풍력 터빈의 풍속과 풍향을 어떻게 결정하나요?

풍력 터빈의 발전 효율과 운영 안정성은 풍속과 풍향의 정확한 측정에 크게 좌우됩니다. 풍속은 에너지 입력 규모를 결정하고, 풍향은 바람에 대한 날개의 각도에 영향을 미치며, 이 두 가지가 합쳐져 장치의 출력 전력과 부하 분포를 결정합니다. 이 글에서는 풍속과 풍향을 측정하는 핵심 방법을 간략히 소개합니다. 여기에는 기계적, 초음파적, 고정밀 센서 기술이 포함되며, 풍력발전소의 설계와 운영을 위한 기술적 참고 자료를 제공합니다.
1. 풍속 측정 방법

1. 기계식 풍속계

원리: 윈드컵이나 블레이드의 회전 속도와 풍속 사이의 선형 관계를 활용하여 기계적 운동이 속도 센서를 통해 전기 신호로 변환됩니다.

3컵 풍속계: 수직축에 동일한 각도로 설치된 3개의 풍속컵은 바람에 의해 회전하며, 속도는 풍속에 비례합니다. 초기 풍속은 낮고(0.5~1m/s) 먼지, 비, 눈 등 혹독한 환경에 적합하지만, 지연이 있어 평균 풍속 측정에 더 적합합니다. 예를 들어, 높이 100m의 풍력 타워는 일반적으로 30m, 50m, 70m 등의 높이에 컵형 풍속계를 3개씩 설치하여 다중 계층 풍속 데이터를 동시에 기록합니다.

프로펠러 풍속계: 여러 개의 날개가 수평축을 중심으로 회전하며, 속도는 풍속에 비례합니다. 일반적으로 풍향계와 연결되어 날개가 항상 바람 방향과 일치하도록 합니다. 구조는 컴팩트하지만, 프로펠러 날개는 바람과 모래에 의해 마모되기 쉽고 정기적인 유지관리가 필요합니다.

2. 초음파 풍속계

원리: 초음파 전파 시간차법을 기반으로, 정풍/역풍 방향의 초음파 전파 속도 차이를 측정하여 풍속을 계산합니다.

4개 프로브 초음파 풍속계: 4개의 프로브가 쌍을 이루어 2세트의 풍속 측정 장치를 형성합니다. 각 프로브 세트는 공기 중 초음파 전파의 시간 차이를 측정하여 상대 풍속을 계산합니다. 두 세트의 데이터를 결합하면 3차원 풍속 벡터를 얻을 수 있습니다. 기계적 마모가 없고 응답 시간이 빠릅니다.<1초) 비용이 많이 들고, 비나 눈이 오는 날씨에는 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 대형 풍력 터빈은 초음파 풍속계를 통해 고정밀 풍속 데이터를 실시간으로 제공하여 피치 제어와 전력 최적화를 지원합니다.

3. 고정밀 풍속계

원리: 정렬 기술 없이 초음파를 사용하여 풍속 및 풍향 데이터를 실시간으로 측정하여 기존 기계식 센서의 방향 의존성을 제거합니다.

초음파 융합 센서: 여러 세트의 초음파 프로브를 통합하고 알고리즘을 통해 환경 간섭(온도 및 습도 등)을 제거하며 정확도가 높은 풍속 데이터를 출력합니다. ± 0.1m/초 설치가 쉽고 정기적인 교정이 필요 없지만, 기존 센서보다 비용이 30~50% 더 높습니다. 예를 들어, 어떤 풍력발전소는 고정밀 풍속계를 통해 풍력자원의 분포를 분석하고, 단위 배치를 최적화하여 연간 발전량을 8% 증가시켰습니다.

2. 풍향 결정 방법

1. 기계식 풍향계

원리: 풍향계의 시작과 끝 부분의 비대칭 구조를 이용하여 바람의 힘에 의해 수직축을 중심으로 회전하며, 바람의 방향을 가리킵니다.

단익 풍향계: 꼬리 날개, 지시봉, 균형추, 회전 주축으로 구성되며, 중심은 지지축 축에 위치하여 자유롭게 회전할 수 있습니다. 설치는 다음 위치에 있어야 합니다. 90 ° 주된 풍향에 대한 각도이며, 지역 자기 편각에 따라 방향이 보정됩니다. 풍향은 방위각법(북북동, 동북동 등)이나 각도법(북쪽을 기준으로 시계 방향으로 회전)을 사용하여 표현됩니다. 예를 들어, 산악 지역의 풍력 발전소에서는 풍력 측정 타워의 최상층에 유선형 풍향계를 설치하고 3개의 컵이 달린 풍속계를 결합하여 풍력 자원 데이터 수집을 완료했습니다.

2. 초음파 풍속계

원리: 여러 세트의 초음파 프로브의 전파 시간 차이 데이터를 통해 풍향 각도를 계산합니다.

3암 초음파 풍속계: 3개의 센서 암이 수직 및 수평으로 설치되고, 암 끝 사이의 음파의 전파 시간 차이를 측정하여 풍향 벡터를 계산합니다. 기계적 마모가 없고, 응답 속도가 빠르지만 비용이 많이 들고, 엄격한 정밀도 요구 사항이 있는 시나리오에 적합합니다.

3、측정방법 선정의 근거

환경적 적응성: 먼지, 비, 눈이 내리는 지역에서는 기계식 센서의 마모 및 결빙 문제를 피하기 위해 초음파 또는 고정밀 센서가 선호됩니다.

비용 제약: 소형 및 중형 풍력 발전소에서는 기계식 센서가 선택 사항인 반면, 대형 또는 해상 풍력 발전소에서는 데이터 신뢰성을 개선하기 위해 초음파 또는 고정밀 센서가 권장됩니다.

정확도 요구 사항: 고정밀 센서(오차<± 풍력자원 평가에는 0.2m/s의 정밀도가 필요하지만 중간 정밀도 센서(오차)는<± 0.5m/s)를 단위 제어에 사용할 수 있습니다.

4、결론

풍속과 풍향을 정확하게 측정하는 것은 풍력 터빈을 효율적으로 운영하는 데 필요한 기초입니다. 기계식 센서는 비용이 저렴하지만 유지관리가 잦고, 초음파 센서는 적응성이 강하지만 가격이 비싸고, 고정밀 센서는 정확성과 편의성이 균형을 이룹니다. 실제 적용에서는 환경 조건, 비용 예산, 정확도 요구 사항 등을 종합적으로 고려하여 풍력 발전 효율과 장비 수명의 최적화를 달성하는 것이 필요합니다.