풍력발전기는 축의 형태에 따라 다리우스형, 사보니우스형 등의 수직축 풍력발전기와 프로펠러형의 수평축 풍력발전기로 구분할 수 있는데, 현재는 수평축 풍력발전기가 그 주류를 이루고 있다. 수평축 풍력발전기는 적은 용량에서부터 큰 대형 용량에 이르기 까지 골고루 만들어 지고 있고 수직축 풍력발전기(Darrieus)는 중형급 용량 이하의 풍력발전기에서 많이 쓰이고 있다.수평축 풍력발전기에는 예외 없이 날개의 면이 바람이 부는 방향으로 향해 있어야 한다. 이를 가능케 하기 위해 풍력발전기의 몸통을 인위적으로 회전(Yawing)시켜 주던기, 혹은 꼬리 날개를 이용하여 스스로 날개 면이 바람과 직교되는 방향으로 서도록 한다. 한편 수직축 풍력발전기에는 날개가 수직축을 중심으로 회전하므로 바람의 방향과 무관하므로 요잉(Yawing)메커니즘이 없다. 발전기의 출력을 제어하는 방법으로는 발전기 제어부분과 날개에서 제어하는 두가지로 나눌 수 있다. 전자는 예로 권선형 유도발전기를 들 수 있는데, 풍속이 증가하면 발전기의 슬립변화를 통해 출력을 가변 시킴으로써 출력을 제어한다. 후자의 예는 날개의 공기역학적 특성을 이용하여 출력 제어하는 경우인데, 구체적으로 스톨(Stall)제어와 피치(Pitch)제어로 나누어진다. 스톨제어는 정격이상의 과도한 풍속이 불 경우 날개 뒷면에 난류를 방생시켜 날개에 제동을 걸어 주는 방법이며, 피치제어는 날개각을 변화시켜 토크를 제어하는 방식이다.
풍력터빈이 정격출력을 내고 있을 때 풍속이 높아진다면 날개의 피치각을 변화시키되, 토크를 감소시키는 방향으로 피치각을 이동시켜야 한다. 이는 날개가 맞는 영각을 줄여주는 방향으로 날개를 이동시키면 가능하고, 결과적으로 피치각을 증가시키는 방향으로 피치제어를 하여야 한다.
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| 1. 수평축 날개 (Horizontal Blade) |
| 수평축(Horizontal) 풍력발전기 날개의 회전면과 날개의 Chord면이 이루는 각을 피치각 θ로 정의 한다. 날개의 Tip부분에서 Root쪽으로 갈수록 Twist 되어 있어, 피치각 θ는 정격 운전 중 Tip부분에서 날개의 회전면과 Chord선이 일치하여 0˚에 가깝다. 날개 Tip 부분의 Chord길이와 Root부분의 길이와의 비를 Taper ratio라 한다. |
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| 2. 수직축 날개 (Vertical Blade) |
| 수직축 풍력터빈(Wind Turbine)의 회전각을 θ라하고 풍력터빈을 위에서 보았을 때 0˚에서부터 360˚ 회전한다. 터빈의 날개가 바람방향으로 섰을 때, 즉 바람과 날개의 중앙선(Chord line)이 일치될 때, 회전각 0˚라 하고,반대방향으로 섰을 때, 회전각 180˚로 정의 한다. 날개의 영각α(Angle of Attack)은 이 날개의 중앙선이 바람 방향과 이루는 각을 의미한다. 날개가 회전할 때는 날개의 주행속도가 바람 속도와 벡터적으로 합성되므로 실제 풍속과 다른 상대 풍속 벡터(resulting wind velocity)가 존재하고, 이 상대풍속에 따라 양력과 항력이 날개에 미친다고 할 수 있다. 이 상대풍속과 날개 중앙선이 이루는 각이 즉 영각인데, 영각은 λ을 변수로 가진다. |
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공기역학(Aerodynamic Power)
