풍력터빈 : 정의, 유형 및 작업

 

풍력 터빈이란?

풍력 터빈은 풍력의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 풍력 터빈은 수평 축 또는 수직 축으로 다양한 크기로 제조됩니다.

"풍력 에너지"와 "풍력 발전"이라는 용어는 모두 바람이 기계식 에너지나 전기를 생산하는데 사용되는 과정을 설명합니다. 이 기계적 전력은 특정 작업(예: 곡물 연삭 또는 펌핑 수)에 사용하거나 발전기가 이 기계적 전력을 전기로 변환할 수 있습니다.

풍력 터빈은 비행기 날개 나 헬리콥터 로터 블레이드처럼 작동하는 로터 블레이드의 공기 역학적 힘을 사용하여 풍력 에너지를 전기로 변환합니다. 바람이 블레이드 위로 흐르면 블레이드의 한쪽에 있는 기압이 감소합니다. 발전기의 회전에 공기 역학적 힘을 변환하면 전기가 생성됩니다.

블레이드의 양면 사이의 기압의 차이는 리프트와 드래그를 모두 만듭니다. 리프트의 힘은 드래그보다 강하며 이로 인해 로터가 회전합니다. 로터는 직접(직접 구동 터빈인 경우) 발전기 또는 샤프트와 일련의 기어(기어박스)를 통해 발전기에 연결되어 회전 속도를 높이고 물리적으로 더 작은 발전기를 허용합니다. 공기역학적 힘을 발전기 회전으로 변환하면 전기가 생성됩니다.

 

풍력 터빈의 역사

그리스 엔지니어이자 수학자인 알렉산드리아의 헤론(Heron)은 1세기에 윈드 휠을 사용하는 초기 기록을 만들었습니다.

윌리엄 큐빗은 1800년대 초에 자체 규제 풍차 항해를 발명한 영국의 엔지니어이자 발명가였습니다. 다니엘 할라데이 "미국 풍차의 아버지"는 1854년에 자율주행 윈드 펌프를 발명했습니다. 그의 버전은 아르헨티나, 남아프리카 공화국, 뉴질랜드에서 볼 수 있습니다.

1887년 스코틀랜드의 제임스 발스 교수는 전기 발전용 최초의 섬유 항해 풍력 터빈을 건설했습니다.

클리블랜드 오하이오의 찰스 F. 브러쉬는 1888년 기어박스로 미국 최초의 대규모 풍력 터빈을 건설했습니다. 1890년대, 덴마크의 발명가이자 과학자인 폴 라 코트(Paul La Court)는 풍차의 공기역학과 전기 에너지를 배터리에 저장하는 방법을 연구했습니다. 그는 안정적인 전원 공급 장치를 생산하기 위해 규제 기관을 발명했습니다.

윌리엄 헤론메스는 "현대 풍력 에너지의 아버지"이자 풍력 터빈 어레이, 풍력 선박, 풍력 용광로 및 1960년대 후반 해양 플로틸라 아이디어의 발명가인 그는 미래의 에너지 위기를 정확하게 예측하고 대규모로 비전을 가지고 있었습니다.

베스타스와 지멘스 풍력 에너지는 전 세계적으로 풍력 터빈의 상당한 점유율을 공급하는 덴마크 제조업체입니다.

 

풍력터빈은 어떻게 작동할까?

풍력 터빈은 전기를 생산하기 위해 전기를 사용하는 대신 풍력 터빈을 사용하여 전기를 생산합니다. 바람은 발전기를 회전시키는 로터 주위의 터빈의 프로펠러 모양의 블레이드를 회전하여 전기를 생성합니다.

풍력 터빈 블레이드는 바람에 부딪힐 때 회전합니다. 그리고 대부분의 터빈의 블레이드가 초당 3~5m의 풍속으로 회전하기 시작하는 등 강한 바람이 불 필요는 없습니다.

풍력 터빈 위에 있는 상자 모양의 구조인 나셀의 샤프트를 회전시키는 것은 이 비틀림 동작입니다. 그런 다음 nacelle에 내장된 발전기는 회전 하는 샤프트의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 그런 다음 전압을 향상시키는 변압기를 통과하여 내셔널 그리드에서 운반하거나 로컬 위치에서 사용할 수 있습니다.

단일 주택의 마이크로 터빈에서 거대한 해상 풍력 발전 단지에 이르기까지 모든 풍력 터빈은 동일한 메커니즘을 사용하여 전기를 생성합니다.

 

풍력 터빈은 얼마나 많은 전기를 생산할 수 있을까?

대부분의 육상 풍력 터빈은 매년 600만 킬로와트시(kWh) 이상의 전기를 생산할 수 있는 2-3메가와트(MW)의 출력을 가지고 있습니다. 이는 평균 약 1,500가구의 전기 수요를 충당하기에 충분합니다. 바람이 불수록 어느 정도 전기가 생성됩니다. 풍속이 두 배가 되면 최대 8배 더 많은 전기가 생성됩니다. 그러나 바람이 너무 강하면 터빈이 가동을 중단하여 손상을 방지합니다.

이 모든 것은 풍력 터빈이 최대 에너지량을 생산하는 능력은 풍력에 따라 달라질 수 있음을 의미합니다. 풍력 발전 단지는 일 년 내내 안정적인 풍속이 있는 장소에 있는지 확인하기 위해 신중하게 계획되어 있습니다. 이것은 일반적으로 열린 공간이 많은 언덕 의 꼭대기와 해안 위치에 있습니다. 이 때문에 콘월과 스코틀랜드와 같은 장소에는 꽤 많은 풍력 발전 단지가 있습니다.

 

풍력 발전의 효율

풍력 터빈은 일반적으로 30-45%의 효율을 가지며 피크 타임에는 50%로 증가합니다. 이것이 조용히 들린다면 터빈이 100% 효율적이라면 터빈을 통과한 후 바람이 완전히 떨어질 것이라는 점을 명심하십시오. 영국 풍력 터빈은 70-80%의 전기를 생산하여 일 년 내내 전기 공급원이 됩니다.

 

 

풍력 터빈의 내부

Anemometer

풍속을 측정하고 풍속 데이터를 컨트롤러에 전송합니다.

블레이드

바람이 불때 리프트와 회전을 통해 로터가 회전합니다. 대부분의 터빈에는 2개 또는 3개의 블레이드가 있습니다.

브레이크

비상 시 로터를 기계적, 전기적 또는 유압적으로 중지합니다.

컨트롤러

시속 8~16마일(mph)의 풍속으로 기계를 시작하고 약 55mph의 속도로 기계를 차단합니다. 터빈은 강풍에 의해 손상될 수 있기 때문에 약 55mph 이상의 풍속에서 작동하지 않습니다.

기어박스

저속 샤프트를 고속 샤프트에 연결하고 회전 속도를 분당 약 30-60 회전(rpm)에서 약 1,000-1,800rpm으로 증가시킵니다. 이것은 전기를 생산하는 대부분의 발전기에 필요한 회전 속도입니다. 기어박스는 풍력 터빈의 비용이 많이 드는(무거운) 부분이며 엔지니어들은 낮은 회전 속도로 작동하고 기어박스가 필요하지 않은 "직접 구동" 발전기를 탐험하고 있습니다.

발전기

60사이클 AC 전기를 생산합니다. 그것은 일반적으로 기성 유도 발전기입니다.

고속 샤프트

발전기를 구동합니다.

저속 샤프트

약 30-60 rpm에서 저속 샤프트를 켭니다.

Nacelle

타워 꼭대기에 앉아 기어박스, 저속 및 고속 샤프트, 발전기, 컨트롤러 및 브레이크가 포함되어 있습니다. 일부 나셀은 헬리콥터가 착륙 할 수 있을 만큼 큽니다.

피치

회전(또는 피치) 블레이드가 바람에서 회전하여 로터 속도를 제어하고 로터가 너무 높거나 너무 낮은 바람에 회전하여 전기를 생산하지 못하게 합니다.

Rotor

블레이드와 허브가 함께 로터를 형성합니다.

타워

관 강철 (여기에 표시), 콘크리트, 또는 강철 격자로 만든. 터빈의 구조를 지원합니다. 높은 타워를 통해 풍속이 높아짐에 따라 터빈이 더 많은 에너지를 포착하고 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다.

바람 방향

터빈의 설계를 결정합니다. 여기에 표시된 터빈과 같이 풍력 터빈은 풍력 터빈이 바람을 맞고 터빈을 마주치게 됩니다.

윈드 베인

바람 방향을 측정하고 바람과 관련하여 터빈을 제대로 방향을 지정하기 위해 yaw 드라이브와 통신합니다.

yaw 드라이브

방향이 변경될 때 바람을 마주하도록 터빈을 올려줍니다. 바람이 수동으로 로터를 날려 버리기 때문에 다운윈드 터빈은 yaw 드라이브가 필요하지 않습니다.

yaw 모터

yaw 드라이브에 전원을 공급합니다.

 

풍력 터빈의 종류

수평 축 터빈

수평 축 터빈은 항공기 프로펠러와 같은 블레이드를 가지고 있으며 일반적으로 3 개의 블레이드가 있습니다. 가장 큰 수평 축 터빈은 20층 높이의 건물이며 길이가 30미터가 넘는 블레이드가 있습니다.

블레이드가 길어지면 더 높은 터빈이 더 많은 전기를 생성합니다. 현재 사용 중인 거의 모든 풍력 터빈은 수평 축 터빈입니다.

 

수직 축 터빈

수직 축 터빈에는 수직 로터의 상단과 하단에 블레이드가 부착되어 있습니다. 1931년 디자인을 특허 받은 프랑스 엔지니어 조르주 다리우스의 이름을 따서 명명된 다리리우스 풍력 터빈의 가장 일반적인 유형인 수직 축 터빈은 거대한 2날개 달걀 노커처럼 보입니다.

수직 축 터빈의 일부 버전은 높이가 100피트, 너비는 50피트입니다. 수평 축 터빈뿐만 아니라 작동하지 않기 때문에 오늘날 사용되는 수직 축 풍력 터빈은 거의 없습니다.

 

▣ 수직 풍력 터빈의 종류

1) 다리우스 풍력 터빈

"Agbutter" 터빈 또는 다리우스 터빈은 프랑스의 발명가 인 조르주 다리우스의 이름을 따서 명명되었습니다. 효율성이 뛰어나지만 타워에 커다란 토크 잔물결과 순환 응력을 일으키므로 신뢰성이 떨어지지 않습니다. 시작 토크가 매우 낮기 때문에 일반적으로 일부 외부 전원 또는 추가 Savonius 로터가 회전을 시작해야합니다. 토크 리플은 3개 이상의 블레이드를 사용하여 최소화되어 로터의 용해도가 높아집니다.

밀도는 로터 영역으로 나눈 블레이드 영역에 의해 측정됩니다. 새로운 다리우스 형 터빈은 남성 전선에 의해 보유되지 않지만 외부 상부 구조를 가지고 있습니다. 상단 베어링에 연결되어 있습니다.

 

2) 지로밀 풍력 터빈

곡선 블레이드와는 달리 다리우스 터빈의 하위 유형이 직선입니다. 사이클 터빈 변화는 토크 비트를 줄이기 위한 가변 피치를 가지며 자체 시동됩니다.

 

3) 사보니우스 풍력 터빈

이들은 발적계, 평탄제 통풍구 (일반적으로 버스 및 밴 지붕에서 볼 수 있음) 및 일부 고신뢰성 저효율 전력 터빈에 사용되는 두 개 이상의 스쿱을 가진 드래그 형 장치입니다. 적어도 3 스쿱이 있는 경우 항상 자기 시작입니다.

트위스트 된 사보니아스는 부드러운 토크를 제공하기 위해 긴 헬리칼 특종으로 개조 된 풍미입니다. 그것은 종종 지붕 장착 풍력 터빈으로 사용되며 선박에 맞게 조정되었습니다.

 

4) 병렬 풍력 터빈

병렬 터빈은 크로스플로우 팬 또는 원심 팬과 유사합니다. 그것은 접지 효과를 사용합니다. 이러한 유형의 수직 축 터빈은 수년 동안 시도되어 왔습니다. 10kW를 생산하는 유닛은 1980년대 이스라엘 풍력 예보자 브루스 브릴에 의해 지어졌습니다.