수평축 및 수직축 풍력터빈: 비교
풍력 에너지는 온실가스 배출량을 줄이고 화석 연료 의존도를 낮출 수 있는 재생 가능하고 깨끗한 전력원입니다. 풍력터빈은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기계입니다. 축의 방향에 따라 두 가지 주요 유형의 풍력터빈이 있습니다: 수평축과 수직축.
수평축 풍력터빈이란?
수평축 풍력터빈(HAWT)은 지면과 평행하거나 수평인 회전축을 가진 풍력터빈을 의미합니다. HAWT는 대규모 전력 생산에 가장 일반적으로 사용되는 풍력터빈 유형입니다. 일반적으로 비행기 프로펠러와 유사한 세 개의 블레이드를 가지고 있지만, 일부는 두 개 또는 하나의 블레이드를 가질 수도 있습니다.
HAWT의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:
로터: 블레이드와 샤프트를 연결하는 허브로 구성됩니다.
나셀: 발전기, 기어박스, 브레이크, 양위 시스템 및 기타 기계적 및 전기적 구성 요소를 수용합니다.
타워: 나셀과 로터를 지지하고 높이 들어올려 더 많은 바람을 포착합니다.
기초: 타워를 지면에 고정시키고 풍력터빈에서 발생하는 하중을 전달합니다.
HAWT의 작동 원리는 공기의 표면을 통과할 때 물체를 위로 밀어올리는 리프트라는 힘에 기반합니다. HAWT의 블레이드는 항공익 형태로 만들어져 있어 바람이 불 때 상하 표면 사이에 압력 차이가 생깁니다. 이 압력 차이는 블레이드가 수평축을 중심으로 회전하게 만들고, 이는 다시 샤프트와 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다.
HAWT의 로터 평면은 효율성을 극대화하기 위해 바람 방향과 일치해야 합니다. 따라서 HAWT는 바람 센서와 양위 시스템을 갖추고 있어 나셀의 방향을 바람 방향에 맞게 조정합니다. 또한 HAWT는 블레이드의 각도를 변경하여 회전 속도와 출력을 제어하는 피치 시스템을 가지고 있습니다.
HAWT의 장점은 다음과 같습니다:
VAWT보다 더 적은 저항으로 더 많은 바람 에너지를 포착할 수 있으므로 효율성이 높습니다.
각 회전 동안 공기 역학적 힘의 변화가 적으므로 VAWT보다 토크 리플과 기계적 스트레스가 낮습니다.
바람 속도가 더 높고 일관적인 플로팅 플랫폼이나 고정 기반에 설치할 수 있습니다.
HAWT의 단점은 다음과 같습니다:
터보런스와 인근 구조물이나 지형으로부터의 간섭을 피하기 위해 높은 타워와 넓은 부지를 필요로 합니다.
더 많은 이동 부품과 전기 부품을 가지고 있기 때문에 VAWT보다 설치와 유지 보수가 비싸고 복잡합니다.
강한 바람, 폭풍, 번개, 새, 얼음 등으로 인해 피로와 손상에 더 취약합니다.
수직축 풍력터빈이란?
수직축 풍력터빈(VAWT)은 지면과 수직 또는 수직인 회전축을 가진 풍력터빈을 의미합니다. VAWT는 HAWT보다 덜 일반적이지만 소규모 및 도시적 응용 분야에서는 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 일반적으로 직선형 또는 곡선형의 두 개 또는 세 개의 블레이드를 가지고 있습니다.
VAWT의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:
로터: 블레이드와 발전기에 연결되는 수직 샤프트로 구성됩니다.
발전기: 로터의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다.
베이스: 로터와 발전기를 지지하고 지면에 연결합니다.
VAWT의 작동 원리는 공기의 표면을 통과할 때 물체의 움직임을 반대하는 저항에 기반합니다. VAWT의 블레이드는 대칭 또는 비대칭이며, 바람 방향을 마주하거나 반대할 때 서로 다른 양의 저항을 생성합니다. 이러한 저항 차이는 블레이드가 수직축을 중심으로 회전하게 만들고, 이는 다시 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다.
VAWT의 로터 평면은 모든 방향에서 바람을 포착할 수 있으므로 바람 방향과 일치할 필요가 없습니다. 따라서 VAWT는 양위 시스템이나 바람 센서가 필요하지 않습니다. 그러나 VAWT는 블레이드의 각도를 변경하여 회전 속도와 출력을 제어하는 피치 시스템을 가질 수 있습니다.
VAWT의 장점은 다음과 같습니다:
HAWT보다 이동 부품과 전기 부품이 적어 설치와 유지 보수가 저렴합니다.
회전 속도가 느리므로 HAWT보다 소음 수준이 낮습니다.
높이가 낮고 면적이 작아 건물 지붕이나 가까운 건물 근처에 설치할 수 있습니다.
VAWT의 단점은 다음과 같습니다:
저항이 많고 리프트가 적어 HAWT보다 효율성이 낮습니다.
각 회전 동안 공기 역학적 힘의 변화가 많아 HAWT보다 토크 리플과 기계적 스트레스가 높습니다.
HAWT보다 안정성과 내구성이 떨어져 해상 설치가 불가능합니다.
수직축 풍력터빈의 종류
블레이드 디자인에 따라 두 가지 주요 유형의 VAWT가 있습니다: Darrieus와 Savonius.
Darrieus 터빈
Darrieus 터빈은 달걀휘저 또는 트로코이드 모양의 곡선형 블레이드를 가진 VAWT입니다. 이는 1931년 프랑스 엔지니어 Georges Darrieus가 발명했습니다. Darrieus 터빈은 리프트뿐만 아니라 저항도 사용하여 블레이드를 회전시킵니다. 높은 회전 속도를 달성할 수 있지만, 자체 시작이 불가능하므로 전기 모터나 다른 터빈과 같은 외부 시작 메커니즘이 필요합니다.
Darrieus 터빈의 장점은 다음과 같습니다:
Savonius 터빈보다 리프트와 저항을 모두 사용하므로 더 높은 출력 계수를 가집니다.
Savonius 터빈보다 더 적은 블레이드와 더 큰 간격을 가집니다.
Darrieus 터빈의 단점은 다음과 같습니다:
자체 시작이 불가능하므로 외부 시작 메커니즘이 필요합니다.
더 빠른 회전 속도로 인해 Savonius 터빈보다 더 높은 원심력이 발생합니다.
