풍력 터빈

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.풍력 발전 시설로 알려진 수십만 개의 대형 터빈은 현재 ^[1]매년 60 GW를 추가하여 650 기가와트 이상의 전력을 생산하고 있습니다.풍력 터빈은 간헐적 재생 가능 에너지의 점점 더 중요한 원천이며, 많은 국가에서 에너지 비용을 낮추고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위해 사용된다.한 연구는 2009년 ^[update]현재 풍력이 태양광,^[2] 수력, 지열, 석탄 및 가스 에너지원에 비해 "상대적인 온실가스 배출량이 가장 낮고, 물 소비 수요가 가장 적고, 사회적 영향이 가장 좋다"고 주장했다.

소형 풍력 터빈은 보트나 캐러밴의 보조 전원용 배터리 충전, 전력 교통 경고 표지판 등에 사용됩니다.대형 터빈은 전기 그리드를 통해 전력 공급 업체에 사용되지 않는 전력을 되팔면서 가정용 전력 공급에 기여할 수 있다.

풍력 터빈은 수평축 또는 수직축으로 다양한 크기로 제조됩니다.

역사

알렉산드리아의 영웅의 바람개비 (AD 10–70 CE)는 ^[3][4]역사상 최초로 기록된 풍력 발전 사례 중 하나이다.하지만, 처음으로 알려진 실용적인 풍력발전소는 7세기부터 페르시아의 동쪽 지방인 시스탄에 지어졌다.이 "파네모네"는 직사각형 날개가 달린 ^[5]긴 수직 구동축을 가진 수직 차축 풍차였습니다.갈대 매트나 천으로 덮인 6~12개의 돛으로 만들어진 이 풍차는 곡식을 빻거나 물을 끌어올리는 데 사용되었으며, 제분 ^[6]및 사탕수수 산업에 사용되었다.

풍력은 중세 유럽에서 처음 등장했다.영국에서 그것들이 사용된 최초의 역사적 기록은 11세기와 12세기로 거슬러 올라간다; 독일 ^[7]십자군들이 그들의 풍차 제조 기술을 시리아로 가져갔다는 보고가 1190년들이 있습니다.14세기까지 네덜란드 풍차는 라인 삼각주의 배수구에 사용되었다.고급 풍력 터빈은 크로아티아의 발명가 파우스토 베란지오가 그의 저서 "마치내 노바에"(1595)에서 설명했으며, 그는 구부러지거나 V자 모양의 날개를 가진 수직축 풍력 터빈을 묘사했다.

최초의 전기 발전 풍력 터빈은 1887년 7월 스코틀랜드 학자 제임스 블라이스가 스코틀랜드 ^[8]메리커크에 있는 별장에 불을 밝히기 위해 설치한 배터리 충전 기계였다.몇 달 후, 미국의 발명가 찰스 F. Brush는 지역 대학 교수들과 그의 동료 Jacob S와 상의한 후 최초의 자동 작동식 풍력 터빈을 만들 수 있었다.깁스와 브린슬리 콜버드가 전력 ^[8]생산을 위해 설계도를 동료 검토하는 데 성공했습니다.블라이스의 터빈은 영국에서 ^[8]비경제적인 것으로 간주되었지만,^[7] 풍력 터빈에 의한 전기 발전은 인구가 널리 분산된 국가에서 더 비용 효율적이었다.

1900년까지 덴마크에는 펌프와 제분기와 같은 기계 부하를 위한 풍차가 약 2500대 존재했으며, 총 피크 전력은 약 30메가와트(MW)였습니다.가장 큰 기계는 24미터(79피트) 타워에 있으며 직경 23미터(75피트)의 로터가 4개 달려 있습니다.1908년까지 미국에서는 5킬로와트(kW)에서 25킬로와트(kW)까지 72개의 풍력 발전기가 가동되었습니다.제1차 세계대전 무렵, 미국의 풍차 제조업체들은 매년 10만 개의 풍차를 생산했는데, 대부분이 물 ^[10]펌핑용이었다.

1930년대까지, 전기를 위한 풍력 발전기는 주로 분배 시스템이 아직 설치되지 않은 미국에서 흔한 것이었다.

현대식 수평축 풍력발전기의 선구자는 1931년 구소련의 얄타에서 서비스되었다.이것은 30미터(98피트) 타워에 설치된 100kW 발전기로, 지역 6.3kV 배전 시스템에 연결되었습니다.그것은 현재의 풍력 ^[11][12]기계와 크게 다르지 않은 32%의 연간 용량을 가지고 있는 것으로 보고되었다.

1941년 가을, 최초의 메가와트급 풍력 터빈은 버몬트의 전력망에 동기화되었다.스미스-푸트남 풍력 터빈은 1,100시간 동안만 작동하다가 심각한 고장을 겪었다.전쟁 중에 물자가 부족해서 그 부대는 수리되지 않았다.

영국에서 가동되는 최초의 유틸리티 그리드 연결 풍력 터빈은 1951년 John Brown & Company에 의해 Orkney ^[8][13]군도에 건설되었습니다.

이러한 다양한 발전에도 불구하고, 화석 연료 시스템의 개발은 슈퍼 마이크로 크기보다 큰 풍력 터빈 시스템을 거의 완전히 없앴다.그러나 1970년대 초 덴마크의 반핵 시위는 장인 기술자들이 22kW의 마이크로 터빈을 개발하도록 자극했다.소유주를 협회와 협동조합으로 조직하는 것은 정부와 공공 사업자의 로비로 이어졌고 1980년대 이후 더 큰 터빈에 대한 인센티브를 제공했다.독일의 지역 활동가들, 스페인의 초기 터빈 제조업체들, 그리고 1990년대 초 미국의 대규모 투자자들은 그 국가들의 산업을 자극하는 정책을 위해 로비를 벌였다.

풍력발전 활용 확대가 희토류 원소인 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등 풍력터빈의 중요물질을 둘러싼 지정학적 경쟁 심화로 이어질 것이라는 주장이 제기됐다.그러나 이러한 관점은 대부분의 풍력 터빈이 영구 자석을 사용하지 않는다는 것을 인식하지 못하고 이러한 ^[14]광물의 생산 확대에 대한 경제적 인센티브의 힘을 과소평가한다는 비판을 받아왔다.

자원.

풍력 밀도(WPD)는 모든 위치에서 사용할 수 있는 풍력 에너지의 정량적 측정값이다.이는 터빈의 소거 면적의 평방미터당 사용 가능한 평균 연간 출력이며 지상고에서 다른 높이에 대해 계산됩니다.풍력 밀도 계산에는 풍속과 공기 ^[15]밀도의 영향이 포함된다.

풍력 터빈은 등급 I에서 등급 III까지 설계된 풍속으로 분류되며,^[16] A에서 C는 바람의 난류 강도를 나타낸다.

학급	평균 풍속(m/s)	난기류
IA	10	16%
IB	10	14%
IC	10	12%
IIA	8.5	16%
IIB	8.5	14%
IIC	8.5	12%
IIIA	7.5	16%
IIIB	7.5	14%
IIIC	7.5	12%

효율성.

질량을 보존하려면 터빈으로 들어오고 나가는 공기의 양이 같아야 합니다.따라서, Betz의 법칙은 풍력 터빈에 의해 달성 가능한 최대 풍력 추출을 다음과 같이 제공한다.공기의 운동 에너지가 ^[17]터빈에 도달하는 속도의 16⁄27(59.3%)입니다.

따라서 풍력 기계의 이론상 최대 출력은 공기의 운동 에너지가 기계의 유효 디스크 영역에 도달하는 속도의 16배 27배입니다.디스크의 유효 면적이 A이고 풍속 v인 경우 이론상 최대 출력 P는 다음과 같습니다.

$displaystyle$$}A = flac {8}{27}\rho v^{3$$}$}$A$

여기서 θ는 공기 밀도입니다.

풍력-로터 효율(로터 블레이드 마찰 및 항력 포함)은 풍력의 ^[18]최종 가격에 영향을 미치는 요인 중 하나이다.변속 장치 손실, 발전기 및 변환기 손실과 같은 추가적인 비효율성은 풍력 터빈에 의해 전달되는 전력을 감소시킵니다.과도한 마모로부터 구성 요소를 보호하기 위해 추출된 동력은 풍속의 세제곱에서 이론적인 동력이 증가하므로 정격 작동 속도 이상으로 일정하게 유지되며 이론적인 효율이 더욱 감소합니다.2001년에 상용 유틸리티 연결 터빈은 정격 작동 ^{[19][20][needs update]}속도로 바람으로부터 추출할 수 있는 Betz 한계 전력의 75 - 80%를 공급했다.

효율은 시간이 지남에 따라 약간 저하될 수 있습니다. 주요 원인 중 하나는 날개 위의 먼지와 곤충 사체입니다. 이는 공기역학적 프로파일을 변화시키고 에어포일의 양력 대 항력 비율을 근본적으로 감소시킵니다.덴마크에서 10년 이상 된 풍력 터빈 3128대를 분석한 결과 터빈의 절반은 감소하지 않았고 나머지 절반은 연간 ^[21]1.2%의 생산 감소를 보였다.

일반적으로, 보다 안정적이고 일정한 기상 조건(특히 풍속)은 불안정한 기상 조건에서의 풍력 터빈보다 평균 15% 더 높은 효율을 가져오며, 따라서 안정적인 조건에서 풍속이 최대 7%까지 증가한다.이는 대기 안정성이 더 높은 조건에서 발생하는 더 빠른 복구 웨이크와 더 큰 흐름 교란 때문입니다.그러나 풍력 터빈의 웨이크는 안정된 ^[22]환경과 반대로 불안정한 대기 조건 하에서 더 빨리 회복되는 것으로 밝혀졌다.

다양한 재료들이 풍력 터빈의 효율에 다양한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.Ege University의 실험에서 세 개의 풍력 터빈(각각 직경 1m의 블레이드 3개 포함)이 서로 다른 재료로 만들어진 날개, 즉 유리 및 유리/탄소, 유리/폴리에스테르로 구성되었습니다.테스트 결과, 전체 질량이 높은 재료는 마찰 모멘트가 더 크고 따라서 출력 ^[23]계수가 더 낮은 것으로 나타났습니다.

공기 속도는 터빈 효율의 주요 요인입니다.이것이 올바른 장소를 선택하는 것의 중요성에 대한 이유입니다.육지와 바다의 온도차이 때문에 해안 근처에서 풍속이 높을 것이고, 또 다른 옵션은 산등성이에 놓는 것입니다.풍력 터빈이 높아질수록 풍속은 평균적으로 높아집니다.방풍은 또한 ^[24]터빈 근처의 풍속을 증가시킬 수 있다.

종류들

풍력 터빈은 수평축 또는 수직축을 중심으로 회전할 수 있으며, 전자는 오래되고 더 ^[25]일반적이다.또한 블레이드를 포함하거나 블레이드가 ^[26]없는 경우도 있습니다.가구 크기의 수직 설계는 전력 생산량이 적고 ^[27]일반적이지 않다.

수평축

타워의 날개들이 바람을 거슬러 올라가는 대형 3블레이드 수평 축 풍력 터빈(HAWT)은 오늘날 세계에서 압도적으로 많은 풍력을 생산합니다.이러한 터빈은 주 로터 샤프트와 발전기를 타워 꼭대기에 가지고 있으며, 바람을 가리켜야 합니다.소형 터빈은 단순한 풍향으로 가리켜지는 반면, 대형 터빈은 일반적으로 요 시스템과 결합된 풍향 센서를 사용합니다.대부분 기어박스가 있어 블레이드의 느린 회전이 전기 제너레이터 ^[28]구동에 더 적합한 더 빠른 회전으로 전환됩니다.일부 터빈은 느린 회전 속도 입력에 적합한 다른 유형의 발전기를 사용합니다.변속기가 필요하지 않고 다이렉트 드라이브(Direct-Drive)라고 불리며, 이는 변속기가 없는 상태에서 제너레이터에 로터를 직접 결합한다는 의미입니다.영구 자석 직접 구동 발전기는 희토류 재료가 필요하기 때문에 비용이 더 들 수 있지만, 이러한 기어리스 터빈은 "상당히 누적된 피로 토크 부하, 관련 신뢰성 문제 및 유지관리 코스에 영향을 받기 쉬운 기어 변속 장치 발전기보다 가끔 선호됩니다.ts."^[29] 또한 의사 직접 구동 메커니즘이 있어 영구 자석 직접 구동 메커니즘보다 몇 가지 ^[30][31]이점이 있습니다.

대부분의 수평축 터빈은 지지탑의 역풍으로 회전한다.풍향기계는 바람과 보조를 맞추기 위한 추가 장치가 필요하지 않기 때문에 제작되었습니다.강풍에서는 블레이드가 휘어질 수 있기 때문에 휩쓸리는 면적이 줄어들고 바람 저항도 감소합니다.이러한 이점에도 불구하고, 각 블레이드가 지지탑 뒤를 통과할 때 바람에 의한 하중의 변화는 터빈의 손상을 야기할 수 있기 때문에 역풍 설계가 선호된다.

풍력 발전소에서 상업적인 전력 생산을 위해 사용되는 터빈은 보통 3블레이드이다.토크 리플이 낮아 신뢰성이 우수합니다.블레이드는 일반적으로 항공기의 주간 가시성을 위해 흰색이며 길이는 20~80m(66~262ft)이다.터빈의 크기와 높이는 해마다 증가한다.해상 풍력 터빈은 오늘날 최대 8MW까지 건설되며 날개 길이는 최대 80m(260피트)입니다.10~12MW급 설계는 ^[32]2018년에 준비 중이며, 118m(387피트)짜리 날개 3개를 갖춘 '15MW+' 시제품은 ^[33]2022년에 제작될 예정이다.일반적인 멀티 메가와트 터빈은 높이가 70m에서 120m이고 최대 160m에 이르는 관 모양의 철탑을 가지고 있다.

수직축

수직축 풍력 터빈(또는 VAWT)은 주 로터 샤프트를 수직으로 배치한다.이 배치의 한 가지 장점은 터빈이 효과적으로 작동하기 위해 바람을 가리킬 필요가 없다는 것이다. 이는 풍향이 매우 가변적인 현장에서의 이점이다.터빈이 건물에 통합되어 있는 경우에도 본질적으로 조향성이 떨어지기 때문에 유리합니다.또한 제너레이터와 변속기를 로터 어셈블리에서 지상 기반 변속기로 직접 구동하여 지면에 배치할 수 있으므로 유지보수를 위한 접근성이 향상됩니다.그러나 이러한 설계에서는 시간이 지남에 따라 평균화된 에너지가 훨씬 적게 생성되며, 이는 큰 ^[27][34]결점이다.

수직 터빈 설계는 표준 수평 ^[35]설계보다 효율성이 훨씬 낮습니다.주요 단점으로는 상대적으로 낮은 회전 속도, 결과적으로 높은 토크와 높은 비용, 본질적으로 낮은 동력 계수, 각 사이클 동안 풍류 내에서 에어로포일의 360도 회전, 따라서 블레이드에 가해지는 매우 동적인 하중, 즉 고동적인 토크 등이 있습니다.드라이브 트레인의 일부 로터 설계와 바람 흐름의 정확한 모델링의 어려움, 따라서 ^[36]프로토타입을 제작하기 전에 로터를 분석하고 설계해야 하는 어려움.

터빈이 옥상에 설치되면 건물은 일반적으로 지붕 위로 바람을 돌려 터빈의 풍속을 두 배로 높일 수 있습니다.옥상에 설치된 터빈 타워의 높이가 건물 높이의 약 50%인 경우 최대 풍력 에너지와 최소 풍랑 난기류에 대한 최적치에 가깝다.건설 환경 내의 풍속은 일반적으로 노출된 시골 ^[37][38]현장보다 훨씬 낮지만 소음이 우려 사항일 수 있으며 기존 구조물은 추가 스트레스에 충분히 저항하지 못할 수 있다.

수직 축 설계의 하위 유형은 다음과 같습니다.

대리어스 풍력 터빈

"Eggbeater" 터빈 또는 Darrieus 터빈은 프랑스 발명가 Georges Darrieus의 이름을 ^[39]따서 명명되었다.효율은 좋지만, 주탑에 큰 토크 리플과 순환 응력이 발생하여 신뢰성이 떨어집니다.또한 시동 토크가 매우 낮기 때문에 일반적으로 회전을 시작하기 위해 외부 동력원 또는 추가 Savonius 로터가 필요합니다.3개 이상의 블레이드를 사용하면 토크 리플이 감소하므로 로터의 견고성이 높아집니다.고도는 블레이드 면적을 로터 면적으로 나눈 값으로 측정됩니다.신형 Darrieus형 터빈은 가이 와이어에 의해 지지되지 않고 상부 ^[40]베어링에 연결된 외부 상부 구조를 가지고 있습니다.

지로밀

구부러진 블레이드가 아닌 직선인 Darrieus 터빈의 하위 유형입니다.사이클로터빈의 종류는 토크 맥동을 줄이기 위한 가변 피치를 가지며, 자동 ^[41]시동식입니다.가변 피치의 장점은 높은 시작 토크, 넓고 비교적 평평한 토크 곡선, 높은 성능 계수, 난기류에서의 보다 효율적인 작동 및 낮은 블레이드 속도 비율입니다.직선, V 또는 곡선 블레이드를 사용할 ^[42]수 있습니다.

사보니우스 풍력 터빈

풍속계, Flettner 통풍구(버스 및 밴 지붕에서 흔히 볼 수 있는) 및 일부 고신뢰성 저효율 동력 터빈에 사용되는 두 개 이상의 스쿠프가 있는 드래그형 장치입니다.최소 3개의 스쿠프가 있는 경우 항상 자동 시동됩니다.

Twisted Savonius는 부드러운 토크를 제공하기 위해 긴 나선형 스쿠프를 가진 변형된 Savonius입니다.이것은 종종 옥상 풍력 터빈으로 사용되며 심지어 ^[43]선박에도 적용되었다.

병렬

병렬 터빈은 직교류 팬 또는 원심 팬과 유사합니다.접지 효과를 사용합니다.이 타입의 수직축 터빈은 수년간 시험되어 왔다.10kW를 생산하는 유닛은 1980년대에 ^{[44][unreliable source?]}이스라엘의 바람의 선구자 브루스 브릴에 의해 건설되었다.

파격적인 타입

역회전 풍력 터빈

수직축 풍력 터빈 앞바다

전봇대 풍력 터빈

설계 및 시공

풍력 터빈 설계는 비용, 에너지 출력 및 피로 수명의 신중한 균형입니다.

구성 요소들

풍력 터빈은 분배를 위해 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.기존의 수평 축 터빈은 세 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다.

• 풍력 터빈 비용의 약 20%인 로터에는 풍력 에너지를 저속 회전 에너지로 변환하기 위한 블레이드가 포함되어 있습니다.
• 바람 터빈 비용의 약 34%발전기, 전기 generator,[45][46]은 제어 전자 장치 중 가장 중요한 기어 박스(예를 들어, 행성 기어 박스)[47]조정 가능 속도 구동, 아니면 계속해서 transmission[48]요소 초고속 회전 적합한 파음에 저속 들어오는 회전 변환에 대해서 변수 포함한다또는 엘을 조성하고전자성
• 풍력 터빈 비용의 약 15%에 해당하는 주변 구조는 타워 및 로터 요 메커니즘을 포함합니다.^[49]

미국에서 자주 볼 수 있는 유형의 1.5(MW) 풍력 터빈에는 80미터(260피트) 높이의 탑이 있습니다.로터 어셈블리(블레이드 및 허브)의 중량은 22,000kg(48,000파운드)입니다.발전기를 포함하는 나셀의 무게는 52,000kg(115,000lb)이다.타워의 콘크리트 기반은 26,000kg(58,000lb)의 철근을 사용하여 건설되었으며 190입방미터(250cu yd)의 콘크리트를 포함하고 있습니다.베이스의 지름은 15미터(50피트)이고 중심 ^[50]부근의 두께는 2.4미터(8피트)입니다.

터빈 모니터링 및 진단

데이터 전송 문제로 인해 풍력 터빈의 구조적 건전성 모니터링은 일반적으로 변속기와 장비를 모니터링하기 위해 나셀에 부착된 여러 가속도계와 변형률 게이지를 사용하여 수행된다.현재 풍력 터빈 블레이드의 역학을 측정하기 위해 디지털 이미지 상관 관계와 입체 사진 측량 기술이 사용되고 있습니다.이러한 방법은 일반적으로 변위 및 변형률을 측정하여 결점의 위치를 식별합니다.비회전 풍력 터빈의 동적 특성은 디지털 이미지 상관 관계와 사진 측량법을 ^[51]사용하여 측정되었다.풍력 ^[52]터빈의 회전 역학을 측정하기 위해 3차원 지점 추적도 사용되었다.

테크놀로지

일반적으로 효율은 터빈 블레이드 길이에 따라 증가합니다.블레이드는 단단하고 튼튼하며 내구성이 뛰어나고 가볍고 ^[53]피로에 강해야 합니다.이러한 성질을 가진 재료에는 폴리에스테르, 에폭시 등의 복합재료가 포함되며,^[54] 강화에는 유리섬유와 탄소섬유가 사용되었습니다.시공에는 수동 레이업 또는 사출 성형 작업이 필요할 수 있습니다.기존 터빈을 더 큰 블레이드로 개조하면 재설계의 작업 및 위험을 줄일 수 있습니다.

2021년 기준으로 가장 긴 블레이드는 115.5m(379ft)^[55]였으며 최대 소음 레벨 118dB(A)의 15MW를 생산했습니다.블레이드는 20~25년에 걸쳐 1억 번의 로드 사이클에 걸쳐 기능해야 합니다.

블레이드 재료

풍력 터빈 블레이드에 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같습니다.

유리 및 탄소 섬유

복합 재료의 강성은 섬유 강도와 부피 함량에 따라 결정됩니다.일반적으로 복합재료에서는 E-유리 섬유를 주요 보강재로 사용한다.일반적으로 풍력 터빈 블레이드용 유리/에폭시 복합 재료는 중량 기준으로 최대 75%의 유리를 포함합니다.이는 강성, 인장 및 압축 강도를 높입니다.유망한 복합 재료는 S-유리, R-유리 등과 같이 변경된 조성을 가진 유리 섬유입니다.Owens Corning이 개발한 다른 유리 섬유로는 ECRGLAS, Advantex 및 WindStrand가 ^[56]있습니다.

탄소섬유는 유리섬유보다 인장강도와 강성이 높고 밀도가 낮다.이러한 성질의 이상적인 후보는 높은 인장 ^[54]하중을 받는 블레이드의 구조 요소인 스파 캡입니다.100미터(330피트) 유리섬유 블레이드의 무게는 최대 50톤(110,000파운드)이지만, 스파에 탄소섬유를 사용하면 무게가 20~30%, 약 15톤(33,000파운드)^[57] 절감됩니다.그러나 탄소섬유가 10배나 비싸기 때문에 유리섬유가 여전히 우세하다.

하이브리드 보강재

하이브리드 디자인은 순수한 유리나 순수한 탄소로부터 풍력 터빈 블레이드를 보강하는 대신 무게와 비용을 교환합니다.예를 들어, 8미터(26피트) 블레이드의 경우 탄소 섬유로 완전히 교체하면 중량은 80% 절감되지만 비용은 150% 증가하며, 30% 교체하면 중량은 50% 절감되고 비용은 90% 증가합니다.하이브리드 보강재로는 E-유리/탄소, E-유리/아라미드가 있다.현재 LM 풍력의 가장 긴 블레이드는 카본/유리 하이브리드 복합재료로 제작되었습니다.재료의 최적 구성에 대한 더 많은 연구가 필요합니다.

나노공학적 고분자 및 복합재료

복합재 중합체 매트릭스에 소량의 나노인포스먼트(탄소나노튜브 또는 나노층)를 첨가하면 섬유사이징 또는 층간층 피로에 대한 저항성, 전단강도 또는 압축강도 및 파괴인성을 30%~80% 향상시킬 수 있다.소량의 탄소나노튜브(CNT)를 포함하면 수명을 최대 1500%까지 늘릴 수 있다는 연구 결과도 있다.

비용.

2019년 현재^[update] 풍력 터빈 운영에는 생산 에너지 ^[59]1메가와트당 약 100만 달러가 소요될 수 있다.

풍력 터빈 블레이드의 경우 하이브리드 유리/탄소 섬유 블레이드의 재료 비용은 전체 유리 섬유 블레이드보다 훨씬 높지만 인건비는 더 낮출 수 있습니다.탄소섬유를 사용하면 원재료를 적게 사용하는 심플한 설계가 가능합니다.블레이드 제작의 주요 제조 공정은 플라이를 적층하는 것입니다.블레이드가 얇아지면 레이어 수를 줄일 수 있으며, 경우에 따라서는 유리섬유 ^[60]블레이드의 인건비와 같은 작업량을 줄일 수 있습니다.

비블레이드 소재

로터 블레이드 이외의 풍력 터빈 부품(로터 허브, 변속 장치, 프레임 및 타워 포함)은 대부분 강철로 제조됩니다.소형 터빈(메가와트급 Enercon 터빈도 포함)은 터빈을 보다 가볍고 효율적으로 만들기 위해 이러한 부품에 알루미늄 합금을 사용하기 시작했습니다.피로와 강도 특성을 개선할 수 있다면 이러한 경향은 커질 수 있습니다.사전 응력 콘크리트가 타워의 재료에 점점 더 많이 사용되고 있지만, 터빈의 강도 요구 사항을 충족하기 위해서는 여전히 많은 보강 강철이 필요합니다.또한, 스텝업 기어박스는 ^[53]자성 물질이 필요한 가변 속도 발전기로 점점 더 많이 대체되고 있습니다.특히, 이것은 희토류 금속 네오디뮴의 더 많은 공급을 필요로 할 것이다.

현대식 터빈은 발전기,^[61] 케이블 등에 몇 톤의 구리를 사용합니다.2018년 현재^[update], 풍력 터빈의 전 세계 생산량은 ^[62]연간 450,000톤(9억9,000만파운드)의 구리를 사용하고 있습니다.

자재 공급

유럽의 풍력 에너지 재료 소비 동향과 요구 사항을 조사한 결과, 터빈이 클수록 귀금속 소비량은 더 높지만 발생하는 kW당 재료 투입량은 더 낮았다.현재 자재 소비량과 재고량을 다양한 육상 시스템 크기의 입력 자재와 비교했습니다.모든 EU 국가에서 2020년 추정치는 2009년에 소비된 값의 두 배에 달했다.이들 국가는 2020년 추정 수요를 충족하기 위해 자원을 확장해야 할 것이다.예를 들어 현재 EU는 세계 플루오르파 공급량의 3%를 보유하고 있으며 2020년까지 14%를 필요로 한다.세계적으로 주요 수출국은 남아프리카공화국, 멕시코, 중국이다.이는 마그네슘, 은, 인듐 등 에너지 시스템에 필요한 다른 중요하고 가치 있는 재료와 유사합니다.이러한 물질의 재활용 수준은 매우 낮으며, 그것에 초점을 맞추면 공급이 완화될 수 있습니다.발광다이오드(LED), 포토볼텍스(PV), 액정표시장치(LCD) 등 다른 신기술에도 활용되기 때문에 수요는 ^[63]더욱 늘어날 것으로 예상된다.

미국 지질조사국의 연구에 따르면 2030년까지 풍력 발전에서 전력의 20%를 공급하겠다는 미국의 약속을 이행하는 데 필요한 자원을 추정했다.소규모 터빈이나 해상 터빈에 대한 요구사항은 연구가 수행된 2008년에는 일반적이지 않았기 때문에 고려하지 않았다.주철, 강철 및 콘크리트와 같은 일반 재료는 2008년에 비해 2%-3% 증가할 것입니다.연간 110,000~115,000톤의 섬유 유리가 필요한데, 이는 14% 증가한 것입니다.레어 메탈의 사용은, 사용 가능한 공급에 비해 크게 증가하지 않지만, 배터리등의 다른 기술에도 사용되고 있는 레어 메탈의 세계적인 수요를 고려할 필요가 있다.필요한 토지는 육지 50,000 평방 킬로미터와 해상 11,000 평방 킬로미터가 될 것입니다.미국은 면적이 넓고 같은 땅을 농사에 사용할 수 있기 때문에 이것은 문제가 되지 않을 것이다.더 큰 과제는 수요가 ^[64]많은 지역으로의 변동성과 전염성입니다.

풍력 터빈 발전기용 영구 자석은 네오디뮴(Nd), 프라세오뮴(Pr), 터비움(Tb), 디스프로슘(Dy) 등의 희귀 금속을 함유하고 있다.자기 직접 구동 터빈을 사용하는 시스템에는 더 많은 양의 희귀 금속이 필요합니다.따라서 풍력 터빈 제조의 증가는 이러한 자원에 대한 수요를 증가시킬 것이다.2035년까지 Nd의 수요는 4,000톤에서 18,000톤, Dy의 수요는 200톤에서 1200톤 증가할 것으로 예상됩니다.이 값은 현재 생산량의 1/4에서 절반까지입니다.그러나 기술이 빠르게 ^[65]발전하고 있기 때문에 이러한 추정치는 매우 불확실하다.

희토류 광물에 대한 의존도는 중국이 희토류 광물의 주요 생산국(2009년 96%)이며 수출 ^[66]쿼터를 줄이고 있기 때문에 비용과 가격 변동의 위험을 무릅썼다.그러나 최근 들어 다른 생산국이 생산량을 늘리고 중국은 수출 쿼터를 늘리면서 공급과 비용 절감을 꾀하고 가변속 ^[67]발전기의 대규모 사용 가능성을 높이고 있다.

유리섬유는 가장 일반적인 보강 재료이다.건설, 교통, 풍력 터빈의 성장으로 수요가 증가했다.2014년 85억 달러에 비해 2024년에는 세계 시장 규모가 174억 달러에 달할 것으로 예상됩니다.2014년 아시아 태평양 지역의 시장 점유율은 45%를 넘어섰으며, 현재는 중국이 최대 생산국입니다.이 산업은 중국 정부로부터 보조금을 받아 미국과 유럽으로 더 싸게 수출할 수 있다.그러나 가격전쟁은 중국산 유리섬유의 ^[68]관세 등 반덤핑 조치로 이어졌다.

풍력 터빈이 일반 전시

몇몇 지역에서는 풍력 터빈을 기지 주변에 방문자 센터 또는 멀리 떨어진 ^[69]전망 구역으로 공개 전시함으로써 풍력 터빈의 관심을 끄는 특성을 이용했다.풍력 터빈은 일반적으로 전통적인 수평축, 3블레이드 설계로 전기 그리드를 공급하기 위한 전력을 발생시키지만, 기술 시연, 홍보, 교육 등의 비상식적인 역할도 수행한다.

소형 풍력 터빈

소형 풍력 터빈은 온/오프 그리드 주택, 통신 타워, 연안 플랫폼, 시골 학교와 클리닉, 원격 모니터링 및 전기 그리드가 없거나 그리드가 불안정한 곳에서 에너지를 필요로 하는 기타 목적을 포함한 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다.소형 풍력 터빈은 보트 또는 캐러밴용 50와트 발전기만큼 작을 수 있습니다.하이브리드 태양광 및 풍력 발전 장치는 교통 표지판에 점점 더 많이 사용되고 있으며, 특히 시골 지역에서 가장 가까운 주 연결 지점에서 ^[70]긴 케이블을 설치할 필요가 없기 때문이다.미국 에너지부의 NREL(National Reable Energy Laboratory)^[71]은 소형 풍력 터빈을 100kW 이하로 정의한다.소형 유닛에는 직접 구동 제너레이터, 직류 출력, 공기 탄성 블레이드, 수명 베어링이 있으며 바람을 향하기 위해 베인을 사용합니다.

더 크고 비용이 많이 드는 터빈은 일반적으로 기어드 파워트레인, 교류 출력 및 플랩을 갖추고 있으며, 적극적으로 바람을 가르키고 있다.대형 풍력 터빈용 직접 구동 발전기와 공기 탄성 블레이드가 연구되고 있다.

풍력 터빈 간격

대부분의 수평 풍력 터빈 양식장에서는 로터 직경의 약 6-10배 간격이 유지되는 경우가 많다.단, 대형 풍력발전소의 경우 일반적인 풍력 터빈과 육상 비용을 고려하여 약 15 로터 직경의 거리가 더 경제적이어야 한다.이러한 결론은 전체 난류 대기 경계층과 풍력 터빈(웨이크) 간의 상세한 상호작용을 고려한 컴퓨터 시뮬레이션을^[74] 기반으로 존스 홉킨스 대학의^[73] 찰스 메네보와 벨기에 루벤 대학의 요한 마이어스가 수행한 연구에 의해^[72] 도출되었다.

Caltech의 John Dabiri의 최근 연구에 따르면 이웃 터빈의 날개가 ^[75]서로 접근할 때 같은 방향으로 이동할 수 있도록 번갈아 회전 패턴이 만들어지면 수직 풍력 터빈이 훨씬 더 가깝게 배치될 수 있다.

조작성

유지

풍력 터빈은 신뢰성과 가용성을 유지하기 위해 정기적인 유지보수가 필요하다.최상의 경우 터빈은 98%의 시간 ^[76][77]동안 에너지를 생성할 수 있습니다.터빈 블레이드의 얼음 부착은 풍력 터빈의 효율성을 크게 떨어뜨리는 것으로 확인되었으며, 이는 클라우드 내 결빙 및 결빙 비가 ^[78]발생하는 추운 기후에서 공통적으로 발생하는 과제입니다.제빙은 주로 내부 가열에 의해 수행되며,^[79] 경우에 따라서는 가솔린으로 구동되는 헬리콥터가 블레이드에 깨끗하고 따뜻한 물을 분사하는 방식으로 수행됩니다.

최신 터빈에는 일반적으로 유지 보수 도구와 작은 구성 요소를 들어올리기 위한 소형 기중기가 있습니다.그러나 발전기, 기어박스, 블레이드 등 크고 무거운 부품은 거의 교체되지 않으며, 그러한 경우 무거운 리프트 외부 크레인이 필요합니다.터빈에 진입로가 어려운 경우 컨테이너형 크레인을 내부 크레인에 의해 들어올려 무거운 ^[80]리프팅을 제공할 수 있습니다.

전원 공급

새로운 풍력 터빈의 설치는 논란이 될 수 있다.대안으로 기존 풍력 터빈을 더 크고 강력한 풍력 터빈으로 교체하는 재파워링이 있다. 때로는 용량을 유지하거나 늘리면서 소수의 풍력 터빈으로 대체하기도 한다.

해체 및 재활용

사용되지 않는 일부 풍력 터빈은 재활용되거나 전력을 ^[81][82]다시 공급받는다.터빈 재료의 85%는 쉽게 재사용되거나 재활용되지만 복합 재료로 만들어진 블레이드는 ^[83]가공하기가 더 어렵습니다.

재활용 블레이드에 대한 관심은 시장에 따라 다르며 폐기물 법규와 지역 경제에 따라 달라집니다.재활용 블레이드의 문제는 에폭시 수지에 탄소 섬유가 포함된 섬유 유리로 만들어진 복합 재료와 관련이 있으며, 이 복합 재료는 새로운 복합 재료를 형성하기 위해 다시 몰딩할 수 없습니다.따라서 블레이드를 매립지로 보내거나 블레이드에서 발견된 블레이드 및 복합 재료 요소를 재사용하거나 복합 재료를 새로운 재료 소스로 변환하는 방법이 있습니다.

풍력발전 폐기물은 다른 쓰레기보다 독성이 적다.풍력 산업 무역 협회, 미국 풍력 에너지 ^[84]협회에 따르면 풍력 터빈 블레이드는 미국 전체 폐기물의 극히 일부에 불과합니다.미국 와이오밍주 캐스퍼시는 재활용이 불가능한 1,000개의 블레이드를 매립지에 매립하여 67만 5천 달러를 벌어들였습니다.

여러 유틸리티, 신생 기업 및 연구자가 ^[85]블레이드를 재사용하거나 재활용하는 방법을 개발하고 있습니다.제조사인 베스타스는 섬유와 수지를 분리해 ^[86]재사용할 수 있는 기술을 개발했다.독일에서 풍력 터빈 블레이드는 시멘트 공장의 ^[85]대체 연료 혼합의 일부로 상업적으로 재활용됩니다.영국에서는 고속 ^[87]2를 건설할 때 배출량을 줄이기 위해 절단날을 콘크리트에서 철근으로 사용할 수 있도록 스트립으로 시험하는 프로젝트가 실시된다.사용이 끝난 풍력 터빈 블레이드는 폴란드와 ^[89]아일랜드의 보행자^[88] 교량 내 지지 구조물의 일부로 통합하여 재활용되었습니다.

화석 연료 터빈과의 비교

이점

풍력 터빈은 최저가 재생 에너지원 중 하나인 킬로와트시 당 2-6센트로 전기를 생산한다.^[90][91]풍력 터빈에 필요한 기술이 계속 향상되면서 가격도 낮아졌다.게다가, 바람은 자유롭게 이용할 수 있는 천연자원이기 때문에 현재 풍력 에너지 시장은 경쟁적이지 않다.^[90]소형 풍력 터빈의 주요 비용은 구입 및 설치 과정으로, 설치당 평균 48,000달러에서 65,000달러 사이입니다.터빈에서 얻은 에너지는 설치 비용을 상쇄할 뿐만 아니라 수년 ^[92]동안 사실상 무료 에너지를 제공할 것입니다.

풍력 터빈은 깨끗한 에너지원을 ^[93]제공하고,^[2] 물을 거의 사용하지 않으며, 작동 중에 온실가스를 배출하지 않고 폐기물을 배출하지 않습니다.화석 ^[94]연료에서 나오는 1메가와트 에너지 대신 1메가와트 터빈을 사용하면 연간 1,400톤 이상의 이산화탄소를 제거할 수 있습니다.

단점들

풍력 터빈은 높이가 140미터(460피트)가 넘고 날개가 55미터(^[95]180피트)에 달할 정도로 매우 클 수 있으며, 사람들은 종종 그들의 시각적 영향에 대해 불평해왔다.

풍력의 환경적 영향은 야생동물에 미치는 영향을 포함하지만 적절한 모니터링 및 완화 전략이 ^[96]구현되면 완화될 수 있다.풍력 터빈이 인공적인 조류 사망률에 상대적으로 크게 기여하지 않지만, 희귀종을 포함한 수천 마리의 새들이 풍력 ^[97]터빈의 날개에 의해 죽었다.풍력 발전소와 원자력 발전소는 기가와트시(GWh)당 0.3~0.4마리의 조류 사망을 일으키는 반면, 화석 연료 발전소는 GWh당 약 5.2마리의 사망을 초래한다. 2009년 미국에서는 풍력 터빈에 의해 죽은 새 한 마리당 약 50만 마리와 건물에 ^[98]의해 죽은 다른 50만 마리가 죽었다.이에 비해 기존 석탄 연소 발전기는 연막의 상승 기류에 휘말렸을 때 소각하고 배출 부산물(연막 가스의 미립자 및 중금속 포함)에 중독됨으로써 조류 사망률에 크게 기여한다.또한, 해양 생물은 핵 및 화석 연료 발전기를 위한 증기 터빈 냉각탑(열 교환기)의 수분 섭취, 해양 생태계의 석탄 분진 퇴적물(예: 호주의 그레이트 배리어 리프) 및 연소 모노옥사이드로부터의 물 산성화에 의해 영향을 받는다.

풍력 터빈에 의해 이용되는 에너지는 간헐적이며, "디스패치 가능한" 동력원이 아닙니다. 그 가용성은 전기가 필요한지 아닌 바람이 불고 있는지에 따라 결정됩니다.터빈은 풍력 접근을 극대화하기 위해 능선이나 절벽에 설치될 수 있지만,^[90] 이는 또한 터빈이 설치될 수 있는 위치를 제한합니다.이런 식으로, 풍력 에너지는 특별히 신뢰할 수 있는 에너지원이 아니다.다만, 에너지 믹스의 일부를 형성할 수 있습니다.에너지 믹스에는 다른 전원으로부터의 전력도 포함됩니다.특히 풍력 및 태양 에너지원에서 상대적으로 이용 가능한 출력은 종종 반비례한다(균형).^{[citation needed]}과잉 에너지를 저장하기 위한 기술도 개발되고 있어 공급 부족분을 메울 수 있다.

기록.