[열역학]풍력발전

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목차: 1. 풍력발전 이란?
2. 풍력발전의 역사
3. 풍력발전의 작동과정
4. 풍속과의관계
5. 풍력발전의 장,단점

본문내용: 풍력발전 이란?

바람이 가진 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 전기생산의 한 종류
주요 구성 요소는 회전날개(blade),허브(hub), 풍력전달장치(기어박스),
발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어 장치,유압 브레이크 장치와 전력
제어 장치이다.
회전날개(blade):바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환
동력전달장치(기어박스):입력된 회전력
증폭
발전기: 기계적 회전력을
전기에너지로 변환
전력변환장치(inverter):
직류전기(DC)를
교류전기(AC)로 변환

풍력발전의 역사
최초의 풍차는 수직축형으로 단순한 견인도구였으며, 기원전 7세기부터 아프간의 고원지대에서 곡물을 가는데 사용되었다. 최초의 수평축형 풍차는 서기 1000년경에 페르시아, 티벳, 중국에서 사용되었는데, 이 형식의 풍차는 수평의 축과 블레이드가 수직면내에서 회전한다. 그 후 수평축형 풍차는 1150년에 영국에서, 1190년에 플랑드르에서, 1222년에 독일에서 그리고 1259년에 덴마크에서 볼 수 있었다.

유럽에서 풍차의 성능은 12∼19세기동안 꾸준히 향상되었으며, 19세기말의 대표적 유럽형 풍차는 회전체 직경이 25m에 이르고, 탑의 높이는 30m에 달하였으며, 곡물의 탈곡뿐만 아니라 물의 펌핑에도 사용되었다. 1800년에 유럽형 풍차가 프랑스에서만 약 20,000대가 가동되었다.
그러나 산업화에 따라 풍차는 점차 유럽에서 감소하기 시작하였다. 이 무렵 유럽에서 미국으로 간 이민자들에 의해 풍차가 북미로 도입되었으며, 물 펌프용으로 급속히 미국내에 보급되었다. 당시 미국의 풍차는 자기제어(self-regulate)형으로서, 미국형 풍차로 알려지고 있는데, 자기제어기구는 높은 풍속에서도 사용가능 하였다.

반면 유럽형은 높은 풍속의 경우는 손상을 피하기 위해 정지시켰다. 미국형 풍차는 1920~1930년 동안에 약 600,000대가 미국에서 설치되었는데, 이 미국형 풍차는 아직도 세계적으로 농업용으로 사용되고 있다.

1891년에 덴마크의 Dane Poul LaCour는 처음으로 풍력발전기를 설치하였다. 덴마크의 기술자들은 1차 및 2차 세계대전 중 에너지부족을 극복하기 위해 풍력발전 기술을 향상시켰다. 1941년에 덴마크의 Smidth사는 처음으로 공기역학에 근거하여 현대식 날개를 사용한 풍력발전기를 제작하였다. 같은 해에 미국의 Palmer Putnam은 미국화사인 Morgan Smith사를 위해 직경이 53 m의 거대한 풍력발전기를 제작하였다. 당시 덴마크의 풍차설계 개념은 실속(失速) 제어에 의한 역풍회전체에 근거하여 저속에서 운전하는 것이었고, 미국 Putnam의 설계개념은 피치(pitch) 제어에 의한 순풍회전체에 근거한 것이었다.
그러나 Putnam의 풍차는 그다지 성공적이지 않았으며, 1945년에 철거되었다. 2차 세계대전 후 덴마크의 Johannes Juul은 덴마크의 설계개념에 의한 풍력발전기를 덴마크의 Gedser에 건설하여 1956년부터 1967년까지 약 2.2백만Wh의 전력을 생산하였다.

같은 시기에 독일의 Houter는 두 개의 가느다란 섬유유리로된 블레이드를 앞뒤로 움직이는 허브(hub)에 역풍으로 장착한 새로운 개념의 풍력발전기를 개발하였는데, 이 풍력발전기는 높은 효율을 얻은 것으로 알려져 있다.

Juul과 Houter의 성공적 풍력 발전기의 제작에도 불구하고, 2차 세계대전 후 대형 풍력발전은 쇠퇴해갔다. 다만 소규모의 풍력발전이 외딴 곳의 전력공급과 축전지의 충전을 위해 이용될 뿐이었다.

1970년대 초의 석유파동과 더불어, 풍력발전에 대한 관심이 되살아났다. 여러나라에서는 풍력발전에 대한 연구개발을 위해 재정적 지원이 이루어졌으며, 독일, 미국 및 스웨덴 등에서는 이 자금을 MW급의 대규모 풍력발전기 개발을 위해 사용하였다.

그러나 많은 경우 피치기구와 같은 여러 가지 기술적 문제 때문에 성공적으로 이루어지지 못하였다. 그럼에도 불구하고 덴마크와 같은 국가에서는 특별한 정부의 지원으로 풍력에너지 분야의 개발이 지속되었다. <표 1>은 초기의 대형풍력발전기의 성능을 제시한 것이다.

특기할 일은 1978년 미국의 카터대통령과 미국 의회는 석유수입을 감소시키기 위해, 에너지의 절약과 효율적 이용을 목적으로 한 공익사업규제정책법(PURPA: Public Utility Regulatory Policies Act)을 제정한 것이다.

이 법과 재생가능한 에너지시스템에 대한 특별 세제지원으로 풍력에너지 개발의 붐을 일으켰다. 샌프란시스코의 동부와 로스앤젤레스의 북동부를 지나는 산지에 방대한 풍력발전 단지가 형성되었다.

초기의 풍력단지는 주로 50 W급 풍차로 구성되었으나, 그 후 1980년대에는 200 W급으로 증강되었다. 풍력발전기는 덴마크의 Poul LaCour와 Juul의 설계개념에 의한 역풍, 실속 제어형의 것이 덴마크로부터 수입되었다. 1980년대 말에 미국의 캘리포니아에는 약 15,000대의 풍차가 설치되었고, 총 풍력발전 시설용량은 약 1,500 MW에 달하였다. 이 무렵 미국에서의 풍력에너지에 대한 재정적지원은 감소하기 시작하였다.

그러나 재생가능한 에너지에 의한 발전에 대한 재정적지원은 유럽과 인도에서 이어졌다. 이 지원으로, 특히 유럽의 독일과 아시아 의인도에서 풍력발전이 급속히 증가하였다. 시장규모의 발전과 기술의 개발로 20세기말의 풍력발전기 용량은 1.5MW급이 보편화 되고 있다.

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