Reference : 신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)
[문제34] 풍력발전의 원리 및 기본특징을 설명하시오.
1.개 요
인류의 풍력발전역사는 BC 5000년 까지 거슬러 올라가지만 발전용으로 풍력을 이용한 것은 1890년 덴마크에서 최초로 시도되었다.
1970년 석유파동이후 풍력발전기술은 세계적인 관심의 대상이 되었는데 현재까지의 연구개발 결과, 성능 및 건설비는 상당한 경쟁력을 갖추게 되었다.
EPRI가 조사한 바에 의하면 1992년말 현재 전세계에 설치 가동중인 풍력발전 용량은 총 2,350 MW로 이가운데 68%인 1,600MW가 미국내에 위치하고 있으며 유럽지역은 지금까지의 활발한 추진을 감안할때 2000년대에는 세계 풍력발전설비의 62%인 4,000MW의 용량이 유럽지역에서 운전될 것으로 전망되고 있다.
※ 2000년대 미국의 풍력발전설비 용량은 5,500MW로 전망하고 있다.
2.기본원리
풍력은 지구의 자전 및 지표온도의 차이로 발생하는 지구차원의 운동에너지로 풍력전환 설비를 이용하여 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다.
즉, 풍력의 에너지 전환과정은 풍차날개의 양면을 통과하는 바람의 유속차이로 발생하는 양력으로 터빈축을 회전시켜 전기에너지 또는 기계에너지로 변환하는 것이다.
이는 풍차날개의 각도에 따라 바람이 통과할때 날개 윗면의 압력은 아래면보다 낮아지게 되는데 이때 항공역학적인 양력이 발생하는 것이다.
이론적으로 풍차날개가 1개일때 최대에너지의 생산이 가능하나 현실적으로 풍차의 안정성 및 항공역학적 성능 ,비용측면에서 2-3개의 풍차날개를 갖는 풍력설비가 가장 유리한 것으로 평가되고 있다.
3.설비특성
풍력발전을 위하여 사용되는 풍차의 기본적인 설계는 회전축의 위치에 따라 수평형(HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine) 과 수직형(VAWT: Vertical Axis Wind Turbine) 으로 구분된다.
이용 가능한 풍력의 크기는 풍속의 세제곱에 비례하는데 예로 평균풍속이 20%증가하는 경우 터빈 출력은 약 73%가 증가되며 역으로 평균풍속이 20%감소될 경우 터빈출력은 당초 설계출력의 약 절반가량 정도로 감소하게 된다.
풍력의 크기는 회전날개의 회전면적과 비례관계를 갖게되나 풍력의 최대한 이용을 위하여 회전자의 크기를 증가시키는 경우 재질 및 이음새 강도, 무게 및 비용등의 요인으로 제한되고 있다.
최근 미국에 개발된 풍력발전단지의 규모는 소규모의 화력발전설비용량과 대등한 용량으로 kWh당 생산단가는 4～6 cent 수준으로 알려지고 있는데, 특히 가변속도 회전기(Variable Speed Rotor)로 알려진 풍차기술은 9～65MPH의 풍속범위에서 기당 360～405kW의 전력을 생산할 수 있다.
4. 풍력발전 개발시 고려사항
4-1. 부지조건
- 부지의 기후조건 (강우량 및 돌풍발생지역 여부)
- 부지내 멸종위기 생물에 관한 조사(특히 휘귀조류의 보호측면)
- 부지의 현행 사용용도 등
타 발전방식에 비하여 넓은 부지면적을 필요로하기 대문에 전력회사가 대단위토지를 일괄구입하여 수개의 풍력발전단지를 조성하거나 지상권만을 확보하는 방법이 있다.
4-2. 전력수요의 형태
풍력발전은 자연환경에 따라서 발전용량 및 발전가능 시간에 제약이 발생하게 된다. 따라서 타 계통과 연계되지 않은 고립 발전방식으로 사용하는 경우 내연발전이나 태양열 발전을 복합적으로 운영하는 것이 고려되어야 한다.
5. 향후전망
풍력발전설비의 건설단가는 kw당 750～1000$ 수준(‘93기준)으로 가스터빈 건설단가인 kW당 340$에 비하여 2～3배 고가이면서 적정용량의 풍력발전소 건설에는 다른 발전방식보다 넓은 부지의 면적을 필요로한다. 현재까지 풍력발전단가는 kWh당 5Cent수준으로 관리비등을 감안할때 타발전방식에 비하여 고가로 나타나고 있다.
따라서 국토면적이 협소하고 목초지등 가용토지가 제한적인 우리나라의 경우 대규모의 풍력발전은 비경제적인 대안이라 할수 있으나 향후 풍력발전기술의 추이 따라 보조 대체에너지원으로 이용가치가 있을 것으로 판단된다.
[참고사항]
신 재생에너지 기술동향
1. 정 의
○ 대체에너지 (Alternative Energy)
대체에너지란 넓은 의미로는 석유를 대체 할 수 있는 석탄,천연가스,원자력,자연에너지원등 모든 일차에너지원을 말하며 좁은 의미로는 신․재생 에너지원(New & Renewable Energy)으로 한정하여 정의하는 것이 일반적이다.
우리나라에서의 대체에너지란 석탄,석유,원자력 및 천연가스가 아닌 태양에너지,바이오메스,풍력,소수력,연료전지,석탄의 액화․가스화,해양에너지,폐기물에너지 및 기타로 지열,수소,석탄에 석탄외의 물질을 혼합한 유동성연료(단 석유가 포함될 경우 석유함유량이 70% 미만일것) 으로 대체에너지 개발촉진법에 정의 되어있다.
○ 신(재생)에너지
신에너지란 현재에는 사용량이 아주 적지만 앞으로의 기술개발 노력에 따라 에너지 공급체계내에서 크게 기여할수 있을 것으로 기대되는 새로운 에너지를 말한다. 종류는 우선 일차 에너지 자원중 태양에너지,풍력,지열,바이오메스 에너지등과 같은 자연에너지원이 있으며 이들 자연에너지원은 비고갈성에너지로서 기존의 수력에너지원등을 포함하여 구미에서는 재생에너지원 (Renewable Energy Resources)이라고도 부른다.
2.우리나라의 신.재생에너지 이용 및 보급현황
○ '93년도 신.재생에너지 이용량은 석유환산 649천톤으로 국내 총에너지
수요의 0.51%를 점유
- 지난 5년간 신.재생에너지 이용량은 연평균 31.2% 증가
○ 신.재생에너지 공급비중 연도별 추세
(단위 : 천TOE, %)
-----------------------------------------------------
구분 '88 '89 '90 '91 '92 '93
-----------------------------------------------------
신.재생에너지 167 214 336 413 552 649
총에너지 소비 75,351 81,659 93,192 103,622 116,010 126,368
공급비중 0.22 0.26 0.36 0.40 0.48 0.51
-----------------------------------------------------
○ ‘93 신.재생에너지원별 보급현황
(단위 : 천TOE, %)
-----------------------------------------------------
태양에너지 메탄가스 폐기물 소수력 등 계
-----------------------------------------------------
이용량 16.1 58.8 544.4 28.5 648.5
구성비 2.5 9.1 84.4 4.0 100.0
-----------------------------------------------------
3. 국내의 분야별 주요 기술개발 성과
| 분 야 별 | 기술개발 성과 | 보 급 실 적 |
| 태 양 열 | o 온수기 국산화 개발 | o 온수기 19,000기 |
| 태 양 광 | o 태양전지 국산화, 태양광 발전시설 설치운전기술 |
o 충남 호도 100KW급 설치 ('93.1) |
| 바 이 오 | o 산업폐수의 메탄가스 이용 기술 확립 |
o 78개소(주정, 식품공장) |
| 폐 기 물 | o 도시쓰레기 및 산업폐기물 소각열 이용시설 국산화 및 자동화 |
o 도시쓰레기 : 대전시에 100T/D 설치 및 시험운전 o 산업폐기물 : 626개소 |
| 연료전지 | o 인산형 연료전지 5KW급 실증연구 |
o 40KW급 시험운전 ('94.7) |
| 풍 력 | o 170KW 풍력발전기 국산화 시험설치 |
o 강원도 대관령에 설치 ('93.10) |
4.국내외 기술수준 비교
| 분 야 별 | 국 내 수 준 | 외 국 수 준 |
| 태 양 광 | o 100kW급 태양광발전시스템 국산화 개발('92) - 충남 호도에 설치,운전중 |
o 대용량 계통연계용 전력 시스템개발 추진 - 미국(8MW), 일본(1MW) |
| 태 양 열 | o 태양열 집열기 국산화 | o 태양열 집열기외에 태양열 발전시스템 개발추진 |
| 연료전지 | o 40kW급 연료전지를 개발 시험운전('94) |
o 대용량 연료전지 시험 운전 - 미국: 4.5MW, 일본: 1MW |
| 풍 력 | o 300kW급 풍력발전시스템 개발중('92～'95) |
o 상업운전중(500～1,200kW급) o 미국에서는 경제성 향상을 위해 3,200kW급 개발추진중 |
| 바 이 오 | o 바이오알콜 제조를 위한 Pilot Plant 운전중 |
o 바이오 알콜 상업화 단계 (미국, 브라질) |
| 소 수 력 | o 상업화 단계 - 13개 소수력발전소 운전중 |
o 상업화 단계 - 저낙차용 수차개발 추진 |
| 폐 기 물 | o 산업폐기물 소각로 보급단계 o 100T/D 도시폐기물 소각로 시험운전중 |
o 기술개발 완료 - 상업화 단계 |
| 석탄이용 | o 3톤/일 석탄가스발전 Pilot Plant 개발중 ('92～'95) |
o 대용량(250MW) 석탄가스화 시험운전중 |
| 수 소 | ㅇ기초연구단계 | o 실용화 연구단계 - 수소 대량생산 및 저가 생산 기술개발 추진 |
| 해 양 에 너 지 |
o 기초연구단계 - 60kW급 파력발전시스템 개발추진('93～'95) |
o 조력발전은 상업화 단계 o 파력발전, 해양온도차 발전 실용화 연구 추진중 |
[자료] G7- 신에너지 기술개발 연구기획 ,과학기술처.92
5. 신에너지 기술 분류도
| 구 분 | 내 용 |
| 자연에너지 | 태양 |
| 풍력 | |
| 해양에너지 | |
| 바이오메스 | |
| 지열 | |
| 석탄이용의 신기술 | 석탄가스화 |
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