풍속이 낮거나 불안정한 지역에서 풍력 터빈의 발전 효율은 얼마입니까?

이는 매우 좋은 질문이며, 풍력 발전 산업이 시장을 확대하는 데 있어 직면한 핵심 과제 중 하나입니다. 간단히 말해, 풍속이 낮거나 불안정한 지역에서는 기존 풍력 터빈의 발전 효율이 크게 떨어지지만, 일련의 맞춤형 기술 혁신과 종합적인 솔루션을 통해 경제적으로 실현 가능한 개발을 이미 달성할 수 있습니다.

아래에 몇 가지 자세한 설명이 있습니다.
1. 과제: 효율성이 감소하는 이유는 무엇일까요?

풍속과 발전량의 세제곱 관계: 풍력 터빈의 출력은 풍속의 세제곱에 비례합니다. 즉, 풍속이 절반으로 줄어들면 이론적으로 발전량은 원래의 8분의 1로 줄어듭니다. 따라서 낮은 풍속은 발전량에 악영향을 미칩니다.

풍속 제한 작동: 기존 풍력 터빈은 "풍속 제한"(일반적으로 초속 3~4m)이 있어, 이 속도 이하에서는 터빈이 전기를 생산할 수 없습니다.

불안정한 풍속: 풍속의 잦은 변동은 풍력 터빈의 빈번한 시동/정지, 요잉(yaw) 및 피치(pitch) 변화를 초래할 수 있으며, 이는 기계적 손실을 증가시킬 뿐만 아니라 최적의 출력 곡선에서 안정적으로 작동하지 못하게 하여 전반적인 용량 활용률을 저하시킵니다.

높은 난류 강도: 불안정한 바람은 종종 높은 난류를 동반하여 팬에 부하를 증가시킵니다. 안전을 확보하기 위해 경우에 따라 전력을 줄이거나 작동을 중단해야 할 수 있습니다.

2. 해결책: 풍속이 낮거나 불안정한 지역에서 발전 효율을 향상시키는 방법은 무엇일까요?

이러한 문제에 대응하여 현대 풍력 발전 기술, 특히 저속 풍력 터빈은 성숙한 해결책을 개발해 왔습니다.

1. 청소 범위 확대:

날개 길이 연장: 이것이 가장 직접적이고 효과적인 방법입니다. 날개가 길어지면 더 많은 풍력 에너지를 포착하여 낮은 풍속에서도 발전기를 구동할 수 있는 충분한 토크를 생성할 수 있습니다. 최신 저속 팬의 임펠러 직경은 점점 더 커지고 있습니다.

공기역학적 설계 최적화: 더욱 발전된 에어포일 및 블레이드 형상을 채택하여 풍력 에너지 포착 효율을 향상시킵니다.

2. 풍속 제한 및 정격 풍속을 줄이십시오.

제어 전략과 발전기 설계를 개선함으로써 풍속 제한을 초속 2~2.5미터 또는 그 이하로 줄일 수 있습니다.

풍력 터빈이 더 낮은 풍속에서도 정격 출력을 낼 수 있도록 '정격 풍속'(최대 출력에 도달하는 풍속)을 낮추십시오.

3. 탑의 높이를 높이세요:

풍속은 높이가 높아질수록 증가합니다(풍속 전단 효과). 더 높은 타워를 사용하면 허브를 더 높고 안정적인 위치에 설치하여 더 높은 풍속에서도 안정적으로 작동할 수 있으므로 발전량을 크게 늘릴 수 있습니다.

4. 첨단 지능형 제어 기술:

지능형 피치 및 토크 제어: 순간 풍속에 따라 블레이드 각도와 발전기 토크를 정확하게 조절하여 에너지 포착을 극대화하고 불안정한 풍속으로 인한 부하를 줄입니다.

예측 제어: LiDAR와 결합하여 풍속을 예측적으로 측정하고, 팬 상태를 사전에 조정하여 전력 출력을 안정화하고 기계적 충격을 줄입니다.

풍력 발전 단지의 협업 제어: 풍력 발전 단지 전체에 걸쳐 풍력 터빈의 운영 전략을 최적화하고, 후류의 영향을 줄이며, 단지 전체의 총 발전량을 증대시킵니다.

5. 특정 풍속 조건에 적합한 모델 설계:

난류가 심하고 산악 지형과 같은 복잡한 풍상에서도 더 복잡한 하중을 견디고 효율적인 작동을 유지할 수 있는 향상된 풍력 터빈을 설계합니다.

3. 종합 효과 및 측정 지표

위와 같은 최적화를 통해 현대식 저속 풍력 터빈의 연간 완전 가동 시간은 풍속이 낮은 지역(예: 연평균 풍속 5.5~6.5m/s)에서 2,000시간 이상에 달할 수 있으며, 이는 경제성 측면에서 상당한 발전 가치를 지닙니다. 기존의 고속 풍속 지역(연평균 풍속 8m/s 이상)에서는 이 수치가 3,000~4,000시간 정도가 될 수 있습니다.

주요 측정 지표 - 균등화 발전비용(LCOE):
궁극적인 평가 기준은 단순히 '효율'이 아니라 발전 비용입니다. 상기 기술을 통해 단일 부품(특히 블레이드와 타워)의 비용은 증가할 수 있지만, 풍속이 낮은 지역에서도 발전량을 크게 늘려 킬로와트시당 균등화 발전 비용을 절감함으로써 전체 프로젝트의 투자 수익을 창출할 수 있습니다.

4. 미래 트렌드

더욱 커지고 맞춤화되는 풍력 터빈: 풍력 터빈은 블레이드 직경이 커지고 타워 구조가 높아지는 방향으로 계속 발전하고 있으며, 다양한 풍력 자원 지역에 맞는 고도로 맞춤화된 솔루션을 제공합니다.

에너지 저장 장치와의 결합: 풍속이 불안정한 지역에서는 "풍력 발전 + 에너지 저장 장치"(예: 배터리 에너지 저장 장치)를 활용한 구성이 출력 안정화, 계통 주파수 조절 참여, 전력 품질 향상, 보다 효율적인 계통 연계를 위한 표준 구성으로 자리 잡을 것입니다.

분산형 및 공동체 풍력 발전: 풍속은 낮지만 전력 부하에 가까운 지역(예: 중국 중부 및 남동부 지역)에서는 저풍속 풍력 터빈 한두 대를 설치하여 전력을 공원이나 공동체에 직접 공급함으로써 송전 손실을 줄일 수 있으며, 그 경제적 이점이 점차 분명해지고 있습니다.

요약

풍속이 낮거나 불안정한 지역에서는 기존 표준 풍력 터빈의 발전 효율이 이상적이지 않습니다. 그러나 공기역학적 최적화, 지능형 제어, 크기 및 높이 증대와 같은 일련의 기술을 통해 특수 설계된 최신 저풍속 풍력 터빈은 풍력 에너지를 효율적으로 포착하여 이전에는 개발 가치가 없었던 풍력 자원을 경제적으로 활용 가능한 전력으로 전환할 수 있게 되었습니다. 따라서 이러한 지역에서의 "발전 효율"은 기술적 과제에서 종합적인 기술 솔루션을 통한 최적화 문제로 전환되었으며, 전 세계 풍력 발전 개발의 중요한 성장 시장으로 자리매김했습니다.