T.2 로터

해상 풍력 터빈 블레이드 예시. 이미지 제공: LM Wind Power. 무단 전재 및 재배포 금지.

주요 정보

15MW 부유식 해상 풍력 터빈의 경우, 약 7백만 달러(USD)이다.

15MW 터빈용 로터의 질량은 약 230t, 직경은 약 224m이다.

로터는 블레이드, 허브 주물, 블레이드 시스템, 베어링, 피치 시스템으로 구성된다. 블레이드는 일반적으로 유리섬유 및 에폭시 수지로 만들어진다. 설계마다 모델이 다양하며 일부는 탄소 섬유를 사용하고 일부는 폴리에스터 수지를 사용한다. 수명이 다했을 때 블레이드 자재를 회수해 재사용할 수 있도록 새로운 수지 시스템을 개발 및 테스트하고 있다.

일반적으로 팁 속도가 높을수록 에너지 포집의 효율이 높아지고 해상 팁 속도는 육상에서 사용되는 것보다 빠르지만 블레이드 전연부 침식을 방지하기 위해 설계상 제한된다. 빗방울, 미립자 물질, 우박, 얼음, 염분에 의한 반복적인 충격이 블레이드를 침식시켜 표면이 거칠어지고 블레이드의 전연부 바깥쪽 부분에 공기역학적 형상을 변화시킨다. 이렇게 되면 블레이드 성능이 저하되고 소음 배출이 증가한다. 수리되지 않은 채로 방치하면 손상이 계속되어 블레이드의 구조적 무결성에 영향을 끼치게 된다.

전연부 침식 위험을 혁신적으로 줄이는 것에 가장 집중해야 한다. 한 가지 방법은 더 나은 코팅 기술을 개발하는 것이다. 또 다른 방법은 풍력 터빈 블레이드에서 볼 수 있는 처짐을 유연하게 견딜 수 있을 만큼의 헬리콥터 블레이드에 사용되는 것과 유사한 전연부 보호 플레이트를 통합해 사용하는 것이다.

각 블레이드는 블레이드 베어링에 볼트로 고정되고 블레이드는 주축 중앙 허브에 볼트로 고정된다. 블레이드 베어링은 피치 메커니즘이 블레이드 피치 각도를 조정하여 터빈의 전원 출력을 제어하고, 하중을 최소화하고, 필요에 따라 터빈을 시동하거나 중지할 수 있게 해준다.

각 블레이드에는 자체적인 피치 시스템이 장착되어 있어 하나의 피치 시스템에 장애가 발생하더라도 터빈을 제어할 수 있다. 피치 시스템은 유압식 또는 전기식으로 작동하며 외부 기능의 차이는 거의 없다.

일반적으로 터빈이 최대(정격) 출력을 생산하는 동안 로터 속도를 조절하기 위해 중풍~강풍에서 블레이트 피치 각도를 지속적으로 조정한다. 저풍에서는 피치 시스템이 작동하여 공기역학적 효율을 극대화하므로 움직임이 크게 줄어든다.

해상 풍력 로터 규모가 클수록 가능성은 더 많지만 동일한 설계를 기준으로 생산되는 추가 에너지보다 질량이 빠르게 증가한다. 이는 에너지 포집량이 2차원 회전면(블레이드 길이의 제곱)에 비례하는 반면, 블레이드의 크기와 질량은 3차원(블레이드 길이의 세제곱)으로 증가하기 때문이다. 블레이드 기술이 발전하면서 풍력 터빈의 크기가 커짐에 따라 실제 질량 증가는 블레이드 길이의 세제곱보다 제곱에 더 가까워졌다.

양호한 해상 부지에서 15MW 해상 터빈의 경우 50%를 초과하는 용량 계수가 예상된다. 이는 양호한 육상 부지의 약 40%의 용량 계수와 비교된다.

팁 속도가 동일하게 제한된다고 가정할 때, 터빈 로터 직경이 증가하면 회전 속도가 감소한다. 회전 속도가 감소하면 파동으로 인한 하중과 터빈 자체 작동으로 인해 발생하는 공진 진동수를 방지하는 지지 구조를 설계하기가 더욱 어려워진다.

로터 속도는 4~8 r/min이며, 최대 팁 속도는 100m/s 이상이다.

영국에서는 로터 간격이 대조평균고조면(MHWS) 수위에서 최소 22m 이상이어야 한다.

부유식 또는 고정식 해상 풍력발전단지를 위해 설계된 로터에는 큰 차이가 없다.

구성 요소

• 블레이드
• 블레이드 시스템 및 베어링
• 허브 주물
• 피치 베어링 및 액추에이터 시스템
• 로터 보조 시스템