외부 전력 공급원이 없는 경우, 풍력터빈은 다음과 같은 방법으로 전기를 생성할 수 있습니다:
I. 풍력 운전 원리
풍력 에너지의 기계 에너지 변환
풍력터빈의 날개는 특정 형태로 설계되어 있습니다. 바람이 날개 위를 불 때, 날개의 특수한 형태와 공기역학의 원리에 따라 바람의 운동 에너지는 날개의 회전 기계 에너지로 변환됩니다.
예를 들어, 대형 풍력터빈의 날개는 일반적으로 몇 십 미터 길이이며 비행기 날개와 유사한 형태를 가지고 있습니다. 일정한 속도의 바람이 날개 위를 불 때, 날개 상하면의 공기 유속이 다르므로 압력 차가 발생하여 날개를 회전시키게 됩니다.
전달 시스템을 통한 기계 에너지 전달
날개의 회전은 전달 시스템을 통해 발전기의 로터로 전달됩니다. 전달 시스템에는 기어박스와 전송축과 같은 구성 요소가 포함되어 있으며, 날개의 저속 고토크 회전을 발전기에 필요한 고속 저토크 회전으로 변환하는 역할을 합니다.
예를 들어, 일부 풍력터빈에서는 기어박스가 날개의 회전 속도를 수십 배 또는 수백 배 증가시켜 발전기의 속도 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.
II. 발전기 작동 원리
전자기 유도를 통한 전기 생성
풍력터빈은 일반적으로 비동기 발전기나 동기 발전기를 사용합니다. 외부 전력 공급원이 없는 경우, 날개의 구동에 의해 발전기의 로터가 회전하며, 정자 권선의 자기장을 자르며 이로 인해 유도 전동력이 생성됩니다.
전자기 유도 법칙에 따르면, 도체가 자기장 내에서 움직일 때 도체 양단에 유도 전동력이 생성됩니다. 풍력터빈에서는 발전기의 로터가 도체와 동등하며, 정자 권선의 자기장은 영구자석이나 격자권선에 의해 생성됩니다.
예를 들어, 비동기 발전기의 로터는 스쿼럴 케이지 구조입니다. 로터가 자기장 내에서 회전할 때, 로터 내의 도체가 자기장을 자르고 유도 전류를 생성합니다. 이 유도 전류는 다시 로터 내에서 자기장을 생성하여, 정자 권선의 자기장과 상호작용하여 로터가 계속 회전하게 됩니다.
자기유도 및 전압 형성
일부 동기 발전기의 경우, 초기 자기장을 형성하기 위해 자기유도 및 전압 형성이 필요합니다. 자기유도 및 전압 형성은 외부 전력 공급원이 없을 때, 발전기의 잔류자기와 아머 반응을 이용하여 발전기의 출력 전압을 형성하는 것을 의미합니다.
발전기의 로터가 회전할 때, 잔류자기의 존재로 인해 정자 권선에 약한 유도 전동력이 생성됩니다. 이 유도 전동력은 격자회로의 정류기와 조정기를 거쳐 격자권선을 격자화하여 정자 권선의 자기장을 강화합니다. 자기장이 증가함에 따라 유도 전동력은 점차 증가하여 발전기의 정격 출력 전압에 도달하게 됩니다.
III. 전력 출력 및 제어
전력 출력
발전기에서 생성된 전기는 케이블을 통해 전력망이나 지역 부하로 전송됩니다. 전송 과정에서 변압기를 통해 다양한 전압 요구사항을 충족하기 위해 전압을 상승하거나 하락시킵니다.
예를 들어, 대형 풍력터빈에서 생성된 전기는 장거리 전송을 위해 고압 전력망에 연결되기 전에 상승 변압기를 통해 전압을 상승시켜야 합니다.
제어 및 보호
풍력터빈의 안전하고 안정적인 운영을 위해 제어 및 보호가 필요합니다. 제어 시스템은 풍속, 풍향, 발전기 출력 전력 등 다양한 매개변수에 따라 날개 각도, 발전기 회전 속도 등을 조정하여 최적의 발전 효율을 달성하고 장비를 보호합니다.
예를 들어, 풍속이 너무 높을 때, 제어 시스템은 날개 각도를 조정하여 날개의 받는 면적을 줄여 풍력터빈이 과부하로 손상되지 않도록 합니다. 또한, 제어 시스템은 발전기의 출력 전압, 전류, 주파수 등의 매개변수를 모니터링하며, 이상 상태가 발생하면 즉시 전원을 차단하여 장비와 인원의 안전을 보호합니다.
