▣ 로터 (ROTOR)

          로터(Rotor)란 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치이며, 풍력발전기의 성능        에 큰 영향을 미친다. 효과적인 풍력발전을 위해서는 이러한 로터의 설계가 매우 중요하며,        특히 각각의 날개(Blade)의 설계가 아주 중요한 요소로 작용한다.

    ▶ 로터의 크기와 출력관계

         • 출력은 에 비례함.     ※ 주 :

       • 블레이드 길이 10% 증가시 는 21% 증가

       • 블레이드 길이가 길어질수록 효율 증가

그림 1. 블레이드 길이와 출력

    ▶ 블레이드 재료

       • 구조적 하중 특성, 재료성능, 블레이드 디자인 및 수명을 고려한 재료 사용

       • glass fiber reinforced plastics (GRP) : 가장 대표적인 재료로서 내식성, 내약품성이 우수          하고, 높은 강도를 가짐, 현재 대부분의 대형 터빈에 사용

     ▶ 로터 블레이드의 구분

             • 날개수에 따른 구분

                      그림 2. 1-blade            그림 3. 2-blade               그림 4. 3-blade

        ▶ 회전수에 따른 구분

       ▶ 출력제어방식

그림 5. 피치각도 조절

     ▶ 공력블레이드 시스템

       • 풍력발전기의 주된 브레이크 시스템

       • 스톨제어 터빈에 사용되는 전형적인 브레이크시스템

       • 터빈 및 기계 브레이크 시스템에 과부하방지

       • 블레이드 주 코드 방향이 회전면과 수직이되도록 피치각을 90도로 회전시켜 최대의 공력저항       을 발생시켜 로터를 제동시킴

그림 6. air brake

    ▣ 나셀

       나셀이란 풍력발전기의 심장부에 해당되는 부분으로 로터에 의해 얻어진 회전력을 전기에너지로 변환           시키기 위한 모든 장치들로 구성된다.

       이를 위해 기어박스, 발전기, 제어장치 등 거의 대부분의 장치들이 나셀내부에 포함되어 있다. 이러한           나셀의 형태는 발전기의 종류에 따라 크게 두가지로 나뉘게 되는데, 간접구동형(Geared Type)과           직접구동형(Gearless Type)에 따라 형태상으로나 구조적으로 매우 큰 차이를 띄게 된다.

     ▶ 나셀의 구분

       • 나셀의 구분은 앞서 설명처럼 동력전달계에의해 크게 양분된다.

       •  각각의 특징은 다음과 같다.

       ⅰ) 간접구동형(Geared type)

         이 시스템은 높은 회전수(1800rpm)를 가진 유도 발전기와 낮은 회전수인

           로터사이를 기어로 연결하여 발전하는 시스템으로 발전기의 경제성이 우수하고,

           정속회전으로 인한  품질 좋은 전기를 생산한다는 장점이 있다. 그러므로 대부분의

           상용 풍력발전기에 많이  적용되는 형태라 할 수 있다.

       ⅱ) 직접구동형 (Gearless type)

 이 시스템은 증속기 없이 로터에서 동력이직접 발전기와 연결되는 시스템으로

 증속기의 제거로 인한 제작비용 절감효과가 있으나 발전기 자체가 크고, 고가인

 단점이 있다. 하지만 증속기 손실 배제로 인한 효율이 증가하게 되며 나셀부의

 총 중량 감소되는 장점이있다.

      ▶ 나셀내부 구성품

       ⅰ) 가변피치각 구동장치 (블레이드 피치각 조절장치)

           : 블레이드의 피치각 조절을 위해 사용되는 장치로써 이를 통해 블레이드의 성능을 조절할              수 있다. 피치각의 조절은 다음과 같은 조건에서 사용되어 지게 된다.

           - 기동 풍속 이상시 로터의 기동 토크를 얻기 위한 기동운전시

           - 정격 풍속이상에서의 정격출력을 유지하기 위한 정격운전시

           - 정지하기 위한 피치 조정시

           - 변동이 심한 하중 조건 작용시

           이러한 구동은 다음과 같은 방법으로 이루어 지며 로터 주축 실내에 있는 가변피치구동용            유압실린더로 작동하게 된다.

       ⅱ) 기계적 브레이크 (Mechanical Brake)

           : 기계적 브레이크는 강풍이 불거나 시스템 이상시 또는 보수점검시 등 비상사태시에 로터를 정지       시키기 위하여 사용되는 브레이크로써 시스템에 무리가 가지 않도록 에어 브레이크나 피치 조절       등으로 인한 로터 회전속도를 감소시킨 후 사용하는 브레이크 이다.

            이러한 브레이크는 스틸 브레이크 디스크로 구성되며, Rotor shaft(저속)나 기어 박스와 발전기      사이의 고속 샤프트에 설치 할 수 있다. 이때, 브레이킹 토크가 기어 박스에 전달되게 되어 로터의      회전을 멈출 수 있게 된다. 내열, 내마모성 재료를 사용함으로써 오랜 기간 사용가능하도록 제작하      는 것이 일반적이다.

       ⅲ) 요잉 시스템 (Yawing system)

           : 모든 수평축 발전기에 사용되어지는 시스템으로 풍향의 변화로 발생하는 요에러에 대응하거나       긴급상황시 요에러를 통해 로터블레이드의 회전속도를 줄이기 위하여 필요한 장치이다. 이 시스       템은 전기적 제어장치에 의해 구동되며, 모터, 기어박스, 브레이크, 베어링 등 으로 구성된다.       요에러(yaw error)라 함은 로터의 회전면과 풍향이 수직되지 않았을 때 에너지 활용도가 떨어지       는 현상을 의미하며 이때, 블레이드가 플랩방향의 앞뒤로 휘어지지는 현상 및 로터의 진동과 피로       하중이 증가하는 현상이 발생하게 된다.

     ▣ 타워

       타워란 풍력발전기를 지탱해 주는 구조물로써 수평축 풍력발전기(HAWT)의 경우 나셀과 로터부를           지상에서부터 일정한 높이에 위치시켜 지탱해 주는 역할을 하는 구조물이며, 수직축 풍력발전기           (VAWT)의 경우에는 회전축의 역할까지 담당하는 구조물 이다. 대형 구조물의 경우 내부에 엘리베이           터 시스템 등 여러 가지 보수/ 유지를 위한 장치들이 장착되기도 한다.

     ▶ 타워의 종류

       • 강파이프식 타워(Steel tubular towers)

           : 원뿔형태의 모양(지면으로 갈수록 지름이 증가)을 가지며, 20～30m 단위로 용접을 통해 부분       제작되며 각 부분은 플랜지와 볼트로 연결하여 길이방향으로 늘려 나가는 방식이다. 이 구조는       대형 풍력   발전기에 적합한 형태로 알려져 있으며 실제 대형 풍력 발전기는 거의 대부분이 이러       한 형태를 사용   하고 있다.

       • 격자구조 타워 (Lattice Towers)

           : 용접에 의해 제작되며, Tubular타워 보다 절반정도의 재료를 사용함으로써 제작비 용을 절감하        고, 타워의 중량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 외관상의 문제 및 대형 발전기에는        부적합한 형태가 된다. 이 때문에 중소형 풍력발전기에서 많이 사용되고 있는 형태이다.

      • Guyed Pole Towers

                 : 직경이 작고 긴 관과 지지 와이어로 구성되는 형태로서 타워의 제작비용 및 중량 감소되지만지지                     할 수 있는 하중이 적으며, Safety area가 필요한 단점이 있다. 이 형태는 주로 소형 풍력발전기에                     서 사용되고 있다.

      • 혼합형 (Hybrid Tower Solutions)

         : 위에서 소개된 형태들 중 여러 가지를 혼합하여 사용하는 형태를 일컫는 타워이다.

    ▶ 최적 타워 높이

         타워 제작 및 건설비용은 10m당 $15000의 비용이 드는 것으로 알려져 있으며, 고도별/ 지역별 바람          특성에 따라서 타워의 최적높이가 달라지게 된다. 지형의 형상이나 풍황에 따라 바람의 거칠기가 커지          게 되면 타워도 높아져야 하는 특징이 있다. 또한, 타워의 총 비용과 풍속의 이익과의 관계를 고려하여          높이를 결정하게 되며, 일반적으로는 로터 블레이드의 지름 정도의 높이에 로터 회전축을 위치시키는          형태가 많이 사용되고 있다.