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[창의적설계] 풍력에너지

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레포트 > 공학계열
2010.01.27
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소개글

[창의적설계] 풍력에너지에 대한 자료입니다.

초록(Abstract)
서론(Introduction)
본론(Result and Discussion)
바람의특성
기본적인 풍차의 디자인
풍차의 이론적인 효율과 실제의 효율
풍력발전의 개요
풍력발전의 이점 및 한계
풍력발전기의 구조
풍력발전기의 이용현황
*. 기술 개발 및 동향
*. 풍력발전 특허 출원 추세 및 예시
결론(Conclusion)
참고문헌 및 조사기관
그림 및 표 출처

본문내용

[본론(Result and Discussion)]

1. 바람의 특성

바람은 위도 및 지리적인 특성에 의해 태양의 복사에너지가 대기를 불균일하게 가열시킴으로써 대기의 압력 구배차가 발생하여 생기게 된다. 풍속은 지표면, 해면 또는 지형지물 등과의 마찰로 인하여 달라지는데, 지상으로부터의 높이에 따라 대기권은 저층(지표면에서부터 2m까지), 하부 마찰층(2~100m), 상부 마찰층(100~1,000m), 자유대기층(1000m 이상)으로 구분할 수 있다.
지상 높이에 따른 풍속의 변화는 일반적으로 다음의 식으로 표시된다.

여기서 는 의 높이에서 측정된 풍속을 나타내며, 는 높이 에서의 풍속이고 은
마찰계수를 나타낸다. 일반적으로 는 10m로 주어지고, 은 지표면의 거칠기 정도에 따라 바다나 모래사장 같은 매끄러운 지표면( =0.1)에서 나무가 많은 숲이나 도심의 빌딩과 같은 매우 거친 지표면( =0.24~0.4) 사이의 값을 갖는다.
바람은 순간적으로 속도 및 방향이 바뀌는 가변적인 에너지원 이므로 이러한 가변성을 특성화 하고 있으며, 측후소 또는 공항에서는 시간별로 측정하여 정리한 풍속자료를 이용하여 풍속특성을 예측하기 위하여 통계적인 방법으로 많이 사용되고 있다. 정해진 한 장소에서의 풍속 특성은 거의 변하지 않고 반복되는 특성을 가진 것으로 알려져 있기 때문에 연간 측정된 풍속자료를 이용하여 풍속특성을 결절하여 풍속변화를 예측할 수 있으며 이를 통해 풍력밀도 등을 결정할 수 있다.
풍속특성을 분석하는 데 가장 많이 사용되는 분포는 레일리(Rayleigh)분포와 웨이불(Weibul)분포가 있으며 확률밀도함수로써 나타낸다. 레일리 분포에서 확률밀도함수 는 다음과 같다.

여기서 는 예상되는 풍속을 나타내며, 는 연간 평균풍속을 나타낸다. 레일리 분포는 변수가 뿐이기 때문에 사용이 간편하다는 장점이 있으나 연간 평균풍속이 4.5m/sec 이하인 경우에는 정확도가 매우 낮다.
풍속특성을 표현하는 다른 분포로서 웨이불 분포가 있으며, 웨이불 분포에서 확률밀도함수 는 다음과 같다.

여기서 는 예상되는 풍속이고 는 척도계수로서 연간 평균풍속의 크기에 비례하는 상수이고, 는 형상계수로서 편차의 크기를 나타내는 상수이다. 웨이불 분포는 레일리 분포와는 달리 결정해 주는 변수가 2개로 비교적 정확도도 높아 풍속특성을 결정하는데 많이 사용된다.

2. 기본적인 풍차의 디자인

풍력시스템에서 풍력에너지를 기계적인 에너지로 바꾸어 주는 장치를 풍차라 한다. 풍차의 디자인은 바람방향에 대한 풍차의 회전축의 방향에 따라 수평축 풍차와 수직축 풍차로 구분된다.
수평축 풍차의 대표적인 예로는 프로펠러형 풍차를 들 수 있다. 프로펠러형 풍차는 항공기의 프로펠러와 유사한 형태의 풍차로서 효율이 높고 회전 속도가 빠르기 때문에 주로 발전용으로 많이 사용된다. 프로펠러형 풍차는 바람이 풍차 날개를 통과할 때 발생하는 양력에 의해 구동되며, 풍차의 회전 속도는 날개의 붙임각과 회전면적비에 따라 매우 민감하게 변한다., 풍력시스템의 정격출력은 설계풍속에 의해 결정되며, 설계 풍속 이상의 바람이 풍차를 통과할 때는 풍차의 회전속도가 과도하게 증가하여 풍차가 파손된다. 이와 같은 파손 및 과 회전을 방지하기 위하여 수평축 풍차에서는 안전장치를 필요로 한다.
수직축 풍차는 로터(Rotor)가 수직축에 장착되어 있으며 가장 많이 사용되는 풍차는 다리우스(Darrieus)풍차와 사보니우스(Savonius)풍차를 들 수 있다. 날개의 구부러진 형태는 로프의 양 끝을 잡고 회전시켰을 때 발생하는 형태를 취하고 있으며 이러한 형태로 인하여 풍차가 회전할 때 날개의 전단력이 발생하지 않고 인장력만 작용하므로 구조적으로 안전하다는 장점이 있다. 풍차 회전 시 날개에서 발생하는 양력은 풍차의 회전각에 따라 방향이 바뀌기 때문에 날개 단면은 보통 개칭에어포일(symmetrical airfoil)을 사용한다. 다리우스풍차는 양력에 의해 구동되므로 효율이 높고 회전속도가 빠르기 때문에 발전용으로 많이 사용되고 있다. 하지만 다리우스 풍차는 시동토크가 적어 스스로 시동하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 사보니우스 풍차는 오목부분과 볼록 부분을 엇갈리게 접합한 형태로 항력을 이용한 풍차의 한 형태이다. 저속성능이 좋아 적은 동력을 얻기에 적당하며, 수직축 이므로 풍향추적 장치가 필요 없어 시스템이 간단하나 단위 마력 당 중량이 무겁다는 단점으로 인하여 큰 동력을 얻기에는 적합지 않다.

참고문헌

1.한국화학공학회, “에너지공학”,교보문고 1996 (p440~p448)

2.“에너지공학의 기초”, 2003년 8월, 이광식 외 4명 著, (p.182~196)

3.풍력핵심기술연구센터(http://wtrc.kims.re.kr/)

4.케이알(풍력발전시스템전문업체)(http://kr.krglobal.co.kr/)

5.에너지관리공단(http://www.kemco.or.kr/)

6.특허정보검색서비스(http://www.kipris.or.kr)

7.한국에너지기술연구원(http://www.kier.re.kr/)

8.한신에너지디엔피(http://www.hanshindnp.com/)

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