상세정보

풍력발전은 태양광발전보다 발전단가가 저렴하며 밤과 낮 구분 없이 또 날씨에 무관하게 적당한 풍속의 바람이 불면 항상 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다. 따라서 대학, 기업 및 연구소 등에서 다양한 연구와 교육이 이루어지고 있는 관심분야이다.

현재 많은 상용설계프로그램들이 개발되어 실제 풍력단지 선정과 풍력터빈의 설계에 이용되고 있다. 그러나 풍력발전 시스템은 기계, 항공 및 전기 분야를 포함하는 종합적인 장치로 각 분야에 대한 기초적인 지식을 먼저 이해하고 상용설계프로그램을 이용하는 것이 바람직하다. 특히 풍력발전 시스템에 필요한 여러 전공분야에 대한 기초적인 원리를 포괄적으로 설명하는 책을 구하기 쉽지 않다. 따라서 대학교 3 ~ 4학년 또는 대학원 석사과정에서 사용할 수 있는 풍력발전에 대한 기초적인 내용을 종합하고자 노력하였다.

바람은 태초부터 있었으며 인류역사의 발전과 함께 이용된 중요한 자원이다. 특히 증기기관이 발명되기 전까지 해상수송의 중요 에너지원으로 매우 중요한 역할을 담당하였다. 또한 육상에서도 지하수를 끌어 올리고, 저지대의 물을 배수하고, 곡물을 분쇄하는 등에 다양하게 사용되었다. 지금은 화석원료의 부족으로 전기발전의 중요한 자원으로 다시 많은 관심을 끌고 있다. 특히 1970년대에 있었던 석유위기를 겪으면서 미국과 서유럽 등지에서 대단위 육상 및 해상풍력단지를 건설하여 전기를 생산하고 있으며, 최근에는 중국에서 육상풍력발전이 급속히 성장하고 있다. 또한 국내의 주요 중공업회사들은 조선산업의 부진과 에너지원의 다변화에 맞추어 풍력터빈 생산에 참여하기 시작하였다. 풍력발전은 태양광발전보다 발전단가가 저렴하며 밤과 낮 구분 없이 또 날씨에 무관하게 적당한 풍속의 바람이 불면 항상 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다. 따라서 대학, 기업 및 연구소 등에서 다양한 연구와 교육이 이루어지고 있는 관심분야이다.
현재 많은 상용설계프로그램들이 개발되어 실제 풍력단지 선정과 풍력터빈의 설계에 이용되고 있다. 그러나 풍력발전 시스템은 기계, 항공 및 전기 분야를 포함하는 종합적인 장치로 각 분야에 대한 기초적인 지식을 먼저 이해하고 상용설계프로그램을 이용하는 것이 바람직하다. 특히 풍력발전 시스템에 필요한 여러 전공분야에 대한 기초적인 원리를 포괄적으로 설명하는 책을 구하기 쉽지 않다. 따라서 대학교 3 ~ 4학년 또는 대학원 석사과정에서 사용할 수 있는 풍력발전에 대한 기초적인 내용을 종합하고자 노력하였다.
제1장에서 4장까지는 바람의 특성, 풍력터빈의 작동원리, 구성요소 및 출력에 대한 내용을 수록하였다. 제1장에서 바람의 생성과 특성에 대하여 설명하였다. 항상 같은 속도의 바람이 불지 않기 때문에 시간에 대한 바람 속도의 분포에 관한 내용을 논의하였다. 제2장에서는 풍력터빈의 개요에 대하여 간략하게 설명하여 풍력터빈을 구성하고 있는 각 주요 부품과 작동원리에 대하여 이해할 수 있도록 하였다. 제3장에서는 풍력발전의 핵심부품인 풍력터빈 날개의 설계와 성능에 대하여 설명하고 주어진 풍속에서 얻을 수 있는 출력을 계산하는 기본적인 이론에 대한 내용을 수록하고 있다. 제4장에서는 설치된 풍력터빈이 주어진 풍속에서 효율적으로 운영되면서 최고의 출력을 생산할 수 있는 운영방법에 대하여 설명하고 있다. 실제 풍력터빈을 운영하기 위하여 꼭 필요한 내용이다.
제5장에서 제8장까지는 풍력터빈의 중요 구성요소인 증속기어 및 발전기에 대하여 간략하게 설명하고 또한 대단위로 많이 건설되고 있는 해상풍력발전의 특성과 풍력발전의 경제성분석에 대한 내용을 수록하였다. 제5장은 많은 풍력발전 시스템에 사용되는 증속기어에 대하여 설명하고 있다. 현재 운영되고 있는 대부분의 풍력터빈의 날개의 회전수는 매우 저속이므로 고속회전이 필요 하는 발전기의 회전수에 맞추기 위하여 증속기어가 사용되고 있다. 또한 풍력발전 시스템에서 고장이 가장 잦은 부품이 증속기어로 대략적인 내용을 이해하는 것이 필요하다. 제6장에는 풍력발전 시스템에서 전기를 생산하는 발전기의 작동원리와 종류에 대하여 설명하였다. 또한 풍력터빈의 날개에 연결된 저속축에서 발전기까지 동력이 전달되는 동력전달체계 대한 다양한 구성형태와 특징을 함께 설명을 하였다. 제7장은 해상풍력터빈이 가지는 특성에 대하여 특히 후류에 의한 감속과 해저에 설치되는 하부 지지 구조물에 대한 내용을 설명하고 육상풍력터빈과 비교하였다. 끝으로 풍력발전은 구조물의 크기도 대형이지만 건설비용이 많이 들기 때문에 경제성을 분석하는 방법과 실례를 제8장에 수록하였다.
다년간 재생에너지분야를 강의하면서 교과서의 필요성을 느껴서 그동안 모은 자료를 이용하여 감히 출판을 결심하였다. 여러 분야의 내용을 포함하기 위하여 노력하였으나 풍력터빈의 운영에 중요한 제어시스템에 대한 내용을 수록하지 못하였다. 사실 이 분야는 풍력터빈을 제작하여 설치 및 운영하는 회사에서 포괄적으로 다루는 분야로 저자의 능력으로 감당하지 못하였다. 추후에 기회가 되면 추가할 예정이다. 끝으로 오직 원고 집필에 전념할 수 있게 많은 시간과 주말을 허락해 주고 배려해준 가족과 출판을 위하여 수고한 출판사 관계자 여러분께 진심으로 감사드린다.


2010년 7월 말
장 종 훈

정보제공 :

목차
머리말
Chapter 1. 풍력 에너지 = 1
 1.1 바람의 생성 = 4
 1.2 풍력 에너지 이용 현황 및 전망 = 8
 1.3 풍속 분포도 = 13
  1.3.1 풍속 분포도 = 17
  1.3.2 풍속에 대한 고도의 영향 = 26
 1.4 바람장미(Wind Rose) = 28
 1.5 전국풍력자원지도 = 29
Chapter 2. 풍력터빈 개요 = 33
 2.1 풍력터빈 개요 = 38
 2.2 풍력터빈의 구성 요소 = 44
 2.3 풍력터빈과 환경 = 56
 2.4 국내외 풍력발전 현황 = 57
Chapter 3. 풍력터빈 공기역학 및 출력 = 61
 3.1 차원 운동량이론(1-D axial momentum theory) = 64
 3.2 풍력터빈 출력밀도 = 72
 3.3 각운동량이론(angular momentum theory) = 78
 3.4 날개요소 운동량이론(Blade element momentum theory) = 87
  3.4.1 날개요소 운동량이론 일반식 = 88
  3.4.2 후류에서 회전이 없는 경우 이상적 날개 형상 = 98
  3.4.3 후류에서 회전이 있는 경우 이상적 날개 형상 = 103
 3.5 풍력터빈 날개 설계과정 = 111
  3.5.1 주요 터빈 설계인자 결정 = 111
  3.5.2 날개 형상 설계 = 112
  3.5.3 전체 날개 끝 속도비에 대한 터빈의 출력계수 = 113
 3.6 항력과 날개 수가 터빈 출력에 미치는 영향 = 114
 3.7 날개 끝에서 양력 손실 = 116
 3.8 항력을 이용하는 풍력터빈의 출력 = 118
Chapter 4. 풍력터빈 출력 제어 = 125
 4.1 날개 피치각(pitch angle) 제어 개요 = 127
 4.2 풍력터빈의 날개 특성 = 129
 4.3 출력계수와 날개 끝 속도 비(tip speed ratio) 관계 = 132
 4.4 출력곡선 = 134
 4.5 정격출력 제어 = 140
 4.6 최대출력 제어 = 142
 4.7 설비유용성(Capacity factor) 및 정격풍속 결정 = 143
 4.8 풍력터빈의 발전시스템 모델링 = 151
Chapter 5. 기어박스(Gear box) = 157
 5.1 용어 정의 및 기어 종류 = 159
 5.2 기어법칙(the law of gearing) = 167
 5.3 기어박스(gearbox) 기본이론 = 168
 5.4 기어 트레인(gear train) = 172
  5.4.1 일단기어 트레인(single stage gear train) = 172
  5.4.2 다단기어 트레인(multi-stage gear train) = 175
  5.4.3 유성기어 트레인(Planetary gear train) = 177
 5.5 기어의 윤활 = 187
Chapter 6. 전기발전시스템 = 189
 6.1 전기발전원리 = 191
  6.1.1 직류발전기 = 195
  6.1.2 교류발전기 = 198
  6.1.3 주파수 = 198
 6.2 유도발전기(induction generator) = 201
  6.2.1 농형유도발전기(SCIG) = 201
  6.2.2 이중여자유도발전기(DFIG) = 202
 6.3 동기발전기(synchronous generator) = 203
 6.4 전기발전시스템 구성 = 204
  6.4.1 정속회전-간접구동 발전시스템 = 206
  6.4.2 가변회전-간접구동 발전시스템 = 206
  6.4.3 가변회전-직접구동 발전시스템 = 207
  6.4.4 전기발전시스템 비교 = 208
Chapter 7. 해상풍력터빈 = 211
 7.1 해상풍속 특징 = 213
  7.1.1 해상풍속 분포 = 213
  7.1.2 후류 영향 = 215
 7.2 해상풍력터빈 특성 및 현황 = 218
 7.3 해상 설치기술 = 224
 7.4 해양에 미치는 환경 영향 = 229
Chapter 8. 경제성 분석 = 231
 8.1 간단한 경제성 분석 = 233
  8.1.1 자본 회수기간 = 234
  8.1.2 에너지 비용(Cost of energy) = 236
  8.1.3 수명기간 비용(Life cycle cost) = 237
 8.2 미래가치의 현재가치로 환산 = 239
 8.3 투자비 회수율 = 244
 8.4 풍력발전시스템의 경제성 분석 = 245
참고문헌 = 251
찾아보기 = 257