[열공학실험]블레이드 개수에 따른 풍력에너지 변환기의 출력 전력 측정 1부

실험 목적

IKS사의 Wind Trainer Junior 장비를 통해 풍력에너지 기본실험을 수행하여 풍력 발전의 원리 및 전반적인 이론을 이해한다. 실험을 통해 블레이드 개수에 따른 최적 회전 속도 사이의 관계를 알아보고, 블레이드 개수와 저항에 따른 전압과 전류를 측정하고, 전력을 계산해 블레이드 개수마다 최대 전력 MPP를 선정하고, MPP를 출력으로 선정하여 효율을 계산하여 비교 분석한다. 이에 따라, 구조의 크기 및 유형은 무시하고 블레이드 개수만 고려하여 최적 개수가 몇 개인지 결정한다.

실험 이론 및 원리

1. 바람 : 태양에너지의 한 형태

1) 정의: 두 지점의 기압 차이에 의해 수평 방향으로 이동하는 공기의 흐름

2) 발생 원인: 태양에 의해 지면의 불균등한 가열, 지구 표면의 불규칙함, 지구의 자전 등에 의해 발생.

3) 방향과 크기

① 방향 : 바람은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동.

②크기 : 두 지점의 기압 차가 클수록 바람이 강하게 붐.

 

2. 풍력에너지: 바람의 세기(힘)로부터 얻는 에너지.

 

3. 풍력 발전 → 풍력에너지 이용

1) 자연적인 바람이 가지는 운동에너지를 터빈(풍차)의 회전에너지로 변환하고,

2) 회전에너지는 발전기에 의해 최종적으로 전기에너지로 전환되는 방식.

3) 바람의 운동에너지 → 기계적인 동력 → 전기 생산

 

4. 풍력 발전의 입/출력

1) 풍력터빈의 입력

바람의 힘이 회전자 Blade에 작용하는 토크(회전력)로 변환.

 

바람이 회전자에 전달하는 에너지의 크기

P:바람의 동력[W],ρ:공기의 밀도 1.225[㎏/㎥](해표면에서의 대기압, 15℃)

V: 바람의 속도[m/s], r:회전자의 반경[m]

2) 풍력터빈의 출력

터빈 Blade의 크기와 개수 바람의 속도에 따른 실제 생산 전력량.

실험에서 저항에 따른 전압[V]과 전류[mA]의 곱인 전력 P[mW]에서 최대 전력점 MPP

P=VI

P:최대전력점[mW], V:전압[V], I:전류[mA]

 

5. 풍력 발전기의 종류

회전축 방향에 의한 분류	수평축(Horizontal axis type)
	수직축(Vertical axis type)
증속기 유무에 의한 분류	증속기형(Geared type)
	직결형(Gearless type)
공기역학적 방식에 의한 분류	양력식(Lift type)
	항력식(Drag type)
운전속도에 의한 분류	정속형(Fixed rotor speed type)
	가변속형(Variable rotor speed type)
제어방식에 의한 분류	날개각제어형(Pitch controlled type)
	실속제어형(Stall controlled type)
계통연계 여부에 의한 분류	계통연계형(Grid connected type)
	독립전원형(Off-grid type)
설치 장소에 의한 분류	육상(Onshore type) 풍력발전
	해상(Offshore type) 풍력발전

 

회전축 방향에 의한 분류 → 주로 효율이 좋은 수평축 풍력터빈으로 풍력 발전을 한다.

	수직축 풍력 터빈	수평축 풍력 터빈
회전자 축	지면에 대해 수직	지면에 대해 수평
바람 추적 장치	필요 없다	필요하다
시스템 구성	구조 간단	구조 복잡
에너지 변환 효율	낮음	높음

 

6. 풍력터빈의 내부구조

탑 (tower)	Yew 드라이버 (yew drive)	제어기 (controller)	주축 (low-speed shaft)
바람 방향 (wind direction)	Yew 모터(yew motor)	기어박스 (gear box)	나셀 (nacelle)
풍향계 (wind vane)	블레이드 (blade)	발전기 (generator)	피치 (pitch)
풍속계 (anemometer)	브레이크 (brake)	고속 축 (high-speed shaft)	회전부 (rotor)

 

7. 풍력발전소의 장/단점

1) 장점

① 태양에너지의 한 형태인 바람이라는 청정에너지원이라 친환경적이다.

② 고갈되지 않는 신재생 에너지 자원이다.

③ 발전단가가 낮은 편이다.

④ 설치비, 유지 보수비 외에 추가 비용이 거의 없다.

 

2) 단점

① 바람이 일정하지 않아 설치장소에 제약이 있다.

② 넓은 면적이 필요하고 장비가 비싸 높은 초기 투자비용이 든다.

③ 배터리를 사용하지 않으면 전기를 저장할 수 없다.

④ 회전자의 조류 충돌로 인해 고장 우려가 있다.

⑤ 회전자의 블레이드에 의한 소음이 발생한다.

실험 장비 및 구성

1. 실험 장비

IKS사의 Wind Trainer Junior

2. 장비 구성

1) 폼 플라스틱 특수 케이스

2) 실험박스 Set-up용 기본 보드

3) 조절 가능한 전원 공급 장치를 가진 Wind Machine

4) 윈드 터빈(제너레이터, 2~4개 블레이드 연결용 허브, 블레이드 각 조절기)

5) 평평한 블레이드 4개, 휘어진 블레이드 4개

6) 보호 덮개, 바람막이 장비

7) 멀티 미터 2개 (2mm connector), 풍속계

8) 전기 모터와 전구를 포함한 부하 박스

9) NC 어큐뮬레이터, GoldCap을 가진 저장 케이스

10) 다양한 저항을 갖는 저장 박스,

11) 메뉴얼 및 해설집

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