풍력발전 시스템

풍력발전이란

풍력발전 시스템은 바람의 운동에너지를 회전에너지로 바꿔 전기를 얻는 설비다.

바람이 날개를 돌리고, 그 회전이 발전기를 돌려 전기를 만든다.

출력계수와 주속비가 로터 설계와 운전 제어를 결정하는 기본 변수다.

출력계수

출력계수는 바람이 가진 동력 중 로터가 실제로 뽑아낸 비율이다.

분자는 터빈 출력, 분모는 바람이 회전면에 가진 전체 출력이다.

출력계수에는 이론상 상한이 있다. 베츠 한계 16/27, 약 0.593이다.

전부 뽑으면 뒤쪽 흐름이 막히므로 실제로는 일부만 뽑을 수 있다.

주속비

앞 문제의 답은 계산 단위와 입력값을 다시 확인하는 것이다.

주속비는 날개 끝 접선 속도와 풍속의 비다. 날개 끝 속도는 ωR이다.

주속비가 너무 작으면 바람이 날개 사이로 빠져 에너지를 적게 받는다.

너무 크면 날개 끝에서 소음과 원심력이 커진다. 그래서 최적 주속비가 있다.

3날개 고효율 터빈은 주속비를 6~7 근처로 운전하는 것이 일반적이다.

계산 예제

이제 주어진 값으로 계산해 본다. 로터 지름 30m, 풍속 16m/s, 회전수 50rpm이다.

발전기 출력 800kW를 효율 0.95로 나누면 회전자 축출력 약 842.1kW다.

회전면적은 πD²/4로 구하며 약 706.9m²다.

바람 동력은 1/2 ρ A V³로 구하며 약 1,771kW다.

다음 장면에서 이 값으로 출력계수와 주속비를 구한다.

결과 정리

축 출력 842.1kW를 바람 동력 1,771kW로 나누면 출력계수가 나온다.

그 값은 약 0.476이다. Betz 한계 0.593보다 작아 상식 범위에 있다.

회전 속도 5.236rad/s에 반지름 15m를 곱하면 날개 끝 속도 78.5m/s다.

주속비는 날개 끝 속도를 풍속으로 나눈 값이라 약 4.91이다.

고효율 3날개 주속비 6~7보다 낮아, 이 풍차는 최적보다 낮게 운전되고 있다고 판단한다.

헷갈리는 점

시험에서 자주 틀리는 것은 출력계수와 효율을 같은 개념으로 쓰는 것이다.

주속비를 회전수만으로 설명하면 안 되고, 로터 반지름을 반드시 포함해야 한다.

Betz 한계 0.593을 넘는 값이 나오면 계산 단위와 입력값부터 다시 확인하자.

정리하면 출력계수는 바람 동력 대비 추출 동력의 비다. 주속비는 날개 끝 속도와 풍속의 비다.

정답 확인

정답은 8배다. 바람 동력은 풍속의 세제곱에 비례하기 때문이다.

풍속이 2배가 되면 출력은 8배가 되므로 입지 선정의 기준이 된다.