풍력 발전의 미래 김정택 문연진 이으뜸 임동진 전명원.

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1 풍력 발전의 미래 김정택 문연진 이으뜸 임동진 전명원

2 INDEX 서론 국내 풍력 발전 보급 현황 국외 풍력 발전 보급 현황 풍력 발전 원리 및 구조 앞으로의 추세 결론

3 1. 서 론 왜 풍력발전인가? 화석 연료의 고갈에 대한 두려움→“에너지의 무기화” 무한한 에너지원
1. 서 론 왜 풍력발전인가? 화석 연료의 고갈에 대한 두려움→“에너지의 무기화” 무한한 에너지원 유가의 급등, 기후변화 협약 규제 친환경적 에너지원 지역 에너지원으로의 유리함

4 2. 국내 풍력 발전 보급 현황 국내 풍력에너지 잠재량 풍력 발전기 보급 현황 잠재량 : 1,069 TWh/year
현재 108 기 보급 : 발전용량 약 100 MW 영덕 풍력발전단지 : 24 기 x 1.65 MW 평창 회계 풍력발전단지 : 14 기 x 2 MW 두 곳에서 국내 풍력발전의 68% 담당 TWh = Tera Watt-hour (Tera = 10의 12승)

5 2. 국내 풍력 발전 보급 현황

6 2. 국내 풍력 발전 보급 현황

7 3. 국외 풍력 발전 보급 현황

8 3. 국외 풍력 발전 보급 현황 전세계 풍력 발전 비중(2003년 기준) 대륙별로 유럽이 73% 차지 전체 유럽 전력의
2.4% 를 풍력이 담당 육상 풍력 포화로 해 상 및 해외 진출 모색

9 3. 국외 풍력 발전 보급 현황 세계 시장에서 각국의 시장 점유율(2003년 기준)

10 3. 국외 풍력 발전 보급 현황 해양(Offshore) 풍력발전 해안에서 떨어진 10여m 깊이의 바다 위에 설치
스웨덴, 덴마크등 유럽에서는 90년대부터 시작하여 2000년말 현재 총 88기(설치용량 86MW)설치 국내에서는 서해안이 유망 후보지역

11 3. 국외 풍력 발전 보급 현황 [덴마크 Tuno 해양단지] [덴마크 Middelgrunden 해양단지]

12 4. 풍력 발전 원리 및 구조 수직축 풍력 발전기 장점 단점 Nacelle, 발전기 지상 에 설치 바람 방향에 관계없
이 운전 가능 단점 저효율 자가 시동 불가능 넓은 면적 요구

13 4. 풍력 발전 원리 및 구조 수평축 풍력 발전기 장점 단점 타워에 의한 풍속 손 실 없음 풍속 변동에 따른 피
로하중, 소음 적음 단점 요잉 시스템 필요 로터와 타워 충돌을 고려한 설계 요구 단점으로 언급된 요잉 시스템은 뒤에서 자세히 설명함

14 4. 풍력 발전 원리 및 구조 로터 블레이드(rotor blade) 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환
출력은 sweep area(= )와 비례 Blade 길이가 길수록 효율 증가 피치 각도 조절을 통해 출력 제어 풍력 발전기의 3대 요소 : 로터 블레이드, 나셀, 타워

15 4. 풍력 발전 원리 및 구조 나셀(nacelle) 풍력발전기의 심장부 로터에서 얻어진 회전력을 전기로 변환하는 모든 장치
나셀 – 발전기, 브레이크, 회전축, 요잉 시스템, 기어박스 등

16 4. 풍력 발전 원리 및 구조 1) Geared type nacelle
낮은 회전수의 로터와 높은 회전수의 발전기 사이를 기어로 연결 경제성 우수, 정속 회전 가능 대부분의 풍력 발전기에 적용되는 형태

17 4. 풍력 발전 원리 및 구조 2) Gearless type nacelle Gear 제거로 인한 비용 절감 가능
발전기 자체가 크고 가격이 높음

18 4. 풍력 발전 원리 및 구조 3) 요잉(yawing) 시스템 풍향 변화로 인한 요에 러 대응 및 긴급 상황
시 로터 회전 속도 감속 요에러(yaw error) : 로터 회전면과 풍향이 수직이 되지 않아 에너지 활용도가 떨어지는 현상

19 3. 풍력 발전 원리 및 구조 4) 발전기(generator) 로터의 회전력으로 전기를 발생
발전 효율, 전기 품질을 결정하는 중요 요소

20 4. 풍력 발전 원리 및 구조 - 동기 발전기 로터의 회전속도와 자기장의 회전속도 동일 평균 풍속이 일정한 곳에만 설치
정전시에도 단독 발전 가능 발전기 자체의 가격이 높음     로터의 회전속도와 자기장의 회전속도가 같은 형태의 발전기로써 평균풍속이 일정한 장소에 설치할 경우 일정전압 및 주파수 유지가 용이하며 상용전원 정전시에도 단독 발전이 가능하다. 전압, 주파수, 위상을 상용전원에 맞추어 자동동기 투입장치를 투입하므로 계통선의 전압강하 등에 미치는 부정적인 영향을 최소화 하였다. 여자전류에 의해 발전기 역률 조정이 가능하므로 역률 개선용 콘덴서 장치의 설치가 불필요 하다.     그러나 회전기 본체 및 제어장치가 복잡하여 발전기 자체의 가격이 고가이고 상용전원 변동에 의한 발전기의 과전류 소손 방지용 자동 역률조정 장치기 필요하다. 풍차의 피치제어를 조금만 하여도 일정한 풍차의 회전속도를 유지할 수 있는 곳 즉, 평균풍속이 연중 거의 일정한 곳에 한정적으로 설치가 가능하다 • 일반 권선형 동기발전기 : 전력변환장치에 의한 가변속 정전압 정주파수 변환이 가능하며, 다극기에 의해 기어 없는 발전기로 이용된다. • 영구자석 동기발전기 : 높은 출력밀도를 가진 영구자석을 사용함 으로써 넓은 운전 범위와 고효율을 가지게 되며, 이를 통해 발전기의 경량화가 가능하고, 기어가 없기 때문에 하부구조 경량화가 가능하다.

21 4. 풍력 발전 원리 및 구조 유도 발전기 1500 rpm 이상의 속도에서 회전자에 강한 전류가 유도되는 성질을 이용
신뢰성이 좋고 구조가 간단하여 가격 저렴 기어를 사용해 1500 rpm 항상 유지해야 함 발전기의 회전자가 동기 속도인 1500RPM을 넘어 섰을 때 로터의 속도가 자기장의 회전속도보다 빨라지게 되는데, 이때 회전자에 강한 전류가 유도되는 성질을 이용한 발전기로써 신뢰성이 뛰어나며, 구조가 간단하기 때문에 동기식 발전기보다 가격이 저렴하며, 정속 회전 방식에 사용되는 발전기 이다. 그러나, 기어를 사용해 동기 속도인 1500RPM을 유지해야만 하는 단점이 있으며, 종류로는 농형 유도 발전기, 권선형 유도 발전기, 영구자석형 유도 발전기 등이 있다. • 농형 유도발전기 : 동기발전기에 비해 기계적인 특성이 우수하며, 싸이리스터를 이용할 경우 제어가 간단하고 시스템의 하드웨어를 최소화 할 수 있어 경제적으로 유리하다. 따라서 최근에 풍력발전 시스템으로 확대 적용 추세이다. 계통선과 연계운전을 할 경우 여자전류를 계통에서 공급받아야 하기 때문에 역률이 저하되고 단독전원으로 사용할 경우 고정자에 병렬로 여자용 콘덴서를 부착하여 운전해야 하는데, 이 때 부하에 따라 전압과 주파수가 변동하므로 안정된 전원으로서의 사용이 곤란하다. • 권선형 유도발전기 : 제주지형에서와 같이 가변 풍속이 특징인 곳에 설치 가능하며 동기발전기에 비해 기계적인 특성이 우수하다. 권선형 유도기의 회전자에 인버터를 연결하여 풍속변화에 추종하므로써 발전전압의 주파수 및 유·무효전력 제어를 실현하였다. 회전자측의 전류를 제어하므로써 고정자측의 유·무효전력을 자유자재로 제어할 수 있어 계통선의 역률제어가 가능하다. 하지만 브러쉬 마모에 의한 정기적인 유지보수가 필요하다.

22 4. 풍력 발전 원리 및 구조 타워(Tower) 풍력 발전기를 지탱해주는 구조물 타워 10m당 약 15000$ 의 비용 소모
타워의 총 비용과 풍속의 이익과의 관계를 고려하여 높이를 결정 강파이프식 격자구조 Guyed Pole 혼합형

23 4. 풍력 발전 원리 및 구조 땅의 거칠기와 발전기 높이
지상 100m 높이에서 바람이 12m/s으로 불면, 숲의 경우에 지상 약 70m부터 풍속이 10m/s 이상이나, 바다의 경우 지상 약 45m부터 10m/s 이상이다. 풍속 10m/s에서 출력 100kW를 내는 발전기가 있다면 숲에서는 기둥(Tower)의 높이가 약 70m이어야 되고 해안에서는 그림과 같이 약 45m 이면 100kW의 출력을 얻을 수가 있다. 즉, 장해물이 많은 곳보다 바다나 평지처럼 뚫린 곳에서 발전기 높이가 낮으므로 발전기 설치가 보다 유리하다

24 4. 풍력 발전 원리 및 구조 풍력과 출력의 관계식(베츠, A. Betz) 출력계수의 최대값 : 0.59
풍속이 10 % 감소하면 출력은 30 % 감소

25 4. 풍력 발전 원리 및 구조 DeWind社의 D6(1MW)
로터 브레이드(rotor blade)에 작용되는 힘이 허브(hub)를 통해서 회전력(모멘트,moment)으로 바뀐다. 모멘트는 사무실 문을 여는 원리와 같다. 문고리를 잡아당기면 문이 회전하면서 열리는 것이다. 매우 무겁고 큰 문의 경우 문을 열기 위해서 많은 힘이 가해지기에 경칩을 튼튼한 것을 써야 한다. 이와 같은 원리로 허브는 매우 견고하게 만들어 진다. 허브를 통해서 모멘트는 회전축 (rotor shaft)에 전달된다. 그림에서 회전축의 직경이 매우 크고 견고한 것을 알 수가 있다. 이렇게 중량의 회전축과 허브, 로터는 두 개의 베어링을 통해서 네이셀(nacelle)에 고정된다. D6의 경우 허브와 로터 브레이드의 무게가 18톤이다. 기어박스(gearbox)를 통해서 회전수가 약 54배 빨라진 후, 모멘트는 발전기로 전달된다[9]. 그림에서 기어박스 다음에 브레이크도 볼 수가 있다. 네이셀은 기둥과 연결되어 있지만 바람의 방향에 따라서 돌아갈 수가 있도록 설계되어 있다.

26 4. 풍력 발전 원리 및 구조 허브(hub) : blade에 가해지는 bending moment 때문에 주조 제작
허브(hub) 회전축(rotor shaft) 허브(hub) : blade에 가해지는 bending moment 때문에 주조 제작 회전축(rotor shaft) : 베어링에 의해 고정됨

27 4. 풍력 발전 원리 및 구조 기어박스(gear box) : 회전축에서 입력된 회전수를 발전 에 적합한 회전수로 전환
기어박스(gear box) 브레이크(rotor brake) 기어박스(gear box) : 회전축에서 입력된 회전수를 발전 에 적합한 회전수로 전환 브레이크(rotor brake) : disk 방식 사용

28 4. 풍력 발전 원리 및 구조 발전기(generator) : 효율을 높이기 위해 두 가지의 회전 속도를 가진 발전기 설치
발전기(generator) 유압장치(hydraulics) 발전기(generator) : 효율을 높이기 위해 두 가지의 회전 속도를 가진 발전기 설치 유압장치(hydraulics) : 브레이크나 팁 스포일러 사용시 유압의 힘 이용

29 5. 앞으로의 추세

30 5. 앞으로의 추세 단위 toe kl, t, ㎥, kwh 등 여러가지 단위로 표시되는 각종 에너지원들을 원유 1톤이 발열하는 칼로리(cal)를 기준으로 표준화한 단위. 1TOE는 원유 1t(7.41 배럴)의 발열량 1,000만kcal가 기준이 되며 석탄 1.55톤, 천연 가스 1,150㎥에 해당된다.

31 6. 결론 대체에너지의 필요성 국내 풍력발전 전망 하나의 대안으로서 풍력에너지 환경적 요구 뒤늦은 시장 진입으로 기술력 미흡
기술과 산업에 대한 전망 불투명 현재 진행중인 프로젝트의 성과여부가 관건

32 참고 자료 논문 : 김종민, Institut für Luft- und Raumfahrt, Technische Universität Berlin 웹사이트 : (Korea Wind Energy Development Organization, 산업자원부) (에너지관리공단)