신재생 에너지 (Renewable Energy) 제4장 풍력에너지(Wind Energy)

풍력에너지 또는 풍력발전 : 바람을 이용하여 기계적인 동력 또는 전기를 생산하는 과정을 잘 표현 풍력터빈 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 산에 설치된 풍력터빈 발전단지

바람 (wind) 온도 차이에 의한 공기순환 Coriolis 힘 그림 4.2 바다 표면온도의 적외선 사진 (NASA 위성인 NOAA-7이 1984년 7월에 촬영) Coriolis 힘

지구의 바람 표 4.1 지배적인 바람 방향 그림 4.3 NASA 위성인 GOES-8이 촬영한 지구의 사진 위도 북위 90～60˚ 북위 60～30˚ 북위 30～0˚ 남위 0～30˚ 남위 30～60˚ 남위 60～90˚ 방향 북동 남서 남동 북서 그림 4.3 NASA 위성인 GOES-8이 촬영한 지구의 사진

지구 자전에 의한 바람 (Geostrophic wind) : 대류권, 지구 자전에 의한 바람, 표면 바람 (surface wind) 국부적 바람 : 해풍, 육풍, 산 바람(mountain wind) 산바람 해풍

바람에너지 풍력터빈의 입력동력 : 바람의 힘이 회전자 (rotor) blade에 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

그림 4.5 바람이 우측에서 좌측으로 불어올 때, 바람의 운동에너지 일부를 획득하기 위한 장치 (3엽 풍력터빈과 기타 기계적 장치)

그림 4.6 바람의 속도에 대한 에너지 변화

수직축 풍력터빈(Vertical Axis Wind Turbine) 헬리콥터 형태의 Darrieus 모델 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 그림 4.7 100 m의 로터 직경을 갖는 4,200 kW급 수직축 Darrieus 풍력터빈 (캐나다 퀘벡주 Cap Chat에 위치)

수평축 풍력터빈(Horizontal Axis Wind Turbine) 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 3엽 풍력터빈 : upwind 터빈 2엽 풍력터빈 : downwind 터빈 그림 4.8 수평축 풍력터빈의 사용 예

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 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

풍력터빈의 내부구조 탑 (tower) 풍속계 (anemometer) 바람방향 (wind direction) 풍향기 (wind vane) 좌우요동 구동장치 (yaw drive) 좌우요동 모터 (yaw motor) 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)

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

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 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

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 그림 4.14 바람의 세기에 따른 풍력에너지의 비용 그림 4.13 에너지별 발전비용 (출처 : 미국 캘리포니아 주 에너지 위원회)

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 시야 (visual) 충격 회전자의 조류 충돌

풍력에너지의 역사 BC 5000, 풍력에너지는 나일강을 따라 배를 항해하는데 사용 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 @ 48 km/h - 2차 세계대전 중 수개월 동안에 지역 전기공급망에 전기를 공급 그림 4-15 Grandpa's Knob의 현판

그림 4.16 20세기 초에 Great Plains (미국과 캐나다 Rocky 산맥 동쪽의 대고원 지대)에서 사용된 풍차 => 물을 급수하고 전기를 생산

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 50 m 고도 80 m 고도 그림 4.17 50 m 고도에서 최근 5년간 우리나라 연평균 풍력자원 지도

그림 4.18 미국의 연간 풍력 자원과 풍력 등급

해외 풍력에너지 이용 현황 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

국내 풍력에너지 이용 현황 2007년에 자체 생산한 750 kW와 1.5 MW급 풍력터빈이 국내시장에 출시 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 그림 4.20 제주 행원풍력발전시범단지 풍차날개 하나 : 최대 27 m 1998년 8월부터 한전에 전력공급 현재 15기, 전체발전용량 10 MW 관광명소

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) => 14,000 MW(2030년 목표)

표 4.2 국내 풍력발전 운영현황 2008년 12월 기준 번호 발전소 용량 (kW) 사업자 설치위치 1 행원풍력 9,795 제주도 제주 행원 2 울릉도 풍력 600 경상북도 경북 울릉 3 포항풍력 660 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 강원 태백 8 영덕풍력 39,600 경북 영덕 9 강원풍력 98,000 10 신창풍력 1,700 제주 신창 11 양양풍력 3,000 중부발전 강원 양양 12 고리풍력 750 한수원 부산 고리 13 태기산풍력 40,000 포스코건설 강원 횡성·평창 합계 14개소, 146기, 232,445 kW

풍력에너지의 연구·개발 회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상 그림 4.21 풍력터빈 정격용량의 개발방향 및 성장 회전자의 혁신 : 회전자의 설계 향상 - 익형(airfoil)의 새로운 설계, 회전자가 더 유연하게 허브에 부착되는 방법, 블레이드의 생산공정 향상

드라이브트레인 (drive train; 기어박스, 발전기, 전력변환) 그림 4-22 곡면 기본 비틀림 동조 그림 4-23 비틀림-플랩 동조된 블레이드 설계 (재료 근간의 비틀림 동조) 능동제어(active control) 탑의 높이 증가 드라이브트레인 (drive train; 기어박스, 발전기, 전력변환) 그림 4.24 Clipper Windpower사의 다축-구동-경로 기어박스 (multiple-drive-path gearbox)

기본적인 공기역학 연구 : 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics) 공기역학적인 향상장치 : 와류생성기 (vortex generator) 그림 4.25 NACA 0012 블레이드 주위의 공기흐름에 관한 컴퓨터 모사 결과 그림 4.26 비행기 날개에 장착된 와류 생성기

해양풍력터빈 기술 그림 4.27 2002년 완공된 덴마크의 Horns Rev 최대 해양풍력발전단지