풍력 발전기 설계 이해

[윈드로즈]

오늘 모처럼 시간이 있어 간략히 풍력 발전기에 관한 사항을 정리하여 올림니다 회원님들 참조 하십시요.

나중에 시간이 허락하는 대로 브레이드 부분에 대해 제가 알고 있는 부분을 정리하여 올리겠습니다.

1. 에너지와 파워의 차이

 1)Energy : 양(quantity)을 말하며 단위는 kwh( 풍력발전기에서 생산하는 전력량)

 2)Power : 정격(Rate)을 말하며 단위는 Kw, MW (풍력발전기 정격 용량 즉 마력을 말함)

2. 에너지와 파워의 관계

 force = mass*scceleration  F=ma(파운드)

 energy= work(w)=force(F)*distance(d) (kwh, joules,BTU 등등)

 power = P=W/time(t)( wk,풍력발전기 3kw 등등 표기)

 power = Torque(Q)* Rotational Speed(표기 난이 : 옴과 비숫)

* 풍력발전기 능력은 Power 임

3. 운동에너지(kinetic Energy in the Wind)

 운동에너지(kwnetic energy) = Work = 1/2 *m* V의 2승( m= mass of moving object)

 공기를 움직이는 힘 = density(밀도)*volume(Area*distance : 날개 회전면적 * 거리)

                              = 밀도*브레이드면적*거리(풍력 회전 반경)

                              = (kg/m의3승)*(m2)(m)

                              = Kg

4. Power in the Wind

   power = work/t

              = Kinetic energy/t

              = 1/2 m V의자승/t

              = 1/2(밀도*브레이드회전면적*거리)*풍속의 자승/t

              = 1/2*공기밀도*브레이드면적*풍속 자승(거리d/t)               d/t = V와 같다

              = 1/2*공기밀도*브레이드면적* 풍속의 3승

   정리 : Power in the Wind = 1/2*공기밀도*브레이드면적* 풍속의 3승

               브레이드면적 : A= 파이*R의 자승(m2)

   결론 : 풍력발전기가 발전을 많이하려면 일단은 공기밀도가 높고( 북극이나 겨울) 날개가 크고(회전면적이큼) 바람이

            강한곳이 좋음( 제주도, 서남해안 , 해상풍력 등등)

          즉 파워 계수가 커야 함

5. 예제- Calculating power in the Wind

    Power =1/2*공기밀도*브레이드면적* 풍속의 3승 에서

    만약 V(풍속) = 5 meters(m) per second(s) :   m/s

           밀도 = 1.0 kg/m의3승

           브레이드 반지름 : 0.2 m-------라면 =3.14*0.2*0.2= 0.125 m2

          power = 1/2*밀도*브리이드면적*풍속3승

                    = (0.5)*(1.0)*(0.125)*(5*5*5)---------- 만약 풍속 10 m/s라면 : 0.5*1.0*0.125*10*10*10

                    = 7.5 Watts                                                                = 62.5 W( 풍력에 관심을 두는이유)

                                                                              바람이 배로 늘어나며 전력생산량은 8배로 커짐

                                                                              (대형 발전, 설치장소 선택,하늘높이 설치,해양선호)

          즉 풍속 5m/s에서 날개 길이가 0.2m의 풍력발전기는 7.5 W의 전기를 생산함

          단위 정리

              Units = (kg/m3)*(m2)*(m3/s3)

                      = (kg-m)/s2*m/s

                      = N-m/s = Watt

6. Wind Turbine Power

 Power form a wind Turbine Rotor = Cp * 1/2 * 밀도 * A * 풍속3승( 풍력발전기의 중요 공식)

  - Cp : 파워계수( percentage of power in the wind : mechanical energy)

     Cp 구하는 공식은 복잡하여 생략 했음( 베츠 계수 : 16/27= 59.23을 넘기기는 어려움)

7. 베츠의 법칙

  Cpmax(바람이 불어올때 최대로 에너지로 변환할수 있는 한계)= 16/27= 0.5936

  즉 바람을 에너지로 변환 할 때 59.36% 이상은 변환 하기 어렵다는 법칙임

  ( 석유 에너지 변환 효율이 약 42~45%라고 함)

 상기 예제 5 에서 베츠의 법칙을 적용하여 계산하면 : 7.5Watts*0.5926(베츠 리미트)= 4.65 Watts

                                                                   (평균풍속 5  m/s에서 출력가능 watts)

 즉 풍속 5m에서 날개 지름 0.2 인 풍력발전기 최대 생산할 수 있는 전력은 4.65 Watts 임

 그러므로 시중에서 풍력 발전기 1 kw라고 하면 실제 생산되는 전력은 590w 이하라고 보면 되고

 소형 풍력발전기에서 0.2 이상이면 대단한 풍력 발전기임. 대부분의 소형풍력발전기는 평균풍속 3.5 m/s에서

 베츠계수가 0.05 정도 됨(즉 평균 풍속 3.5 m/s에서 1 kw 풍력발전기가 발전할 수 있는량은 50 watt 생산도

 어려운 실정임.)--- 즉 전구 하나 밝히기도 어려움, 상기 예제 5의 풍력발전기 베츠계수는 약 0.05임.

 ** 이부분에서 낮은 풍속에 회전이 유리하여 수평축에 관심을 갖는 부분이며 요즈음은 수평축도 낮은 풍속에서

     회전을 하여 전력을 생산하는 발전기가 개발되고 있음

 ** 수직축에 관심있는 분은 반듯이 한계풍속에 어떻게 대응 할것인가에 관심을 두어야함( 만약 큰 풍력발전기라면

     한계 풍속시 풍력기 전체가 날아가 버릴 수 있음, 강풍 태풍에는 매우 취약한 것이 수직축임)

 ** 수평축 소형은 낮은 풍속에서 발전할 수 있는 방법과 강풍에서 회전을 낮추는 기술이 필요함(강풍 돌풍에 강한

     구조임)

8. 풍력 발전기 적용 주요 이론

  .액추레타 디스크 이론

  .모멘텀 이론/work Rotation

  .Lifting Line 이론

  .Lifting Surface 이론

  .Computation Flow Models

9. 풍력 발전기 최대 가능한 파워 계수 높은 순서 : 1개 날개<- 2개 날개<-3개 날개<-4개 날개 순

    날개 3개 의 Tip Speed Ratio 7 에서 Cp는 약 0.5임( 세계에서 상품화 된것은 날개 3개 대형임)

10 Tip Speed Ratio 란

     = (rotational speed in radians/sec* R)/V( 풍력설계시 회전속도를 얼마로 할 것인가  결정변수)

       풍력발전기 회전 속도가 정해지면 그 풍력발전기의 출력 계수가 정해지고 풍력발전기 성능도 정해짐

11. 브레이드 중요 설계 지수는 Solidity 임

     solidity is ratio of total rotor planform area to toral swepe area 임

     Low solidity(0.10)= high speed, low torque(날개 수량이 적은것)

     High solidity(>0.80)= low speed, high torque( 날개 수량이 많은 것)

12. Airfoil Nomenclature

    브레이드 에어포일을 설명하기 에는 어려움이 있음( 별도 정리하여 야 함)---풍력발전기 이해에서 매우 중요함

    용어만 정리 하면 : 켐버, 익현라인, trailing edge, 평균갬버선 ,브레이드 두께, leading edge,chord c

                            항력, 양력,Twist angle(알파), Pitch angle(베타)

13 풍력발전기 성능 중요 지수

   Power in the wind =1/2*밀도*브리이드면적*풍속3승

  베츠 Limit : 59 % max

  Power 계수 : Cp

  Rated Power : Maximum power generator can produce

  Capacity factor : Actual energy/ maximem energy

  Cut in : 시동 풍속

  Cut out : 종단 풍속

정리 : 풍력 발전기에서 가장 주요한 지수는 파워계수 임( Cp)

풍력 발전기 설계 및 성능 평가시 고려 해야할 중요 지수

1) Power 계수( 출력 계수):고성능 풍력 발전기 : 수평형 :0.45 이상임(소형 수평은 0.2이상 돠어야함)

                                                            수직형 : 최대 0.2(사보니우스)(소형수평 ?)

2) 토크계수 : 브레이드 회전면에서 발생하는 양력성분 모멘트,항력성분 모멘트

3) 추력계수 : 풍력 발전기에서 로터에 작용하는 바람을 후방으로 미는 힘

4) 주속비 : 풍력 발전기 브레이드 선단속도와 풍속의 비

              ( 풍력발전기 선단은 풍속보다 5~10정도 빠른 속도로 회전 : 소형풍력)

5) 솔리디티 : 풍차의 로터회전면적에 대한 로터 브레이드의 전 투영면적의 비

                솔리디티와 주속비는 매우 상관관계가 큼

                                                                           오늘은 이만 줄입니다.(윈드로즈)

[서부아프리카]

좋은 자료를 이제서 보았습니다
한참 공부해야 될것 같습니다

정보공유에 감사 감사드림니다

앞으로 크게 발전 하는 기업이 되리라 봅니다

윈드로즈 김현일님 감사드림니다^^

[풍력발전]

정보 감사합니다 ㅎㅎ

[SeHa]

공부많이 해야겠네요.

[NiCe_현]

유익한정보 감사합니다!

[풍력 추종자]

감사합니다.....