시장의대부분을차지 3 엽풍력터빈 : upwind 터빈 2 엽풍력터빈 : downwind 터빈 그림 4.8 수평축풍력터빈의사용예
그림 4-9 3.6 MW 급 GE 의풍력터빈 표 4-2 3.6 MW 급 GE 풍력터빈 3.6 sl 의기술적사양 작동데이타 로터 정격용량 3,600 kw 로터블레이드개수 3 엽 최소정지풍속 3.5 m/s 로터직경 111 m 최대정지풍속 17 m/s 만곡면적 9,677 m 2 정격풍속 14 m/s 로터속도 ( 가변 ) 8.5 15.3 rpm
풍력터빈의내부구조 풍속계 (anemometer) 블레이드 (blade) 브레이크 (brake) 제어부 (controller) 기어박스 (gear box) 발전기 (generator) 고속축 (high-speed h shaft) 저속축 (low-speed shaft) 낫셀 (nacelle) 피치 (pitch) 회전자 (rotor) 탑 (tower) 바람방향 (wind direction) 풍향기 (wind vane) 좌우요동구동장치 (yaw drive) 좌우요동모터 (yaw motor)
독립전원형 (Stand Alone Type) 생산된전력을사용자에게직접공급하는방식 저장장치 ( 축전지 ) + 보조발전설비 ( 디젤발전기또는태양광 ) => 복합적으로사용하는형태 기존상용전력선이없는도서지역, 산간벽지의전원공급, 등대나통신장비의전원용 그림 411 4.11 독립전원형발전시스템의전력공급개념
계통연계형 (Grid Connection Type) 기존상용전력선 + 풍력터빈을병렬로연결하여운전 시스템의대형화단지화가가능 대규모풍력발전단지 (wind farm 또는 wind park) 로육성 풍력터빈 1 기 (1,500 kw) X 20 기 = 30 MW 급풍력발전단지 저전압, 중전압, 고전압으로구분되어기존의전력선에연계 변압기 (transformer), 계통연계장치등이부가적으로필요 그림 412 4.12 계통연계형발전시스템의전력공급개념
풍력에너지의장점 바람이라는연료를사용하는청정에너지원 ( 공기오염 X, 배기가스, 온실가스 X) 고갈되지않는자원 설치비, 유지 보수비외에추가의비용이필요치않음 기술의발전으로발전단가는석탄화력, 가스발전과거의비슷해짐 그림 4.13 에너지별발전비용 ( 출처 : 미국캘리포니아주에너지위원회 ) 그림 4.14 바람의세기에따른풍력에너지의비용
풍력에너지의단점 높은초기투지비 바람이간헐적이고전기가필요한곳에바람이항상불지않는다. 바람이많은지역은도시로부터멀리떨어져있다. 밧데리를사용하지않으면저장할수없다. 모든바람이전기가필요한때를맞추어서이용될수없다. 회전자블레이드에의한소음 시야 (visual) 충격 회전자의조류충돌
풍력에너지의역사 BC 5000, 풍력에너지는나일강을따라배를항해하는데사용 BC 200, 갈대직물날개를한수직축풍차로곡식제분 ( 페르시아, 중동 ) 단순풍차로물을급수 ( 중국 ) 11 C, 풍차를개량하여호수와라인강삼각주의배수시적용 ( 독일 ) 19 C 후반, 농장과목초지에물을급수하는데사용 ( 미국개척자 ) 1891 년풍력발전기의효시 : 덴마크의 Poul La Cour 이개발한풍력발전기 => 가정용과산업용전기를생산하는데이용 Grandpa s Knob : 1940 년대제일큰풍력터빈 - 미국 Vermont 주언덕의정상에서작동되기시작 - 125MW 1.25 출력 @48k km/h - 2 차세계대전중수개월동안에지역전기공급망에 전기를공급 그림 4-15 Grandpa's Knob 의현판
그림 4.16 20 세기초에 Great Plains ( 미국과캐나다 Rocky 산맥동쪽의대고원지대 ) 에서사용된풍차 => 물을급수하고전기를생산
풍력에너지의자원가능성 바람은가장중요한요소, 지역적조건에크게영향을받는다. 우리나라는해안선이길어세계에서도풍력발전용바람이많은나라중의하나 세계풍력발전개황 : 연평균풍속이초속 5.6 m 이상인지역 - 우리나라, 북미의동북부해안, 남미의동단, 북구지역, 아시아의동북구해안, 일본, 히말라야고산지역 경제성있는바람의세기는초속 4 m 이상 : 제주도, 동, 서, 남해안지역 50 m 고도 80 m 고도 그림 4.17 50 m 고도에서최근 5 년간우리나라연평균풍력자원지도
그림 4.18 미국의연간풍력자원과풍력등급
해외풍력에너지이용현황 2008 년 4 월현재, 세계에보급된풍력발전규모총 100 GW ( 전체전기소비량의 1.3 % 를풍력으로생산 ) 그림 4.19 풍력발전의세계보급규모및전망
국내풍력에너지이용현황 2007년에자체생산한 750 kw와 1.5 MW급풍력터빈이국내시장에출시 2 3 MW 풍력터빈은개발중이며, 향후2 3년에걸쳐운용시험예정 2007년현재, 우리나라에전체설치된풍력발전용량 : 총 193 MW 풍력을이용한전체전기출력 399 GWh( 국가전기수요의 0.1% 를풍력이담당 제주도, 전남무안, 경북포항, 강원도등에서운용중 중 대형급풍력터빈의블레이드, 기어장치, 발전기, 전력변환장치, 제어장치들의개발이진행중 그림 4.20 제주행원풍력발전시범단지 풍차날개하나 : 최대 27 m 1998년 8월부터한전에전력공급 현재 15기, 전체발전용량 10 MW 관광명소
한경풍력발전단지 : 한국남부발전 ( 주 ) - 북제주군한경면해안에 21 MW 의발전용량 대관령강원풍력단지 (2006 년완공되어운영중 ) -2 MW 풍력터빈 49 기를설치 ( 총 98 MW 규모 )=> 연간 244,400 MWh 의 전기를생산 영덕풍력발전단지 (2005 년완공되어운영중 ) - 1,650 kw 급풍력터빈 24 기를설치 ( 총 39.6 MW 규모 ) => 연간 96,680 MWh 의전기를생산 2008 년 12 월기준 14 개소, 146 기, 232 MW 에이른다. 2004 년, 산업자원부 제 2 차신재생에너지기술개발및이용 보급기본계획 => 풍력사업단구성 - 기술개발강화, 실용화기반조성, 보급활성화 - 2012 년국내총발전설비용량 2,250 MW => 8,000 MW(2020 년 ) => 14,000 MW(2030 년목표 )
표 4.2 국내풍력발전운영현황 2008 년 12 월기준 번호발전소용량 (kw) 사업자설치위치 1 행원풍력 9,795 제주도제주행원 2 울릉도풍력 600 경상북도경북울릉 3 포항풍력 660 경상북도경북포항 4 전북풍력 7,900 전라북도전북군산 5 한경풍력 21,000 남부발전제주한경 6 대관령풍력 2,640 강원도강원평창 7 매봉산풍력 6,800 강원도강원태백 8 영덕풍력 39,600 영덕풍력경북영덕 9 강원풍력 98,000 강원풍력강원평창 10 신창풍력 1,700 제주도제주신창 11 양양풍력 3,000 중부발전강원양양 12 고리풍력 750 한수원부산고리 13 태기산풍력 40,000 포스코건설강원횡성 평창 합계 14 개소, 146 기, 232,445 kw
풍력에너지의연구 개발 그림 4.21 풍력터빈정격용량의개발방향및성장 회전자의혁신 : 회전자의설계향상 - 익형 (airfoil) 의새로운설계, 회전자가더유연하게허브에부착되는방법, 블레이드의생산공정향상
그림 4-22 곡면기본비틀림동조 그림 4-23 비틀림- 플랩동조된블레이드설계 ( 재료근간의비틀림동조 ) 능동제어 (active control) 탑의높이증가 드라이브트레인 (drive train; 기어박스, 발전기, 전력변환 ) 그림 4.24 Clipper Windpower 사의다축 - 구동 - 경로기어박스 (multiple-drive-path gearbox)
기본적인공기역학연구 : 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics) 그림 4.25 NACA 0012 블레이드주위의공기흐름에관한컴퓨터모사결과 공기역학적인향상장치 : 와류생성기 (vortex generator) 그림 4.26 비행기날개에장착된와류생성기
해양풍력터빈기술 그림 4.27 2002 년완공된덴마크의 Horns Rev 최대해양풍력발전단지