풍력이야기

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풍력발전기의 기본원리 및 구조

  • 관리자 (kwecf)
  • 2021-08-24 10:02:00
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안녕하세요! 한국풍력문화재단입니다.

태풍이 지나가고 비가 조금씩 잦아들고 있는데요,

우천 시에는 계곡, 야산 캠핑 등 야외 활동에서 사고가 일어나기 쉬우니 유의하시길 바랍니다.

 

 

 

풍력발전기의 기본원리 및 구조

 

 

 

이전에 업로드했었던 '풍력이란 무엇일까?'에 이어서 

오늘은 풍력발전기의 기본원리 및 구조에 대해서 알아보겠습니다.

 

혹시 풍력의 기본 개념에 대해서 알고 싶으신 분들은

이전 게시글인 '풍력이란 무엇일까?'를 한번 더 보시는 것을 추천드립니다.

 

아래 카드뉴스 같이 보시겠습니다.

 

 

풍력발전기의 종류

 

 

 

풍력발전기 회전축을 기준으로 수평축 풍력발전기와 수직축 풍력발전기로 구분됩니다.

 

수평축 풍력발전기는 타워가 높아지면 양질의 풍황자원을 획득할 수 있고, 효율이 높기 때문에 대형 풍력발전기에 주로 사용됩니다.

다만, 바람의 방향에 영향을 받기 때문에 요잉시스템을 통해 풍력발전기를 바람의 방향에 맞춰주는 것이 필요합니다.

 

반면 수직축 풍력발전기는 풍향의 영향을 덜 받고 유지보수 시 접근성이 우수하다는 장점이 있으나

에너지 변환 효율이 수평축 풍력발전기에 비해 낮아 주로 소형 풍력발전기에 사용됩니다.

 

여기에 더해 풍력과 태양광 발전을 함께 할 수 있는 하이브리드 형태의 발전기도 존재합니다.

 

그렇다면 풍력발전기는 어떤 원리로 발전을 하는지, 한번 알아볼까요?

 

 

풍력발전기의 발전원리

 

 

 

풍력발전기의 발전원리는 위의 그림과 같습니다.

 

이해하기 쉬우시도록 간략하게 설명하면

바람을 에너지를 받은 블레이드(날개)가 회전하면

블레이드와 발전기를 연결하는 회전축이 돌아가며 발전기를 가동, 전기를 생산하는 원리입니다.

 

 

이를 위해 풍력발전기 내부는 정밀한 기계 부품들로 구성되어있는데 어떤 구조인지 알아보겠습니다.

 

 

풍력발전기의 구조 1

 

 

 

주요 구성품으로는 타워, 블레이드, 회전축, 주축, 증속기, 발전기, 요잉시스템, 피치시스템이 있습니다.

 

타워가 풍력발전기를 지지하고, 외부에 노출되어있는 블레이드가 바람을 받아 이를 운동에너지로 변환해 전력 생산을 위해

나셀 안의 축을 통해 증속기, 발전기 등으로 연결해줍니다.

 

위에서 설명드렸듯이 수평축 풍력발전기는 풍향의 영향을 많이 받는데요,

바람의 에너지를 최적으로 전달할 수 있도록 나셀을 회전하고

블레이드 각도를 조절하는 요잉시스템과 피치시스템의 역할 또한 매우 중요합니다

 

물론 이 외에도 무인운전과 원격지제어를 위한 컨트롤 시스템과 모니터링 시스템도 구축되어있습니다.

 

 

풍력발전기는 크게 증속기가 있는 기어드 타입과 증속기가 없는 기어리스 타입으로 나눌 수 있는데요.

아래의 이미지를 보며 어떤 부분이 다른지, 장단점은 무엇인지 함께 알아보시죠!

 

 

풍력발전기의 구조 2

 

 

 

기어드 타입은 가볍고 운송이 쉽기때문에 설치비가 적다는 장점이 있습니다.

주로 산지에 육로로 운송해야하는 육상풍력이 기어드 타입의 풍력발전기를 많이 사용합니다.

그러나 기어박스에 고장이 발생할 확률이 있고, 기어를 유지관리하는 과정에서의 리스크가 발생할 수 있습니다.

 

반면 기어리스 타입은 발전효율이 높고 유지보수 부담이 적다는 장점이 있습니다.

그러나 증속기가 없는 만큼 더 크고 무거운 발전기를 사용해야하기 때문에 단가가 상승하고 운송 시 제약이 발생할 수 있습니다.

그렇기 때문에 해상으로 운송하고 유지보수가 어려운 해상풍력에 적합합니다.

 

이번에는 해상풍력 하부구조물의 형태를 알아보겠습니다.

 

 

해상풍력 하부구조물의 형태 1

 

 

풍력발전기 하부구조물 중 고정식 하부구조물은 

모노파일 타입, 트라이포드 타입, 자켓 타입, 중력기반구조 등이 있습니다.

 

모노파일 타입은 제작과 설치가 용이하지만, 피로하중으로 인한 파괴, 부식으로 인한 환경문제가 발생할 수 있습니다.

트라이포드 타입은 대용량 터빈을 사용하며 저항성이 우수하고 구조가 양호하지만, 경제성이 낮습니다.

자켓 타입은 지반처리를 최소화하고, 소구경 파일을 쓰지만 피로하중으로 인한 파괴가 발생할 수 있습니다.

중력기반구조는 파일이 불필요하지만 지반처리가 필요하며 대규모 공사가 요구됩니다.

 

일반적으로 모노파일과 자켓타입의 하부구조물을 많이 사용하고 있습니다.

 

 

또한 최근 새롭게 주목받고 있는 구조가 있는데요, 바로 부유식 해상풍력발전기입니다.

함께 알아보시죠!

 

 

해상풍력 하부구조물의 형태 2

 

 

 

부유식 해상풍력은 해저면에 구조물을 완전히 고정시키지 않아도 되기 때문에

수심이 깊은 먼 바다에 설치가 가능하다는 큰 장점이 있습니다.

 

풍력발전을 하는데 가장 중요한 요인은 양질의 바람입니다.

즉 풍력발전기를 제대로 활용하려면 바람이 더 잘 부는 먼 바다로 가는 것이 유리하다는 뜻입니다.

 

하지만 깊은 바닷속에서는 하부구조물을 지면에 고정하는 것에 한계가 있어 새로운 방법이 필요했고, 

부유식 해상풍력발전이 그 해답으로 떠올랐습니다.

 

주상형은 안정성이 있지만 초대형 해상작업선이 필요합니다.

반잠수식은 육상제작 후 해상이동이 용이하지만 높은 제작비를 요구합니다.

인장계류형은 안정성이 우수하지만 실증 사례가 적습니다.

 

아직까지는 해상풍력이 활성화되지 않았으나 유럽에서 시범 단지가 운영되고 있으며,

우리나라에서도 울산시에서 적극적으로 부유식 해상풍력단지 조성을 추진하고 있으므로 

향후에는 더 먼 바다에서 부유식 해상풍력단지에서 깨끗한 에너지를 생산할 수 있을 것으로 보입니다.

 

 

오늘은 풍력에너지의 발전원리, 구조 그리고 종류에 대해 알아봤는데요!

풍력과 관련된 여러 내용들을 다룰 예정이오니, 앞으로도 많은 관심 부탁드립니다.

다음 포스팅에도 여러분들께 도움이 되는 정보들로 돌아오도록 하겠습니다.

 

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풍력발전기의 발전원리, 구조 그리고 종류

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