풍력터빈(3) 공기역학적 aerofoil

 

 

공기 역학적 터빈 

비행기 날개는 어떻게 작동할까요? 날개 모양은 이렇고 공기가 들어와서 이렇게 흐릅니다. 특정 모양 때문에 공기가 강제로 흐르게 됩니다. 그 결과 위로 가는 공기와 아래로 가는 공기는 다른 경로를 거쳐야 합니다. 이 경로는 더 작고 저 경로는 더 큽니다. 다시 베르누이 원리에 따라 압력 차이가 발생하고, 이 압력 차이로 인해 위쪽으로 들어 올리는 힘이 생깁니다.

따라서 실제로 두 개의 힘이 있습니다. $F_D$를 끌어당기는 힘이라고 하고, $F_L$을  들어 올리는 힘이라고 합니다. 실제로 두 개의 힘이 있으며, 비행기의 경우 끌어당기는 힘은 제트 엔진에 의해 극복되고, 들어 올리는 힘은 비행기가 떠 있게 합니다.

에어포일이 공기 방향으로 정확히 향하고 있는 것처럼 보이지만 항상 그런 것은 아니기에  힘을 어떻게 시각화할 수 있을까요?  에어포일이 보는 바람의 벡터 합계를 구해야 합니다. 

여기서 바람 속도 v와 에어포일 속도 -u 벡터를 합산했습니다. 이것을 상대 바람(relative wind)이라고 하고 w로 표시합니다. 따라서 에어포일이 상대 바람을 이렇게 보고 있다면 힘의 방향은 어떻게 될까요?

분명히 동일한 두 힘으로 표현합니다. 에어포일이 w를 상대 바람으로 본다면 끌어당기는 힘($F_D$)은 상대 바람 방향을 따라 작용합니다. 들어 올리는 힘($F_L$)은 그 힘에 수직으로 작용합니다. 적절하게 설계된 에어포일의 경우 들어 올리는 힘이 끌어당기는 힘보다 훨씬 큽니다. $F_D,F_L$두 개를 합산한 결과가 total 힘 F입니다. 이것이 비행기 날개, 헬리콥터 날개, 풍력 터빈에서 발생하는 일 F 입니다.

이 힘F는 다시 운동 방향과 운동에 수직인 방향으로 나눌 수 있습니다. 운동 방향으로 작용하는 구성 요소는 운동을 돕습니다. 즉 이 힘은 이미 움직이고 있던 방향으로 움직이게 합니다. 

따라서 실제로 풍력 터빈은 이 힘 때문에 회전합니다. 모든 현대식 풍력 터빈은 이러한 원리로 작동하며, 추력 원리, 즉 밀어내는 힘으로 작동하는 것이 아니라 들어 올리는 힘으로 작동합니다.

오늘 제가 보여드리려고 노력한 것은 현대식 풍력 터빈, 고효율 풍력 터빈에 대해 이야기하려면 공기 역학을 이해해야 하고, 공기 역학의 본질은 제가 방금 그린 벡터 다이어그램에 담겨 있다는 것입니다. 이것을 이해했다면 자연스럽게 에어포일이 풍력 터빈에 정확히 어떻게 배치되어 있는지 궁금해질 것입니다. 풍력 터빈, 즉 현대식 풍력 터빈은 이와 같습니다. 샤프트가 있고, 수평축 풍력 터빈이며, 날개가 있고, 타워 위에 있어야 합니다.

앞에서 보면 날개를 단순하게 그리면 2개만 그릴 것입니다. 
날개를 자르면 그 단면이 에어포일 단면과 같습니다. 

끌어당기는 힘을 최소화하고 들어 올리는 힘을 극대화해야 합니다. 따라서 바람이 보는 면적이 최소가 되도록 하고 싶을 것이고, 에어포일이 상대 바람 방향으로 향할 때 면적이 최소가 됩니다.

그래서 이것은 실제로 그 방향으로 수평이 아니라 실제로 기울어져 있으며, 이 부분에서는 그와 같이 향하고 있습니다. 따라서 움직이면 바람이 불어와서 움직이지만, 상대 바람 방향이 보는 모든 것은 또한 그 방향으로 향합니다. 이 angle는 일반적으로 가변적이며 pitch angle 라고 합니다.

풍력 터빈의 기본 원리

우리는 풍력 터빈을 구동하는 주된 힘은 양력이라는 것을 확인했고, 비행기 날개 단면 그림으로 설명했습니다. 에어포일이 있었고, 어느 시점에서 우리는 운동 방향인 u와 유입되는 공기 흐름의 방향인 v를 그렸습니다. 그래서 우리는 -u와 v 벡터를 얻었고, 그것들을 함께 더해서 상대 바람의 벡터인 w를 얻었습니다. 그리고 이 상대 바람을 기반으로, 같은 방향으로 생성되는 힘 항력 $F_D$ 와 상대 바람에 수직으로 생성되는 항력보다 큰 힘이 있는데, 그것이 양력 $F_L$ 입니다.

따라서 운동 방향으로 양력과 운동 반대 방향으로 항력이 있는데, 양력이 항력을 압도하기 때문에 운동 방향으로 더 밀어내려고 한다고 볼 수 있습니다. 본질적으로 이게 기본 원리입니다.

수치 예측의 필요성 

그러나 엔지니어들은 종종 어떤 수치적인 예측을 얻으려고 합니다. 우리는 풍력 터빈이 얼마나 생산할지 예측할 수 있어야 합니다. 풍력 터빈은 얼마나 많은 전력을 생산할까요? 얼마나 많은 토크를 생산할까요? 뿐만 아니라, 풍력 터빈이 이와 같이 회전하고 바람이 불어오면, 그것을 넘어뜨리려고 하는 힘, 즉 추력도 있을 것입니다. 즉, 바람이 그것을 회전하게 만들지만, 그것은 바람이 오는 방향에 수직인 방향으로 회전하며, 그것은 타워를 넘어뜨리려고 합니다.

바람의 힘과 블레이드의 회전 

바람이 불어오고 풍력 터빈은 회전합니다. 바람이 불어오는 v와 u의 방향은 서로 수직일 것입니다.  지난 글에서는 일반적인 그림을 그렸지만 여기서는 두 벡터가 직교하는 풍력 터빈을 구상해봤습니다. 결과적으로 이와 같이 평행사변형을 구성하여 w 즉 상대 바람 벡터를 볼 수 있습니다.  같은 방향으로 항력이 $F_D$가 있으며, 수직 방향으로 양력 $F_L$이 있습니다. 이를 함께 더하면 total Force, 즉 F 총 힘이라고 부릅시다.

이제 total force F를 운동방향성분 $F_M$ 와 바람이 불어오는 방향성분 $F_T$으로 분해해볼 수 있습니다. $F_T$ 성분은 무엇을 할까요? 그것은 v의 방향에 있다는 것을 주목하십시오. 즉 이것은 타워를 넘어뜨리려고 하는 힘이고 또 블레이드가 움직이는 동일한 방향으로 작용하는 또 다른 힘이 있으며, 따라서 그것이 모멘트를 생성합니다. 따라서 $F_T$ 를 추력이라고 하고, 다른 힘을 $F_M$ moment producing force 라고 합니다.

 

블레이드 요소 분석

우리가 이 모든 것을 계산할 때 한 번에 전체 블레이드에 대한 계산을 할 수 없습니다. 왜냐하면 다음과 같은 회전하는 하나의 블레이드를 생각해보겠습니다. 여 기에서 u는 무엇일까요? u는 블레이드의 속도, 즉 블레이드의 선형 속도를 의미합니다. 만약 그것이 특정 각속도로 회전한다면, 블레이드의 부분별 선형 속도가 전부 다를 것이라는 것입니다. 블레이드를 따라서 선형 속도가 변할 것이고, 따라서 이러한 벡터들은 블레이드를 따라 크기와 방향 모두 다를 것입니다.

따라서, 이 계산을 하기 위해 우리가 하는 일은 블레이드를 작은 섹션으로 나누는 것입니다. 그런 다음 그 중 하나를 가져와서 그것에 대해 이러한 종류의 힘 다이어그램을 그릴 수 있습니다. 각 부분들에 대해 크기가 다를 것이고 v 크기는 동일하게 유지되지만 u 크기는 변할 것입니다. 자연스럽게, w의 방향이 변하고, 이러한 모든 힘들의 방향이 변할 것입니다. 따라서 우리는 각 섹션에 대해 이 계산을 해야 합니다. 손으로 계산한다면 블레이드를 3개 또는 4개 정도의 섹션으로 나누고 손으로 계산을 할 수 있습니다.
그러나 보통 실제 계산은 컴퓨터에 의해 설계되고 수행됩니다. 컴퓨터에서 우리는 이것들을 많은 작은 섹션으로 정의하고, 각 섹션에 대해 계산을 수행한 후 합산하여 블레이드에 가해지는 전체 추력을 구할 수 있습니다. 유사하게 모멘트도 각 섹션의 모멘트들은 전체 모멘트를 얻기 위해 함께 추가되어야 할 것입니다. 따라서, 우리는 r 거리에 있는 특정 섹션이 dr이라는 너비를 가지고 있다고 생각하고 계산을 할 수 있습니다. 이제, 어떤 계산을 할까요?

블레이드 F 계산 

이제, 계산은 본질적으로 FL과 FT에 대한 표현에서 시작됩니다. 아주 작은 미소 섹션에서 $F_L$과 $F_D$는 $d{F}_D,d{F}_M,d{F}_T,d{F}_L,dF$ 로 나타낼 수 있습니다. 이제, 생성될 양력은 무엇일까요? 생성될 양력 $d{F}_L=\frac{1}{2}\rho d{A}_b{w}^2{C}_L$입니다. $d{A}_b$는 블레이드의 미소면적이고 양력 계수 $C_L$이 추가됩니다. 이 양력 계수는 블레이드의 모양, 블레이드의 거칠기 등에 달려 있습니다.

제가 이 특정 모양을 그렸을 때, 당신은 이것의 기하학이 무엇인지, 그것에 대한 방정식이 무엇인지 물어볼 수 있습니다. 실제로, 다양한 기하학이 존재합니다. 사람들은 다양한 기하학에 대해 실험해 왔습니다. 비행기 날개를 보면 곡선을 볼 수 있습니다. 하지만 각 비행기, 각 설계에서 이 곡선은 다릅니다. 즉, 이러한 방정식들이 다릅니다. 실제로 무슨 일이 일어나냐면, 사람들은 다양한 설계를 실험해 왔습니다. 실험은 일반적으로 풍동에서 수행됩니다. 그들은 큰 풍동을 건설했고, 그 안에 이 특정 모양의 에어포일을 넣고, 바람을 불어넣고, 생성된 항력의 양과 생성된 양력의 양에 대해 정확한 측정을 합니다. 그리고 거기에서, 이 양력 계수와 항력 계수를 계산할 수 있습니다.

따라서, 이것은 생성된 양력 $d{F}_L$ 에 대한 표현이고 $d{F}_D$에 대한 표현도 유사한데 여기에 계수만 다를 뿐입니다(즉 항력 계수 $C_D$).

이제 이 두 가지 요소 $d{F}_L,d{F}_D$를 알았으니 무엇을 알 수 있을까요? $d{F}_T$ 와 $d{F}_L$ 사이 각을 I 라고 한다면 그러면 우리는 I를 이용해 여러 요소에 대한 식을 만들 수 있습니다. 우리가 실제로 관심있는 것은 추력 $F_T$입니다. 왜냐하면 타워는 그만큼의 힘을 견뎌야 하기 때문입니다. 그리고 우리는 모멘트 생성력 $F_M$에도 관심이 있습니다. 왜냐하면 생성되는 동력은 여기에 달려 있기 때문입니다. 따라서, 우리는 이것을 분해하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있습니다.
$d{F}_T=d{F}_{L}cos(I)+d{F}_{D}sin(I)$
$d{F}_M=d{F}_{L}sin(I)-d{F}_{D}cos(I)$

 

 

여기까지

Moment

이제, dFM은 이 힘입니다. 네, dFL sin I 빼기... 네, dFL sin I 빼기 dFD cos I, 맞습니다. 이제, dFM은 모멘트 생성력입니다. 모멘트는 얼마일까요? 모멘트는 모멘트 생성력 곱하기 r이 될 것입니다. 따라서 모멘트 dM은 r \times dFM 입니다. 따라서 모멘트를 계산할 수 있습니다. 왜냐하면 dFL과 dFD, 만약 우리가 이 모든 항들을 알고 있다면, rho는 공기의 밀도이고 기압에 따라 변합니다. 하지만 일반적으로 rho를 1.225 kg/m^{3} 으로 가정합니다. 면적은 우리가 측정할 수 있고, w 제곱은 이 두 가지에서 얻어지고, u는 거리에 따라 얻어지고, 양력계수CL과 항력계수CD는 특정 에어포일의 특성에서 얻어집니다. 즉 각 에어포일에 대해 사람들이 풍동실험을 통해 계수를 측정하는 것입니다.

요즘에는 주로 인터넷에서 찾을 수 있습니다. 이전에는 인터넷에서 사용 가능하지 않았지만, 요즘에는 에어포일 특성을 검색하면 몇 군데 장소, 몇 군데 대학이 있습니다. 예를 들어, 슈투트가르트 대학은 큰 풍력 터빈, 풍동을 가지고 있고, 그들의 데이터는 인터넷에서 사용 가능합니다. 위스콘신 대학은 큰 풍동을 가지고 있고, 그들의 데이터는 인터넷에서 사용 가능합니다. 따라서, 이러한 것들은 쉽게 계산할 수 있습니다
이제, 어떤 형태로 사용 가능할까요? 이것의 대표적인 그래프를 보여드리겠습니다. 예를 들어 특정 에어포일의 경우 NACA, 즉 미국 국립 항공 자문 위원회의 이름을 따서 명명됩니다. 또 보트만에 의해 독일에서 설계된 몇 개의 에어포일이 있습니다. 그래서 이 에어포일들은 고
유이름과 고유번호를 가지고 있습니다. 

데이터는 종종 받음각 (Angle of Attack, i)에 따른 CL CD의 그래프로 존재합니다. 이제, 이 받음각(angle of attack)은 무엇일까요? 받음각은 에어포일의 시위선(Chord line)과 바람 사이의 각도입니다. Chord line은 에어포일의 head와 tail을 연결한 선입니다. 에어포일로 공기가 불어오면 에어포일을 이와 같이 유지할 수 있습니다. 
이것이 있다면, 현의 선을 그릴 수 있고, 상대 바람이 이 각도에서 불어오면, 이것이 받음각이고, 이 각도는 작은 i로 표시됩니다. 따라서 데이터를 찾아본다면 모든 받음각에 대해 CL과 CD가 제시되어 있습니다. 실험을 통해 계산하고 찾아냈고 인터넷에서 사용할 수 있게 했습니다. 따라서, 이와 같은 그래프가 있습니다.
그래프를 그리면, 작은 i 대 CL과 작은 i 대 CD는 일종의 특징을 가질 것입니다. 이러한 것들은 그 특정 에어포일에 매우 구체적이고, 일반적인 특징은 없습니다.

미소 섹션에 따른 Angle of Attack, Power

앞에서 블레이드를 너비 dr로 나누었습니다. 여기에서 각 블레이드 요소에 대한 받음각에 따라 CD 값과 CL 값을 읽어야 하며, 그것을 여기에 대입해야 합니다. 각 블레이드 요소에 대해 받음각이 다를 것이라는 것은 분명합니다. 어떤 의미에서? 당신이 여기에 그린 대문자 I는 양력과 바람 속도 사이의 각도입니다. 이것은 받음각이 아닙니다. 왜냐하면, 이 블레이드, 블레이드가 정렬되지 않았기 때문입니다. 그것의 현은 운동 방향과 정확히 일치하지 않습니다. 그것은 피치 각도라는 각도를 가지고 있고, 따라서 받음각을 찾기 위해 I에서 그것을 빼야 합니다. 거기에서 CL과 CD 값을 읽어야 하고, 그러면 모든 것이 뒤따릅니다.
따라서, 거기에서 모멘트를 계산합니다. P = 모멘트 \times \omega  모멘트 곱하기 오메가(회전 속도)는 동력입니다. 따라서, 동력도 계산할 수 있습니다. 어떤 주어진 조건에서도, 동력도 계산할 수 있습니다. 따라서 이것은 풍력 터빈에 의해 생성될 동력뿐만 아니라 추력을 계산하는 매우 간단한 방법입니다.

블레이드를 따라 u, 즉 선형 속도가 변하기 때문에 블레이드의 서로 다른 지점에서 모멘트가 다를 것입니다. 왜냐하면 중심으로부터 먼 지점에서 u가 크기 때문입니다. u가 크기 때문에 w가 크고 따라서 양력이 크고, 따라서 블레이드의 끝에 있는 성분이 중심에 가까운 성분을 더욱 압도할 것입니다. 결과적으로 블레이드 내에서 끝 부분은 더 빨리 날아가려고 할 것이고, 때문에 블레이드가 부서지려고 하는 일종의 전단력이 생성될 것입니다. 이것이 블레이드 고장의 주요 원인 중 하나입니다. 또 다른 힘이 있는데, 여기에 블레이드가 있고 추력이 생성됩니다. 팁에는 더 큰 추력이 생성될 것이고, 블레이드 내부에는 더 작은 추력이 생성될 것입니다. 결과적으로, 구부리는 종류의 힘이 생성될 것이고, 그 구부리는 힘도 고장의 원인이 될 수 있습니다.

블레이드의 구조적 설계 대책 

일반적으로, 사람들은 두 가지 방법으로 이 문제를 피하려고 노력합니다. 첫째, 테이퍼(taper)를 사용하는 것입니다. 블레이드의 중심과 가까운 안쪽의 면적이 바깥쪽의 면적보다 더 커서 팁으로 갈수록 테이퍼가 됩니다. 결과적으로 dAb는 팁에서 더 작아지고, 그래서 우리는 그 재료로 견딜 수 있는 한계 내에서  구부리는 힘을 유지하기 위해 조정할 수 있습니다. 다른 것은 v가 일반적으로 비틀림을 생성한다는 것입니다.

비틂은 기울어진 이 피치 각도가 동일할 필요가 없다는 것을 의미합니다. 사실, 같지 않아야 합니다. 왜냐하면, 안쪽에서는 u가 작을 것이고, 바깥쪽에서는 u가 클 것입니다. 따라서 블레이드의 안쪽 섹션의 w의 방향이 위쪽으로, 바깥쪽 섹션에서는 w의 방향이 아래쪽으로 기울어집니다. 

항력 최소화 설계

이제, 일반적으로 당신은 가능한 한 적은 항력이 생성되기를 원할 것입니다. 그러니까, 이것을 보세요. 항력이 얼마나 생성될까요? 그것은 바람이 보는 면적의 양입니다. 왜냐하면, 그것은 이와 같습니다. 이것이 면적이고, 이것이 w입니다. 따라서, 이것이 상대 바람이 보는 면적이고, 그것이 뒤로 밀어내려고 하는 면적이고, 따라서 그것이 왜 이 비례하냐면, w가 보는 면적입니다.
따라서, 그 항력을 줄이기 위해 무엇을 해야 할까요? 상대 바람의 방향을 따라 블레이드를? 정렬해야 합니다. 이제, 상대 바람은 블레이드 안쪽에서 팁으로 방향이 변하고, 따라서 당신은 블레이드 안쪽에서 팁으로 각도를 변경해야 할 것입니다. 그것은 비틀림이 있다는 것을 의미합니다. 따라서, 대부분의 현대식 풍력 터빈은 비틀림을 가지고 있습니다. 즉, 피치 각도는 블레이드 안쪽과 바깥쪽에서 동일하지 않습니다. 따라서, 이러한 두 가지 방법으로 우리는 블레이드의 여러 섹션에서 생성된 동력 사이에서 일종의 균형을 유지하려고 노력합니다. 

TSR, C_{p}, 

이제, 어떤 풍력 터빈과 관련된 몇 가지 매우 중요한 숫자가 있습니다.
중요한 숫자 중 하나는 팁 속도비(Tip Speed Ratio)입니다. 팁 속도비는 팁의 속도를 영향받지 않은 바람 속도($v_{\mathrm{\infty }}$)로 나눈 것입니다.
$TSR=\frac{2\pi Rn}{V_{\mathrm{\infty }}}$ n: 블레이드의 회전 속도(rpm)
바람 속도가 변함에 따라 회전 속도가 일정하게 유지되면, 팁 속도비가 변한다는 것을 주목하십시오.

또 다른 중요한 식별자가 있습니다. 한 가지는 매우 느린 터빈이 있다는 것입니다. 주로 물 펌핑에 사용되는 터빈은 천천히 회전하고 낮은 팁 속도비를 가질 것이고, 전기 생산에 사용되는 터빈은 빠르게 회전하고 높은 팁 속도비를 가질 것입니다. 느린 물 펌핑 풍력 터빈의 팁 속도비는 종종 1.5에서 2 정도이고, 전기 생산 풍력 터빈의 팁 속도비는 6에서 9 정도로 매우 빠르게 회전합니다. 블레이드는 바람 속도에 비해 매우 빠르게 회전합니다. 풍력 터빈과 관련된 또 다른 중요한 요소, 즉 중요한 숫자가 있습니다.

그것은 동력 계수($C_p$)입니다. 본질적으로 그것은 공기 역학적 효율입니다.
Power Coefficient = Power output / Power contained
유일한 차이점은 이 동력 출력 power output 이 전체 풍력 터빈 발전기 시스템의 실제 전기 동력 출력이 아니라는 것입니다. 이것은 공기 역학적 동력, 즉 바람에너지가 블레이드를 통해 기계 영역으로 변환된 동력입니다. 따라서 동력계수는 (출력된 기계적 동력 / 포함된 바람의 동력)으로 에너지가 기계적 동력으로 변환되는 비율을 의미합니다. 모든 풍력 터빈에 대해 C_{p}와 TSR 사이에 뚜렷한 관계가 있고, 그래프는 이와 같을 것입니다.

동력 계수 극대화 방안 pitch control

 x축에는 팁 속도비 TSR이고, y축은 동력 계수 CP입니다. 우리는 지난 글에서 가능한 최대 CP가 16/27이라고 유도했고 그것이 가능한 최대 CP입니다. 현대식 수평축 전기 생산 풍력 터빈과 처음에 얘기했던 사보니우스 로터의 경우를 그래프에 그려보면 이와 같은 곡선을 가집니다.
즉 현대 풍력 터빈의 피크는 베츠 한계에 매우 가깝습니다. 두 개의 실린더를 잘라서 함께 놓은 수직축 풍력 터빈인 사보니우스 로터는 왼쪽 아래에 있을 것입니다. 따라서, 모든 풍력 터빈은 이런 종류의 특성을 가질 것이고 이는 최대 동력 계수가 특정 TSR에서 발생한다는 것을 의미합니다. 즉, 바람 속도가 변함에 따라 TSR을 일정하게 유지하고 싶을 것이고, 팁 속도비는 팁의 속도를 바람 속도로 나눈 것이기 때문에 TSR을 유지하기 위해서는 팁의 속도도 바람의 속도와 비례적으로 변해야 합니다.
이제, 그것은 자동으로 발생하지 않습니다. 그렇게 되도록 하기 위해 우리는 무언가를 해야 하고, 우리는 바람 속도가 변함에 따라 피치 각도를 변경합니다.

왜 피치 각도를 변경해야 할까요? 왜냐하면, 항상 상대 바람과 정렬되기를 원하고, v가 변함에 따라 w의 방향도 변하므로, 블레이드를 회전시켜 항상 정렬되기를 원하고, 그것이 최대량의 에너지를 생산하는 방법입니다. 이것을 피치 제어라고 부릅니다. 그렇기 때문에 대부분의 전기 동력 생산에 사용되는 1MW 이상의 현대식 풍력 터빈은 이 피치 제어 메커니즘을 가지고 있습니다. 또 다른 유형의 풍력 터빈이 있는데, 그것은 특이한 모양의 풍력 터빈으로 다리우스 로터라고 불립니다.

다리우스 로터

다리우스 로터는 특이한 점이 있습니다. 그냥 보기만 해서는 그것이 어떻게 회전하는지 이해할 수 없을 것입니다. 그것들은 이와 같이 생겼습니다. 따라서 이것이 축입니다. 그것은 수직축 풍력 터빈이고, 여기에 발전기 시스템이 있고, 축은 실제로 어느 정도 길이까지 올라가고, 그런 다음, 연결된 것들이 있고, 그것은 아래로 묶여 있습니다.

이러한 블레이드는 얇고 에어포일 모양입니다. 이제, 당신은 바람이 불어와서 그것을 칠 때 양쪽의 블레이드를 밀려고 할 것이고, 따라서 힘이 생성되지 않고, 토크가 생성되지 않을 것이라고 말할 수 있습니다. 네, 맞습니다. 하지만 요점은 당신의 주장이 추력의 관점에서 나오고 있다는 것입니다. 그것이 얼마나 밀어내는지? 아니요, 현대식 풍력 터빈은 밀어내는 원리로 작동하지 않습니다. 따라서, 이것은 다시 에어포일의 양력 원리로 작동합니다. 그것이 실제로 어떻게 작동할까요? 이해하기 위해, 이런 식으로 그려봅시다.

중심에는 축이 있고 지점에서 우리는 에어포일 구조가 있습니다. 바람 v가 이 방향에서 불어오고 있다고 상상합시다. v와 -u로 평행사변형을 구성하고 w를 그릴 수 있습니다. 그리고 같은 방향으로 항력 $F_D$ 가 있고 수직 방향으로 양력 $F_L$이 있습니다.
당신은 양력이 운동 방향으로 성분을 가지고 있다는 것을 알 수 있을 것입니다. 따라서, 그것이 회전한다면, 이 양력은 회전을 돕고, 따라서 그것은 토크를 생성합니다.
만약 에어포일이 위쪽에 있을 때도 마찬가지로 v, -u, w, F를 그릴 수 있습니다. 항상 양력을 항력보다 더 크게 그리고 있는데 대부분의 에어포일의 특징이기 때문입니다. 이제, 여기에서도 운동을 돕는 양력의 성분이 있습니다. 
모든 부분에 대해 그려봐도 $F_{L}$은 토크 방향 성분을 가지고 있습니다.

여기에서 당신은 속도, 즉 바람 속도의 방향을 가지고 있고, 여기에서 v와 여기에 마이너스 u가 있고, 따라서, 이것이 w의 방향입니다. 다시, 당신은 FD를 이와 같이 가지고 있고, FL을 저와 같이 가지고 있습니다. 모든 곳에서, 글쎄요 거의 모든 곳에서 양력이 운동 방향으로 성분을 가지고 있다는 것을 알 수 있습니까? 결과적으로 긍정적인 토크가 생성될 것이고, 그것은 계속 회전할 것입니다. 그래서, 그것이 어떻게 보이는지 이제 알겠습니까?

따라서 블레이드의 단면을 보면 그것은 이 에어포일일 것입니다. 구조를 이해하셨나요? 하지만 생각해보면 u가 없다면 토크가 생성되지 않는다는 것을 알게 될 것입니다. 즉, 이 특정 풍력 터빈, 즉 다리우스 로터는 시작 토크가 없습니다. 그것은 어떤 방법으로든 시작되어야 하고, 그것이 시작 토크를 가지는 순간 토크가 있기 때문에 스스로 회전하기 시작합니다.

다리우스 로터의 구조를 이해할 수 없었다고요? 다리우스 로터 구조는 축이 수직입니다. 지상에는 발전기와 기어 박스가 있습니다. 상단에는 경첩이 있고, 그것은 줄에 연결되어 있습니다. 즉, 이러한 줄은 축을 수직으로 유지하고, 그것이 움직이지 않도록 합니다. 블레이드는 곡선형의 에어포일 형상입니다. 왜 이 모양일까요? 왜 다른 모양일 수 없을까요? 구부러진 곡선 모양은 포물선과 유사하지만 Troposkein 곡선을 따릅니다. 그것은 정확히 그 모양입니다.

Troposkein 이란... 만약 당신이 유연한 와이어를 잡고 이와 같이 회전시키면 그것은 특정 모양을 취하는데 이 모양을 Troposkein 이라 부릅니다. 즉, 그것은 유연한 와이어가 이와 같이 회전되면 취할 모양입니다. 블레이드가 회전할 때 생성될 수 있는 유일한 힘은 인장 응력입니다. 그것이 유연하고 회전된다면, 당신은 같은 모양을 취해야 하고, 그 모양으로 만들면 생성될 수 있는 유일한 힘은 늘리는 인장 응력일 뿐이고 굽힘 응력이 발생하지 않아 구조적으로 매우 안정적입니다. 따라서, 만약 당신이 블레이드의 길이 방향으로 강도를 구축한다면, 그것은 분명히 더 안정적이 됩니다. 그러한 블레이드가 파손되는 것은 매우 어렵습니다. 그것은 수평축 풍력 터빈에는 해당되지 않습니다. 그것을 파손시킬 수 있는 이러한 종류의 힘이 있을 수 있지만, 여기서는 아무 일도 일어나지 않을 것입니다. 따라서, 구조는 당신이 수직축을 가지고 있고, 당신이 이와 같이 생긴 블레이드를 가지고 있다는 것입니다. 그리고 이 단면은 에어포일 단면입니다. 따라서, 그것이 회전할 때, 에어포일은 이와 같이 회전하고, 그것이 제가 여기에 그린 것입니다. 에어포일은 회전합니다.

따라서, 그것이 여기에 있으면, 잠시 후에 저기에 가고, 잠시 후에 거기에 가고, 그것은 회전합니다. 그것이 회전함에 따라, 어디에서나 한 방향의 토크를 경험한다는 것을 이 다이어그램에서 알 수 있습니다. 이 설계는 다리우스에 의해 발명되었고, 그렇기 때문에 다리우스 로터라고 불립니다. 이제, 이 다리우스 로터를 이 다이어그램에 그리면 수평축 풍력 터빈의 효율보다 약간 낮고, 약간 더 낮은 TSR 측면에 있는 어딘가에 있을 것입니다. 그러나 효율에 관한 한 그것 또한 양력의 원리로 작동하기 때문에, 그것은 실제로 크게 벗어나지 않습니다. 다리우스 로터의 최대 효율 또한 매우 큽니다. 어떻게 비교할 수 있을까요? 하나는 이와 같은 구조를 가진 수평축 풍력 터빈이고, 다른 하나는 이와 같은 구조를 가진 수직축 풍력 터빈이라면 어떻게 비교될까요?

수평축 vs 수직축 풍력 터빈

축이 높이 있기 때문에 수평축 풍력 터빈이 더 높은 바람 속도에 접근할 수 있습니다.
그러나 수직축 풍력 터빈은 지면에 가까워야 하고 지면의 바람 속도는 그렇게 빠르지 않습니다. 그러나 동시에 수평축 풍력 터빈을 건설하는 데 매우 큰 지출이 있고, 전체 기어 박스 발전기 어셈블리가 매우 높이 있어야 하기 때문에 전체 터빈의 무게가 위에 실리게 됩니다. 따라서 타워는 튼튼해야 하고 당연히 지출이 많아질 수 밖에 없습니다. 수직축 풍력 터빈에는 타워가 없습니다. 발전기는 지상에 있고, 쉽게 접근할 수 있으므로 당연히 이런 종류의 터빈을 생산하는 비용은 훨씬 낮습니다.
정리하자면 수평축 터빈은 더 높은 바람 속도에 접근할 수 있고,  바람에 포함된 동력은 바람 속도에 세제곱으로 비례하므로 더 높은 양의 에너지를 가지고 있습니다. 반면 수직축 터빈은 더 낮은 양의 에너지를 가지고 있지만 생산 비용, 설치 비용 등과 같은 것들은 훨씬 작습니다.

비교 항목다리우스 로터 (수직축)수평축 풍력 터빈

구조

수직축 + 트로포스케인 블레이드

수평축 + 긴 블레이드

효율

양력 기반, 효율 높음

양력 기반, 더 높은 효율

바람 속도 접근성

지면 가까운 위치 → 낮은 풍속

높은 타워로 고속 바람 이용 가능

설치 비용

발전기 지상 배치 → 비용 절감

타워 + 기어박스 상단 배치 → 비용 증가

구조적 부담

인장 응력만 존재 → 강도 높음

블레이드가 굽힘 응력 받음 → 피로 문제 발생

유지보수

발전기 지상 배치 → 접근 용이

발전기 고공 위치 → 유지보수 어려움

시작 토크

자체적으로 회전 불가 → 외부 동력 필요

자체적으로 회전 가능

지역에 따른 풍력 터빈 유형

이제, 지면에 가까운 적당히 높은 양의 바람 속도를 기대할 수 있는 곳은 어디일까요? 바다 표면이 거의 평평하고, 따라서 장애물이 없기 때문에 바다에 매우 가깝고, 높낮이 장애물이 없기 때문에, 거기에서 지면에 가까운 바람 속도 또한 매우 높고, 거기에서 다리우스, 다리우스 축 풍력 터빈, 다리우스, 다리우스 로터는 경제적으로 유능합니다. 그러나 생산되는 것, 즉 육지에 설치되는 것은 바람이 풍력 터빈의 위치에 도달하기 위해 많은 장애물을 넘어야 합니다. 거기에서 풍력 터빈을 높은 곳에 두는 것이 확실히 더 의미가 있고, 거기에서 수평축 풍력 터빈이 더 의미가 있습니다. 따라서, 축 측면에서 이것은 수평축 풍력 터빈이고, 이것은 수직축 풍력 터빈입니다. 수평축 풍력 터빈은 바람 방향으로 방향을 맞춰야 하는 반면, 수직축 풍력 터빈은 중요하지 않습니다. 따라서, 또 다른 복잡성과 또 다른 제어 시스템은 수직축 풍력 터빈의 경우 피할 수 있습니다.

 

비교 항목	수직축 풍력 터빈 (다리우스 로터)	수평축 풍력 터빈
바람 방향 대응	방향 조정 불필요 (Yaw 제어 불필요)	바람 방향을 맞춰야 함 (Yaw 제어 필요)

설치 환경

해안가, 도심지, 저층 지역

산악지대, 개방된 고지대

구조적 안정성

인장 응력만 존재 → 강한 내구성

굽힘 응력 존재 → 피로 손상 우려

발전기 위치

지상에 설치 가능 → 유지보수 용이

타워 상단 → 유지보수 어려움

효율성

상대적으로 낮음

높은 바람 속도 활용 → 효율 높음

생산 비용

설치 및 유지보수 비용 낮음

높은 타워 및 기어박스로 비용 증가

바람을 향하도록 제어하는 이 제어를 요우(Yaw) 제어라고 부릅니다. 자세한 내용은 나중에 설명하겠습니다. 따라서, 요우 제어는 수평축 풍력 터빈에 필요하고, 요우 제어는 수직축 풍력 터빈에 필요하지 않습니다. 따라서, 본질적으로 현재 대량의 전기 생산에 사용되는 두 가지 유형의 풍력 터빈이 있습니다. 수평축 풍력 터빈과 수직축 풍력 터빈입니다. 비록 현재 인도에서 설치된 모든 풍력 터빈, 인도는 현재 매우 큰 풍력 터빈 설치 용량을 가지고 있지만, 주로 구자라트와 타밀나두 주에 설치되어 있습니다. 이 두 곳은 풍력 단지를 설치하는 데 정말로 앞서 나갔습니다. 즉, 다른 방식으로 황량한 넓은 땅이 이제 풍력 터빈으로 덮여 있고, 그것은 전체적으로 매우 큰 양의 동력을 생산합니다. 따라서, 그것은 표준 화력 발전소의 동력 생산 용량과 비교할 수 있습니다. 따라서, 인도는 이런 종류의 것을 가지고 있고, 이 모든 것은 현재 수평축 풍력 터빈입니다. 비록 특정 조건, 특정 환경에서 수직축 풍력 터빈도 매우 의미가 있을 것이라는 것을 쉽게 알 수 있지만요. 그것은 단지 여기서 운영을 시작한 회사들이 수평축 풍력 터빈을 전문으로 한다는 것입니다.

정리

따라서, 세 가지 다른 유형의 풍력 터빈에 대해 배웠습니다. 주로 물 펌핑에 사용되는 것은 수직축 사보니우스 로터 유형입니다. 물 펌핑에 사용되는 또 다른 유형의 수평축 풍력 터빈도 있습니다. 그것들의 구조는 이와 같을 것입니다. 타워가 있을 것이고, 당연히 모든 수평축 풍력 터빈은 타워를 가져야 하고, 여기에 많은 수의 블레이드, 즉 많은 수의 블레이드가 있을 것이고, 그것에 강도를 주기 위해 또 다른 링이 있을 것입니다. 그리고 전체가, 왜 많은 수의 블레이드가 필요할까요? 왜냐하면, 물 펌핑 풍력 터빈에서 큰 토크를 생성해야 하고, 당연히 여기에서 축이 내려올 것이고, 여기 아래에 펌프가 있을 것입니다. 이 물 펌핑 풍력 터빈은 미국의 20세기 초반에 매우 인기가 있었습니다. 그러나 요즘에는 매우 외딴 지역에서도 전기를 사용할 수 있게 되면서 이것들은 인기를 잃었습니다. 그러나 인도에서는 이것이 의미가 있습니다. 왜냐하면, 높은 바람 속도를 크게 사용할 수 있는 지역이 많고, 관개가 필요한 지역이 많고, 이것들을 설치할 수 있는 지역이 많기 때문입니다. 이것들은 사보니우스 로터보다 상대적으로 더 비싼 수평축 풍력 터빈입니다. 일반적으로, 이것들은 산업 제품인 반면, 사보니우스 로터는 현장에서 건설할 수 있습니다. 이것들은 몇 가지 고유한 메커니즘을 가지고 있습니다. 예를 들어, 그것은 어떻게 바람 방향으로 향할까요? 즉, 요우 제어 말입니다. 단순히, 이것이 블레이드라면, 이와 같은 꼬리 깃발, 즉 깃발을 사용하여, 바람이 잘못된 방향에서 불어오면 그것을 밀어서 바람 방향으로 스스로 향하게 합니다. 간단합니다. 뿐만 아니라, 그 중 일부는 강풍에 대한 보호 기능이 내장되어 있습니다. 매우 강한 바람이나 사이클론 바람이 불어오면 대부분의 풍력 터빈을 중단해야 합니다. 그 문제에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠지만, 물 펌핑 풍력 터빈의 경우 방향을 바꾸는 정교한 메커니즘을 가질 수 없습니다. 따라서, 매우 간단한 메커니즘이 있어야 합니다. 수행되는 작업은 이와 같습니다.

풍력 터빈의 전력 생산 특성

이것이 블레이드라고 가정하고, 여기에 블레이드의 축, 즉 터빈의 축이 있고, 여기에 꼬리 깃발의 축이 있는데, 약간 벗어나게 만들어졌고, 축은 여기 사이에 있습니다. 이전에는 이것이 같은 방향에 있다고 생각했을 것입니다. 평면도에서 보면 그것은 실제로 같은 방향에 있지 않고, 약간 벗어나 있습니다. 그 결과, 바람 속도가 작으면 이것에 가해지는 힘이 우세하고, 무게 방향으로 향하게 합니다. 그러나 바람이 강하면, 블레이드에 가해지는 추력이 우세하고, 바람 방향에서 벗어나게 할 것입니다. 따라서, 이러한 종류의 간단한 메커니즘, 즉 자동 안전 메커니즘이 때때로 물 펌핑 풍력 터빈에 내장되어 있습니다. 이제, 전기 생산 풍력 터빈에 집중합시다. 제가 말씀드린 것처럼 두 가지 유형이 있습니다. 다리우스 로터와 수평축 풍력 터빈입니다. 그리고 현재 가장 인기 있는 것은 수평축 풍력 터빈입니다. 수평축 풍력 터빈에서는 몇 가지 유형의 제어 메커니즘이 필요합니다. 예를 들어, 바람이 특정 시점에 불기 시작한다고 가정하면, 당연히 특정 풍속 이하에서는 시작할 수 없습니다. 따라서 동력 출력 대 풍속 특성을 그리면 특정 시간을 지나서만, 즉 특정 풍속 이상에서만 시작할 것입니다. 

이러한 터빈이 전력을 생산하기 시작하는 풍속을 컷인 풍속(Cut - in Wind Speed) 이라고 합니다. 컷인 풍속을 초과하면 동력을 생산하기 시작합니다. 이제, 제가 방금 언급한 모든 것, 즉 블레이드가 항상 상대 바람을 향하도록 피치 방향을 적절하게 제어하는 것과 같은 것과 이러한 종류의 메커니즘이 따르면 동력 출력은 포함된 동력에 비례할 것이고, 바람에 포함된 동력은 속도에 세제곱으로 비례합니다. 따라서, 동력 출력은 바람 속도가 증가함에 따라 이와 같이 증가할 것입니다. 그러나 잠시 후에는 발전기의 동력 생산 용량, 즉 정격 동력에 도달합니다.

바람 속도가 증가하더라도 발전기의 동력 출력이 증가하도록 하면 안됩니다. 왜냐하면, 과열되어 타버릴 것이기 때문입니다. 따라서 정격 동력으로 동력 출력을 일정하게 유지하는 어떤 메커니즘이 있어야 합니다. 따라서 특정 풍속까지 정격 동력으로 일정하게 유지될 것이고 특정 풍속 시점에서 폐쇄될 것입니다. 이것을 (Cut - out Wind Speed)컷아웃 또는 퍼링 풍속이라고 합니다.

따라서, 일반적으로 발전기의 동력 출력 대 풍속 특성은 이와 같을 것입니다. 이것이 어떻게 유지되고, 이것이 어떻게 얻어지는지에 대한 더 자세한 내용은 다음 수업에서 설명하겠습니다. 좋습니다. 오늘 이야기는 여기까지입니다.