풍력 터빈의 종류 HAWT, VAWT 및 더 많은 설명

Aug.30.2024

대부분의 풍력 터빈 풍력 발전단지(육상 및 해상)에서 볼 수 있는 풍력 터빈은 표준 3개 날개 설계입니다. 그러나 다양한 스타일/종류의 터빈이 존재하며, 이들은 바람에서 운동 에너지를 얻는 방식이 다릅니다.

주요 두 가지 유형의 풍력 터빈은 수평축과 수직축 풍력 터빈입니다. 수평축 풍력 터빈 회전 축이 수평으로 정렬되어 있습니다. 일반적으로 3개의 날개를 특징으로 하며 바람을 향하도록 설계됩니다. 수직축 풍력 터빈은 회전 축이 수직으로 정렬되어 있으며 반대 방향으로 운동 에너지를 활용하도록 설계됩니다.

수평축과 수직축 풍력 터빈 외에도 탐구할 가치가 있는 다른 형태의 터빈이 있습니다.

가장 일반적인 풍력 터빈 유형은 '수평 축 풍력 터빈'입니다. 이는 회전 축이 수평으로 놓여 있기 때문에 이렇게 불립니다 (아래 다이어그램 참조).

수평 축 풍력 터빈은 최대 효율로 작동하기 위해 바람의 정면에 위치해야 하며, 전체 로터가 바람을 향해 회전하도록 설계되어 있습니다. 바람의 방향이 변하면 로터는 (또는 '요우(yaw)' 동작을 통해) 계속해서 바람을 향하도록 조정됩니다.

수평 축 풍력 터빈은 주로 지형이 비교적 평평하고 열린 해상 풍력 발전소 및 육상 풍력 발전소에서 사용되는데, 이는 바람이 소용돌이가 아닌 지역에서 수직 축 터빈보다 더 효율적으로 작동하기 때문입니다.

크기 위주로 설계됨

에너지 효율을 고려한 주택 소유자들을 대상으로 상업적으로 구매 가능한 작은 규모의 수평축 풍력 터빈이 많이 있지만, 그들의 큰 장점 중 하나는 제조에 잘 맞출 수 있고 매우 커질 수 있다는 것입니다. 이는 풍력 발전단지에서 사용되는 또 다른 이유입니다. 10 메가와트(MW) 터빈 하나를 건설하고 운영하는 것이 2 MW 터빈 다섯 개를 운영하는 것보다 훨씬 비용 효율적입니다.

2021년 여름 기준 세계에서 가장 큰 풍력 터빈은 15 메가와트(MW) 출력을 내는 베스타스 V236 터빈입니다. 이 터빈의 날개 직경은 236m로 자유의 여신상 높이의 두 배가 넘습니다! 날개가 한 번 회전하면 평균 가정에서 하루 동안 사용할 전기를 만들 수 있습니다.

수직 축 풍력 터빈

효율성이 낮고 덜 일반적인 터빈이 있는데, 이를 '수직 축 풍력 터빈'이라고 합니다. 회전 축이 수직으로 위쪽으로 정렬되어 있기 때문에 이렇게 불립니다.

수평 축 풍력 발전단지에서 보는 것처럼 수직 축 터빈을 대규모로 건설하는 것은 불가능합니다. 지금까지 만들어진 가장 큰 수직 축 풍력 터빈은 캐나다 퀘벡에 있는 110m 높이의 3.8MW “ÉOLE” 터빈입니다. 그러나 880톤의 무게를 지탱해야 하는 로터 베어링이 1993년에 고장났으며, 그 이후로 작동하지 않고 있으며 현재 관광객들의 호기심을 자극하는 대상이 되었습니다. 이러한 무거운 부하를 단일 베어링으로 직접 지지하는 데 관련된 공학적 문제 때문에 이보다 더 큰 수직 축 터빈을 만드는 시도는 거의 이루어지지 않을 것입니다.

유연성을 위해 설계됨

크기는 작지만, 수직 축 풍력 터빈의 주요 장점 중 하나는 방향을 조정할 필요가 없다는 점입니다. 그들은 모든 방향에서 항상 바람 에너지를 수집합니다. 날개의 설계 방식 덕분에 바람이 어느 방향에서 오더라도 항상 같은 방향으로 회전합니다.

이것은 도시 지붕과 건물 밀집 지역에서 수직 축 풍력 터빈이 풍력을 포착하는 데 더 적합하다. 이곳에서는 소용돌이바람이 계속 방향을 바꾼다.

수직 축 풍력 터빈 동일한 출력의 수평 축 터빈보다 공간을 덜 차지하며, 종종 공간이 제한된 지역에서 선택된다.

다양한 유형의 VAWT

수직 축 풍력 터빈에는 Savonius와 Darrieus라는 두 가지 주요 설계가 있다. 이들의 풍력 에너지를 포착하는 방식은 상당히 다르다.

Savonius VAWT

사보니우스 형식의 수직 축 풍력 터빈은 항력을 이용하여 풍력을 기계적 회전 에너지로 변환합니다. 이 터빈은 숟가락 모양으로 바람을 잡아서 항력을 발생시키고 이를 통해 회전을 유도합니다 (아래 다이어그램 참조). 바람이 어느 방향에서 오더라도, 항상 숟가락 모양의 앞부분과 뒷부분에 동시에 닿게 됩니다 - 하지만 숟가락의 둥근 뒷부분은 적은 항력을 발생시켜 터빈이 회전할 수 있도록 합니다. 그러나 이는 사보니우스 수직 축 풍력 터빈이 최대 15%의 풍력을 기계적 회전 에너지로만 변환할 수 있음을 의미합니다.

다리외수형 VAWTs

다리우스 수직 축 풍력 터빈은 양력을 이용하여 풍력을 기계적 회전 에너지로 변환하며, 사보이어 스타일의 수직 축 풍력 터빈보다 효율적입니다. 다리우스 수직 축 풍력 터빈은 항공기 날개처럼 생긴 단면을 가진 블레이드를 사용합니다. 바람이 블레이드를 지나갈 때, 양력 효과가 발생하여 이는 터빈을 회전시킵니다 (아래 도표 참조).

다리우스 터빈의 양력 블레이드는 직선형, 곡선형 또는 나선형으로 될 수 있습니다 (아래 도표 참조).

이것들은 모두 다리우스 터빈입니다 - 로터 블레이드는 모두 동일한 양력 생성용 양력 블레이드이며, 다른 구성으로 되어 있습니다.

나선형 구성은 특히 흥미롭습니다. 이는 같은 회전 영역 내에서 더 긴 양력 블레이드를 포함할 수 있어 더 많은 바람을 포착하고 효율성을 증가시킬 수 있기 때문입니다.

다른 터빈 설계

대부분의 풍력 터빈이 수직 축과 수평 축이라는 두 가지 주요 카테고리에 속하지만, 이 두 설계의 일반적인 구성에서 벗어난 다양한 실험적 디자인이 존재한다.

윈드 트리

파리 소재 회사인 New Wind가 만든 ‘윈드 트리’는 사보니우스 수직 축 풍력 터빈을 기반으로 하지만, 나무의 잎처럼 배열된 많은 작은 터빈을 사용하여 도시의 장식적인 요소를 제공한다.

보르텍스 블레이드리스

보르텍스 블레이드리스는 풍력을 통해 운동 에너지를 추출하는 완전히 다른 방법을 활용한 스페인 회사이다. 그들의 '터빈'은 전통적인 터빈처럼 보이지 않으며, 회전하지 않는다.

Vortex Bladeless 시스템은 바람에서 에너지를 추출하기 위해 소용돌이 유도 공명이라는 기술을 사용하는 긴 기둥 모양의 마스트를 사용합니다. 바람이 기둥을 지나가면서 그 뒤에 난류를 일으키며, 이로 인해 기둥이 전후로 진동하거나 '진동'하게 되고, 이 기계적 에너지가 선형 발전기를 구동하여 전류를 생성합니다.

회전하는 날개가 없기 때문에, 이 형태의 풍력 발전기는 이주 중인 새나 야생 동물에게 위험을 주지 않습니다.

차량으로 구동되는 터빈

여러 회사들이 고속도로와 자동차 전용 도로의 중앙 분리대에 설치할 수 있는 소규모 수직 축 풍력 터빈을 개발하고 있습니다. 이러한 터빈은 '자연' 바람에 의해 구동되는 것이 아니라, 고속으로 지나가는 차량들의 연속적인 흐름이 발생시키는 난류에 의해 회전합니다. 따라서 여전히 일반적인 수직 축 풍력 터빈이지만, 적용되는 상황이 새로운 것입니다.

교차 축 풍력 터빈 (CAWT)

교차 축 풍력 터빈은 수평과 수직 터빈 날개를 새로운 교차 연결 구성을 통해 사용하는 실험적인 수직 축 터빈 설계입니다. 세 개의 수직 날개와 여섯 개의 수평 날개로 구성되어 있어 수평 및 수직 방향에서 오는 풍력을 모두 포착할 수 있습니다. 연구 결과, 동일한 풍속 조건에서 이 터빈은 전통적인 수직 축 풍력 터빈보다 2.5배 더 효율적이었습니다.