1. 개요

(1) 원리

• 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술

(2) 특징 및 시스템 구성

• 풍력이 가진 에너지를 흡수, 변환하는 운동량변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며 각 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 수행

- 기계장치부

· 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching & Yawing System등의 제어장치부문으로 구성

주) Gearless형은 Gearbox 없음

- 제어장치부

· 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing & Pitching Controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케 하는 Monitoring System 으로 구성

주) Yaw Control : 바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절

주) 풍력발전 출력제어방식

- Pitch Control

· 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어

- Stall(失速) Control

· 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어

(3) 풍력발전시스템 분류

○ 회전축방향에 따른 구분

[수직축 발전기]

[수평축 발전기]

• 풍력발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분

- 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있음

- 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받음

- 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축도 사용됨

○ 운전방식에 따른 구분

[Geared형 풍력발전시스템]

[Gearless형 풍력발전시스템]

○ 기어형 및 기어리스형 특성

• 기어형

- 대부분의 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 풍력발전시스템에 해당되며 유도형 발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장착되어 있는 형태임

- 증속기(Gear Box :적정속도로 변환)필요, Inverter 불필요

- 정속 : 발전기 주파수를 올려 한전계통에 적합한 60Hz 맞춤

- 대부분 정속운전 유도형 발전기 사용

- 유도형 발전기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치 장착

- 회전자→기어증속장치→유도발전기(정전압/정주파수)→한전계통

• 기어리스형

- 대부분 가변속 운전동기형(또는 영구자석형) 발전기기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태임

- 가변속 : 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 Inverter 필요

- 가변속운전 동기형(또는 영구자석형) 발전기 사용

- 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어장치 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태임

- 발전효율 높음(단독 운전의 경우 많이 사용되나 유도발전기보다 비싸고, 크기도 큰 단점있음)

- 회전자(직결)→동기발전기(가변전압/가변주파수)→인버터→한전계통

○ 기어형 및 기어리스형 풍력시스템의 구성

• 기어형

- 회전자 → 기어증속장치 → 유도발전기(정전압/정주파수) → 한전계통

• 기어리스형

- 회전자(직결) → 동기발전기(가변전압/가변주파수) → 인버터 → 한전계통

○ 기어형 및 기어리스형의 비교분석

• 기어형

- 장점

· 저렴한 제작비용으로 고신뢰도의 동력전달계 구성 가능함

· 장기간의 기술적 노하우와 경험을 바탕으로 신뢰도가 매우 높음

· 보편적 요소기술로서 어느 지역에서도 설계제작이 가능한 보편기술임

· 유지보수가 용이하며 부분품의 교체로서 쉽게 성능유지가 가능함

· 계통연계가 간편하고 용이한 기술적 특성을 지님

- 단점

· 증속기어의 기계적 마모나 이에 따른 유지관리상의 문제야기 될 수 있음

· 기계적 소음발생의 원인이며, 고장발생의 주요원인이 될 수 있음

· 통상 전체시스템의 운전수명인 20년 보다 짧은 8∼10년 이내의 운전수명을 지님으로써 유지관리 비용의 상승을 초래함

· 저출력시 추가적인 보상회로에 의한 역률개선이 필요하게 됨

• 기어리스형

- 장점

· 증속 기어장치등 많은 기계부품을 제거할 수 있음

· 넛셀(nacelle) 구조가 매우 간단 단순해져 유지보수상의 간편성 증대

· 증속기어의 제거로 기계적 소음의 획기적 저감

· 역률제어가 가능하여 출력에 무관하게 고역률 실현가능함

- 단점

· 매우 크고 무거우며 제작비용이 많이 들어가는 다극형 링발전기가 필요함

· 다극형 동기발전기 공극이 외기에 노출되어 염해나 먼지 등의 부유물에 영향을 받을 수 있으며, 전기적 절연성에 있어서의 안전성 확보가 절대 필요함

· 중량이 큰 발전기를 외팔보 형태로 지지해야 하는 구조적 문제가 있음

· 장기적 입장에서 인버터 등 전력기기의 신뢰도에 대한 검증이 되지 않음

· 인버터 등 전력기기의 계통병입으로 고주파 등을 발생할 가능성이 있음

※ 증속기종류 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어

· Geared Type, 정속운전, 유도발전기에 사용

· 약 30rpm정도로 회전하는 풍차날개 끝의 속도는 음속의 2배 이상을 넘기 때문에 60HZ인 경우에 극수에 따라 1,200rpm에서 3,600rpm사이에서 회전하는 발전기와 직접연결 된다면 시스템에 미치는 영향은 상상하기 힘듦

· 또한 발전기의 극수를 늘리면 발전기 회전수를 풍차날개의 회전수의 정도로 낮출 수 있지만, 발전기 회전자의 질량은 거의 토오크와 비례하기 때문에 발전기 무게가 매우 무거워 지며, 극수가 늘어남에 따라 가격도 비싸짐

· 따라서 일반적으로 느린 회전수에 큰 토오크를 가진 풍력에너지를 빠른 회전수에 작은 토오크를 지닌 발전기에 사용하기 위해서는 동력전달장치로 증속기를 사용함

· 소형 풍력발전기 : 마찰원판, 벨트, 체인, 기어 사용

· 기어타입 : 평기어 많이 사용

· 대형 풍력발전기 : 치차를 많이 사용

· 동력전달 효율이 좋으며, 내구성 큼

· 기어타입 : 헬리컬기어(helical gear) 많이 사용, 용량이 커짐에 따라 고속회전운동이 원활하고 충격에도 잘견디며, 소음이나 진동발생 적음

○ 풍력발전 출력제어방식

• Pitch Control

- 날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어(경사도 조절장치는 유압으로 작동. 장기간 운전시 유압장치실린더와 회전자간의 기계적 링크부분의 손상이 우려되며, 빠른 풍속변화시 순간적 피크발생으로 시스템손상우려)

• Stall(失速) Control

- 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전량생산 및 기계적 링크가 없어 유지보수 수월 (피치각에 의한 능동적 출력제어가 불가능하여 과출력 가능성이 존재하며, 제동효율 좋지못함. 복잡한 공기역학 설계 필요)

<출처> 에너지관리공단 신재생에너지센터