끝단속도비
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1. 개요
끝단속도비는 풍력 터빈의 효율을 나타내는 출력 계수와 팁 속도비 간의 관계를 설명하는 개념이다. 출력 계수는 풍력 터빈이 바람에서 추출하는 전력의 비율을 나타내며, 팁 속도비에 따라 변화한다. 가변 속도 풍력 터빈은 팁 속도비를 변화시켜 넓은 범위의 풍속에서 최대 효율을 유지할 수 있지만, 전력 변환기를 통해 전력망에 연결해야 하며, 변전 시스템의 관성 감소, 복잡성 증가 등의 단점이 존재한다. 대한민국에서는 가변 속도 풍력 터빈 기술 개발이 진행 중이며, 변동성이 큰 바람 환경에서 유리하다.
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| 끝단속도비 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 끝단속도비(Tip Speed Ratio, TSR 또는 λ)는 풍력 터빈의 회전 속도와 바람 속도 간의 비율을 나타내는 무차원 숫자이다. |
| 공식 | TSR = (R * ω) / V |
| 변수 설명 | R = 로터 반경 (미터) ω = 로터의 회전 속도 (초당 라디안) V = 바람 속도 (미터/초) |
| 중요성 | |
| 최적화 | 특정 풍력 터빈 설계를 위한 최적의 끝단속도비는 발전기의 효율을 최대화하는 데 중요하다. |
| 값의 범위 | 다리우스 풍력 터빈: 6 수평축 풍력 터빈: 6에서 8 사이 |
| 영향 | 소음 수준 공기역학적 효율 내구성 |
| 고려 사항 | |
| 높은 TSR | 높은 TSR은 더 높은 발전 효율로 이어질 수 있지만, 소음 증가와 로터 블레이드의 구조적 스트레스 증가를 초래할 수도 있다. |
| 낮은 TSR | 낮은 TSR은 낮은 소음 수준과 스트레스를 의미할 수 있지만, 발전 효율이 떨어진다. |
2. 출력 계수 (Cp)와 팁 속도비 (λ)
출력 계수()는 풍력 터빈이 바람으로부터 얻을 수 있는 최대 전력 대비 실제 터빈이 생산하는 전력의 비율을 의미하며, 팁 속도비(λ)는 바람의 속도에 대한 터빈 블레이드 끝단의 회전 속도 비율을 나타낸다.
2. 1. Cp-λ 곡선
출력 계수()는 풍력 터빈이 바람에서 추출하는 전력의 비율을 나타낸다. 일반적으로 팁 속도비와 피치 각의 함수로 간주된다. 아래는 피치를 일정하게 유지할 때 팁 속도비 변화에 따른 출력 계수의 변화를 나타낸 그림이다.
3. 가변 속도 풍력 터빈
원래 풍력 터빈은 발전기 내 회전 속도가 일정하여 교류 전압 주파수가 고정되는 고정 속도였다. 따라서 풍력 터빈을 전송 시스템에 직접 연결할 수 있었다. 그러나 동력 계수는 팁 속도비의 함수이므로, 풍력 터빈의 효율은 팁 속도비에 따라 달라진다.
이상적으로는 모든 풍속에서 최대 출력 계수(''Cp''의 최대값)로 작동하는 터빈을 원한다. 즉, 풍속 변화에 따라 회전 속도도 ''Cp'' = ''Cp max''가 되도록 바뀌어야 한다. 이러한 터빈을 가변 속도 풍력 터빈이라고 한다. 가변 속도 풍력 터빈은 풍속 변화에 따라 회전 속도를 조절하여 최대 출력 계수를 유지하는 터빈이다. 하지만, 교류 전압 발전기의 주파수는 일정하지 않게 된다.
3. 1. 가변 속도 풍력 터빈의 장점
가변 속도 풍력 터빈은 넓은 범위의 풍속에서 높은 효율을 유지할 수 있다. 이를 통해 고정 속도 풍력 터빈에 비해 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 대한민국에서는 특히 변동성이 큰 바람 환경에서 가변 속도 풍력 터빈의 장점이 부각되고 있다.[1]이상적으로 풍력 터빈은 모든 풍속에서 ''Cp''의 최대값으로 작동해야 한다. 이는 풍속이 변함에 따라 회전 속도도 ''Cp'' = ''Cp max''이 되도록 변화해야 함을 의미한다. 가변 회전 속도를 가진 풍력 터빈을 가변 속도 풍력 터빈이라고 한다. 가변 속도 풍력 터빈은 다양한 풍속 범위에서 ''Cp max''에 가깝거나 그 값으로 작동하지만, 교류 전압 발전기의 주파수는 일정하지 않게 된다.[1]
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여기서 ''N''은 회전자의 각속도, ''f''는 고정자 권선에서 생성된 교류 전압의 주파수, ''P''는 나셀 내부 발전기의 극 수이다. 따라서 가변 속도에서는 전송 시스템으로의 직접적인 연결은 허용되지 않는다. 필요한 것은 터빈 발전기에서 생성된 신호를 직류로 변환한 다음, 그리드/전송 시스템 주파수를 가진 교류 신호로 변환하는 전력 변환기이다.[1]
3. 2. 가변 속도 풍력 터빈의 단점
가변 속도 풍력 터빈은 변전 시스템에 직접 연결될 수 없다. 가변 속도 풍력 터빈이 많아질수록 변전 시스템의 관성이 감소하여, 발전 장치 손실 시 변전 시스템의 전압 주파수가 더 크게 떨어질 수 있다.[2] 또한 가변 속도 풍력 터빈은 전력 전자 장치를 필요로 하는데, 이는 터빈의 복잡성을 증가시키고 새로운 고장 원인을 발생시킨다.[2]참조
[1]
웹사이트
Wind Turbine Tip Speed Ratio {{!}} REUK.co.uk
http://www.reuk.co.u[...]
2017-05-14
[2]
논문
Dependence of performance of variable speed wind turbines on the turbulence, dynamics and control, Leithead
[3]
간행물
파라메트릭 스터디를 통한 조류발전용 다리우스 터빈의 설계연구
Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering
2010-11
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