수직형 풍력발전기와 수평형 풍력발전기와의 차이점

(1) 수직형 풍력 터빈(VAWT, Vertical Axis Wind Turbine)

회전축이 지면에 수직한 수직형 풍력 터빈은 회전축이 바람의 방향에
대해 수직이며, 현재 실용화된 대형 시스템은 없는 실정이다. 바람의 방향
에 관계없이 운전이 가능하며(요잉 시스템 불필요) 증속기 및 발전기가
지상에 설치되어 있어서 유지/보수/점검이 용이하다. 하지만 지표면으로
부터 고도가 증가함에 따라 속도가 증가하는 경계층 효과로 인해 시스템
이 불균일한 풍속을 맞이하게 되는데, 이로 인해 시스템이 불안정해질 수
있고 시스템의 종합 효율이 낮아지게 되며, 풍속이 낮을 때 시동토크가
필요하게 되어 자기동이 불가능하다. 또한 타워를 지지 하기 위해 가이드
를 해야 되기 때문에 넓은 전용면적이 필요하게 된다. 주베어링의 분해
시에는 시스템 전체를 분해해야 하는 단점이 있다. 이러한 문제점으로 인
해 연구용과 일부 소형 풍력 발전용으로 사용되고 있으며 현재 상용화된
대부분의 풍력 발전기는 수평축 풍력 발전기이다.

 

(2) 수평축 풍력 발전기(HAWT, Horizontal Axis Wind Tubine)

수평축 풍력 발전기는 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평인 풍력
발전 시스템으로서 현재 가장 안정적인 고효율 풍력 발전 시스템으로 인
정되고 있다. 수평축 풍력 발전기로는 바람을 맞이하는 방식에 따라 맞바
람 형식(Upwind Type)과 뒷바람 형식(Downwind Type)으로 나눌 수
있다.
맞바람 형식은 바람이 블레이드를 먼저 만나게 되어있는 형태로서 타워
에 의한 풍속의 손실이 없고, 풍속 변동에 의한 피로 하중/소음이 뒷바람
형식보다 적지만 바람의 방향이 바뀌었을 때 효율을 증가시키기 위해 로
터 회전면과 바람방향이 수직이 되도록 하는 요잉 시스템이 필요하게 되
어 시스템 구성이 복잡해지게 되고 로터와 타워의 충돌을 고려하여 설계
를 해야 하는 단점이 있다.
뒷바람 형식은 바람이 타워와 나셀을 먼저 만나고 그 다음 블레이드를
만나게 되는 형태로서 자체 요잉 모멘트 발생으로 요잉 시스템이 불필요
하게 되며 타워와 로터의 충돌을 피할 수 있지만, 타워와 나셀에 의한 풍
속의 손실이 발생하게 되며 주기적인 풍속의 변동으로 인한 피로하중 및
소음이 증가하게 되며 자유요잉으로 인해 전력선이 꼬일 수 있다는 단점
이 있다. 수평축 풍력발전기는 출력제어 방식에 따라 피치제어 방식과 실
속제어 방식으로 나눌 수 있다.

 

(가) 출력제어 방식에 따른 구분

수평축 풍력 발전기의 출력제어 방식은 크게 피치제어방식과 실속제어
방식으로 나눌 수 있다. 현재 대부분의 MW급 이상의 풍력 발전기는 대
형화에 따른 시스템의 안정적 출력확보를 위해 정격 풍속 이상에서 피치
제어를 통해 일정한 출력을 얻고 있으며 중소형 풍력 발전기의 경우는 경
제성을 고려하여 실속제어방식을 채택하고 있다.

 

(나) 로터 회전수에 의한 분류

회전수에 따른 분류로는 정속회전과 비정속 회전으로 구분할 수 있는데
과거 덴마크형 풍력 발전기는 값싸고 견고한 유도발전기와 전력 변환 장
치를 적용하기 위해 정속을 유지시키는 방법을 채택해 왔었다. 하지만 최
근에 동기식발전기와 슬립을 허용하는 유도발전기 개발과 함께 전력 변환
장치의 개발로 인해 비정속회전이 가능하게 되었다. 비정속회전은 풍속의
변화에 따른 출력계수가 최적이 되도록 익단 속도비를 조절 할 수 있기
때문에 정속 회전에 비해 출력이 좋게 되어 대부분의 풍력 발전기에 채택
되고 있는 방식이다.

 

(다) 파워 트레인 구성 방식에 따른 분류

파워 트레인의 구성 방식에 따라서는 간접구동형(Geared Type), 직접
구동형(Gearless Type) 및 이 두 가지의 복합 시스템인 하이브리드형
(Hybrid Type)으로 나눌 수 있다. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 구성 방
식은 간접구동형이다. 견고하면서도 유도발전기가 저렴하다는 등의 여러
이유로 인해 과거부터 많이 사용되어 왔으나 대형화에 따른 기어박스 유
지보수 문제, 기계적 손실 증가, 나셀부의 무게 증가 등의 이유로 직접구
동형과 저단의 기어와 동기식 발전기를 결합한 하이브리드형이 개발되어
제품 생산 중에 있다.

(라) 발전기에 따른 분류

풍력발전용 발전기에는 직류발전기, 교류 동기 발전기, 교류 유도 발전
기 등 3가지 종류의 발전기가 주로 사용되고 있다. 직류발전기는 발전용
량이 작으며 축전지의 충전이나 전열용(급탕, 난방 등)에 주로 이용하며,
교류 동기 발전기는 동기 발전기와 일반 권선형 동기 발전기, 영구자석
여자 동기 발전기가 있고, 교류 유도 발전기는 유도 발전기, 농형 유도 발
전기, 권선형 유도 발전기가 있다.