풍력발전이란?

풍력발전

풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기력학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성 요소로는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치(gear box), 발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성된다.

아래 연구자료를 참조하세요.

http://madang.ajou.ac.kr/~suduk/content/ef05.pdf

발전량을 계산하려면 날개면적을 계산해야 하며, 날개면적에 받는 힘을 알 수 있으면, 힘을 일량으로 다시 계산하고, 다시 열량으로 환산합니다.

그리고 전력으로 환산하면 전력량이 나옵니다.

날개에 미치는 힘= 유속 * 날개 면적 = kg.m .sec(일량)

일량* 427kgf/ kcal = kcal (열량)

열량 *860 kcal/kw= kw (전력량) * 효율 = 발전가능한 전력

다른방법으로

풍량은 회전수에 비례하며 풍압은 유속으로 바꿔 동력은 회전수 3승에 비례입니다.

동력은소요 동력이지만 역으로 계산으로 생산동력이 될 수도 있습니다.

예를 들어 풍력발전기 3kw짜리를 설치하면

3kW 란 것이 평균출력인지 아님 최대 출력인지는 모르지만 풍력또는 태양전지와 같이 동력이 일정하지 않은 발전장치는 그냥사용은 힘들고 반드시 중간에

충전장치가 필요합니다. 즉 풍력발전기 -> 충전장치 -> 밧데리 -> 인버터(직류에서 220V교류를 만듬) 의 장치가 필요합니다.

이때 사용가능한 최대전력은 풍력발전기에 의해 결정되는 것이 아니라 밧데리 용량과 인버터용량에 의해 결정됩니다.

만약 평균적으로 시간당 3kW정도의 전력을 생산할수 있는 풍력발전기라면

한달에 2160kWH 가 되고 이정도면 일반가정 5~10세대는 사용가능한 전력입니다.

하지만 최대 출력전력이 3kWH라면 계산이 힘듭니다. 설치장소,풍속,동작가능시간등등을 모두 고려해야 합니다.

바람의 속도는 풍력발전기 설치장소의 바람 특성으로 결정되는데 (10m/s)정도를 기준으로 하며 바람의 양을 결정하는 것이 풍차날개의 단면적이고, 풍차날개의 직경에 따라 달라지는 것입니다.

세계적으로 가장 많은 수평축 3날개형 기준으로 직경 30m의 크기일때 200-400Kw 정도됩니다.

직경이 크면 출력은 더커지고, 직경이 작으면 출력은 급격히 감소하기 때문에 대형으로 제작합니다.

풍차나 수차 즉 터빈의 특성에서 얻는 출력산출은 (E = M * V<2 * D<3)으로 유량(M)에 비례하며 속도(V)의 자승에 비례, 직경(D)의 3승에 비례하는 특성을 가지므로, 고속의 유체와 대형장치입니다.

동일한 바람에서 큰 출력을 얻고, 설치가 쉽고 유지보수가 쉽고 안전한 풍력터빈이 필요합니다.

빅뱅GTS기술원에서는 동일한 바람에서 2배의 출력을 얻는 풍력발전용 터빈을 개발 완료했습니다.

상세한 신재생에너지기술과 터빈의 특성은 홈페이지(http://www.bigbangtb.com)를 참조 바랍니다.

원리와 시스템 구성

풍력발전기는 바람이 지니고 있는 에너지를 우리가 유용하게 사용할 수 있는 전기에너지로 바꿔주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력발전기의 날개를 회전시키게 된다. 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이다. 구체적으로 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다.

날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시킨다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.

시스템의 분류

풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍차와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍차로 구분된다. 수평축 풍차는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용할 수 있지만 그 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다

현재 국내에는 풍력발전소가 3군대 운영중에 있습니다.

풍력발전소라 함은 상업적인 목적으로 풍력발전을 하는 곳을 말하며 경북 영덕의 영덕풍력, 제주 한경의 남부발전, 제주도 행원에서 운영중에 있습니다.

제가 현재 국내 현황에 대하여 말씀드리는 것은 신재생에너지 발전소의 경우 시설용량(발전기용량)을 이용하여 산술적으로 전력이 산출되는 것이 아니라 자연환경에 맞추어 이용되므로 평균이용율을 고려해야하기 때문입니다.

현재 국내 실적을 살펴보면 평균 23~28%의 이용률로 가동되고 있습니다.

풍자원의 경우 3가지 요소가 중요한데 풍밀도, 풍향, 풍속에 관련된 사항이므로 3가지 요소를 고려하였을때 평균 이용이 23~28%를 나타내는 것입니다.따라서 질문하신 400W 의 풍력발전기의 경우는 400[w] * 24 [hour/day] * 0.23~0.28 = 2208~2688 [wh/day]로 계산됩니다.

날개 에 미치는 힘= 유속 * 날개 면적 = kg.m .sec(일량)

일량* 427kgf/ kcal = kcal (열량)

열량 *860 kcal/kw= kw (전력량) * 효율 = 발전가능한 전력

풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기력학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성 요소로는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치(gear box), 발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성된다.

 

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다. 또한 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 일반적으로 발전 방식에 따른 소요 면적은 풍력 1,335 m2/GWh, 석탄 3,642 m2/GWh, 태양열 3,561 m2/GWh 그리고 태양광 발전 3,237 m2/GWh로서 풍력 발전이 가장 작은 면적을 필요로 한다.

 

풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200 kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000 kWh의 전력을 생산한다면 약 120-200 톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO2는 2-3.2 톤, NOx는 1.2-2.4 톤, CO2는 300-500 톤, 슬래그(slag)와 분진(ash)은 16-28 톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160 - 280 kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다.

 

풍력 발전 시스템의 발전 단가는 설치 지역의 풍력 자원에 따라 달라지나 현재 운전되고 있는 미국의 대규모 풍력 단지들은 약 750 $/kW의 시스템 설치비와 약 5 ￠/kWh 내외의 발전 단가를 나타내 기존 발전 방식과 경쟁 가능한 수준이다. 또한 계속적인 투자와 기술 개발이 병행되면 풍력 발전은 15년 안에 3.9 ￠/kWh의 단가 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 

풍력발전 관련 기술은 이미 실용화 단계이기 때문에 요소 기술 개발보다는 풍력 발전기의 저가화와 대형화 및 보급 확대에 치중하는 경향이다. 많은 국가에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있으며 1994년말까지 세계적으로는 약 3,7600 MW 용량의 풍력 발전기를 설치하여 연간 약 45억 kWh이상의 전력을 생산하고 있다. 1994년 한해 동안에도 약 611 MW 용량의 풍력 발전기가 새로 설치되었으며, 인도의 경우에는 1995년도에 235.5 MW 규모의 풍력 단지를 건설할 계획이다.

 

현재 가장 많은 풍력 발전기가 운전되고 있는 국가는 미국, 독일, 덴마크 순으로서 미국의 경우 캘리포니아의 대규모 풍력 단지를 중심으로 1993년에는 연간 30억 kWh의 전력을 생산하여 캘리포니아 전체 전력수요의 1.2% 정도를 공급하였고, 1994년에는 약 35억 kWh의 전력을 생산하였다.

 

국내의 기술 개발 현황은, 1단계 대체 에너지 기술 개발사 업으로 전국 64개 기상청 산하 기상 관측소의 통계 자료와 도서 및 내륙 일부 지역의 측정 자료를 이용한 풍력 자원 특성 분석이 우리 연구소에 의해 이루어 졌으나 지역적 조건에 크게 영향을 받는 풍력 자원의 특성 때문에 아직 기초 통계 자료의 정비가 미흡한 실정이다. 따라서 앞으로 풍력 발전 유망 지역에 대한 풍력자원의 정밀한 평가와 풍력 단지 건설에 대한 타당성 평가 사업이 지속되어야 한

풍력 발전기 개발은 한국과학기술연구원이 1단계 대체 에너지 기술 개발 사업으로 20kW급 수평축 풍력 발전기의 국산화를 시도하였고, 2단계 사업에서는 복합 재료 전문 업체인 한국화이바(주)가 다리우스형(Darrieus) 수직축 300 kW급 풍력 발전기를 개발하여 시운전을 시도하여 본 결과에 의하면 성능과 신뢰성의 확보가 충분하지는 못하였으나, 본격적인 기술 개발의 계기가 되었다.

풍력발전의 국산화와 병행하여 이용 기술을 개발하기 위한 목적으로 한국에너지기술연구소가 이미 신뢰도가 확립된 외국의 풍력 발전시스템의 도입과 국내 시스템운용기술을 접목시켜 제주 월령에 100 kW급 및 30 kW급, 20kW급 풍력 발전기를 여러기 설치해 가동하고 있으며, 계통 연계형 풍력 발전기의 이용 기술 개발과 성능과 운전 특성에 대한 각종 측정과 분석 작업을 수행하고 있다.

http://k.daum.net/qna/view.html?qid=3sDx5&q=풍력발전

http://www.hansenergy.co.kr/

http://www.unison.co.kr/