발전이란(풍력)4-설계방법

풍력 발전 설비의 설계 방법

 

 

■풍력 발전 설비의 설계 방법

풍력발전설비를 설계, 계획할 때의 주의점을 해설한다. 풍력 발전 설비에는 2~3kW 정도의 소형 제품부터 전력 회사의 발전소에도 이용되고 있는 수 메가 규모까지 다양하지만, 여기에서는 수 메가 규모의 제품이 아니라 수요가 내에 설치되어 어느 정도의 풍력발전설비에 관하여 해설한다.

주택 용도나, 빌딩 등의 업무 시설의 도로나 옥상에 설치되는 풍력 발전은, 프로펠러형으로 3kW 정도의 발전량을 전망할 수 있는 것으로부터, 조명 기구 일체로서 정음성을 중시한 사보니우스형 등이 있지만, 어느 것 풍황이 좋지 않은 도심부에서는 큰 발전량을 바라볼 수 없기 때문에, 환경 계발의 기념물로서의 위치가 강해진다.

 

◆풍력발전설비에 필요한 풍속

풍력발전설비는 이름대로 바람을 포착하지 못하면 발전할 수 없다. 도심부의 풍속은 3m/s 정도밖에 얻을 수 없기 때문에, 도심부에 설치되어 있는 풍력 발전 설비로, 실용화할 수 있을 만큼의 발전량을 확보할 수 있는 것은 거의 존재하지 않는다.

가장 발전 효율이 좋은 「프로펠러형」의 풍차는 발전을 개시하는 「컷인 풍속」이 2~2.5m/s로 비교적 높다. 3m/s의 바람에서는 풍차가 돌기 시작하는 정도이며, 정격 출력을 임하는 것은 곤란하다. 풍속 1 ~ 2m / s에서는 회전을 시작하지 않고 정지 상태이며 발전의 시작조차 남지 않는다.

정격 출력을 얻으려면 12.5m/s의 강풍을 안정적으로 받아야 한다. 풍력발전으로 안정된 발전을 하기 위해서는 풍황조사가 필수적이다.

해안가나 산간부 등, 상시 풍속 7.0m/s 이상의 안정된 바람을 얻을 수 있는 환경이면, 충분한 발전량을 전망할 수 있다. 도심부에서 이러한 강풍은 어렵고, 충분한 발전량을 얻을 수 있는 풍속이라고는 할 수 없다.

풍력발전설비를 계획·제안하는 경우에는 설치장소의 수년에 걸친 풍황을 충분히 조사하여 안정된 전력을 확보할 수 있는지 시뮬레이션하여야 한다. 만약 발전량을 얻을 수 없는 경우, 설치를 요구하는 시주(클라이언트)에 대해서는 「풍차가 회전하지 않는 경우가 있다」 「소정의 발전량을 확보할 수 없다」라고 하는 리스크가 허용 가능한지 확인해야 한다. 이해를 얻지 못하면 풍력 발전 자체의 계획을 중단하는 결정도있을 수 있습니다.

 

◆풍력 발전 설비의 번개 보호

풍력발전설비는 발전설비에 해당하며, 20kW 미만인 경우 일반용 전기공작물에 해당하는 전기설비로 취급된다. 건축 기준법상은 「건축 설비」로서 취급되기 때문에, 지표면으로부터 20m를 넘은 장소에 설치하는 경우, 피뢰 설비로 풍차 본체, 구성하는 타워 등을 모두 낙뢰로부터 보호해야 한다.

풍력발전설비의 손상 사태풍에 의한 강풍으로의 블레이드 손상, 새의 접촉(버드 스트라이크)에 의한 블레이드 손상 외에 낙뢰에 의한 손상도 대다수를 차지한다. 강풍으로의 손상 대책은 각 메이커 모두 대책하고 있어, 규정 이상의 풍속이 있었을 경우에는 발전을 멈추고, 바람을 받지 않게 블레이드를 측면을 향하는 대책이 되어 있지만, 풍차 본체에의 낙뢰를 풍차 본체만으로 막는 것은 어렵다.

사무소 빌딩의 설계시에 요구되는 소형의 풍차라면, 피뢰침을 마련하는 것으로 직접적인 낙뢰를 막는 계획을 실시한다. 풍차에의 직접 번개를 피했다고 해도, 뇌전류의 길은 「유도뢰」로서 이상 전압이나 전류의 발생원이 되어, 접속된 각종 케이블을 통해, 풍차에 탑재된 발전기나 통신 기기를 파손한다 것이 생각된다. 유도 번개의 침입 경로에는 SPD라고 불리는 피뢰기를 설치하여 번개 전류를 대지로 빠뜨리는 궁리가 필요하다.

낙뢰는 도심부뿐만 아니라 산악지대, 해상 등 모든 장소에서 발생하고 있다. 일본 국내의 낙뢰는 여름보다 겨울철 쪽이 에너지를 크게 얻어 피해가 크다고 여겨져, 연간을 통해 낙뢰에 의한 피해에 노출된다.

 

 

●풍력발전설비 설계의 주의점

풍력발전설비를 설계할 경우 문제점을 이해한 후 클레임이나 사고가 발생하지 않도록 계획하여야 한다. 풍력은 도전의 큰 문제점은 「소음」과 「발전 품질」의 2점이다.

풍차의 진동 대책을 실시한다

풍력발전설비를 계획할 경우 원칙적으로 지상설치로 하고 가능한 한 건물에의 고정을 피하여야 한다. 옥상 등에서, 풍차를 건물 몸체에 지지 고정하면, 프로펠러의 회전에 의한 진동 소음이 건물 내부에 전파되어, 거주자로부터의 클레임 문제가 발생할 우려가 있다.

정격 출력이 1kW 정도의 소형 풍차에서도 태풍시처럼 강한 바람이 불어 컷아웃 풍속에 이르지 않는 고속 회전이 발생하면 큰 진동과 소음을 발생시킨다. 풍속에 의해 발전량이 상승하는 것이 풍력 발전의 특징이지만, 발전을 정지하는 「컷아웃 풍속」은 20~25m/s로 설정되어 있어, 너무 강한 바람이 불면 브레이크가 걸려, 블레이드가 회전하지 않습니다.

풍속 20m/s를 약간 하회하는 풍속에서는 블레이드가 고속 회전하여 큰 전력을 만들어내는데 큰 소음이 동시에 발생한다. 소음은 공기 전파와 몸체 전파를 수반하며, 프로펠러가 고회전하여 고주파음이 발생한다. 방진 고무 등에 의해서 몸체로부터 절연하여 건물에 진동을 전하지 않는 대책이 필요하다.

주택이 근처에 있는 장소에 풍력발전설비를 설치한 사례에 있어서는, 심야의 프로펠러 회전음에 의해 잠들 수 없게 되었다고 하는 클레임이나, 저주파음에 의해 컨디션 불량이 되었다고 하는 클레임이 빈발하고 있어, 자연 에너지에 의한 사회 문제로도 되어 있다.

자연 에너지를 이용한 발전 장치로서, 풍력 발전 외에 태양광 발전 설비가 있지만, 이것은 발전시에 소음을 발생시키는 일이 없다. 풍력 발전은 발전시에 큰 소음이 수반되기 때문에, 소음의 억제가 중요한 과제가 되고 있다.

 

◆풍황 조사에 의한 풍속 확보 확인

풍차 설치 장소의 풍황 조사는 풍력 발전 계획에서 가장 중요하다. 풍황에 따라 연간 예측 발전량이 크게 좌우되기 때문에, 풍력 발전 설비를 설치하는 지역의 평균 풍속이나, 바람의 방향 등을 충분히 파악할 필요가 있다.

건물의 풍하에 풍차를 설치하면 빌딩풍에 의해 풍차에 닿아야 하는 바람이 흐트러진다. 풍황 조사에서 나타난 풍량을 얻을 수 없을 우려가 있어 발전 효율의 악화로 이어진다. 애초에 일본 국내의 평균적인 풍속인 3~4m/s에서는 정격전력 1kW의 풍력발전설비를 설치했다고 해도 수십 와트의 발전량밖에 기대할 수 없는 것이 실정이다.

 

◆다수의 프로펠러 풍차가 인접하지 않음

풍력발전설비를 인접하여 다수 설치하는 계획의 경우, 풍차끼리의 이격거리를 충분히 확보하는 것이 중요하다. 프로펠러형의 풍력발전의 경우에는 더욱 배려가 필요하다.

복수의 프로펠러 풍차를 인접하여 배열하면, 하나의 프로펠러 풍차가 바람을 포착하여 회전을 시작하면, 그 풍차 근처의 바람의 방향이 바뀐다. 근처에 프로펠러형 풍차가 있으면, 방해된 바람의 영향으로 적정하게 블레이드를 회전시키지 못하고, 발전 효율이 악화된다.

 

◆너무 강한 풍속으로 보호 기능

풍력발전설비는 너무 강한 바람을 보충하면 블레이드가 파손된다. 바람의 힘으로 풍차를 회전시키고, 회전 운동을 발전기에 전달하여 발전시키고 있기 때문에, 바람이 너무 강하면 에너지가 과대해져, 허브나 로터부가 고장되거나 손상을 입을 가능성도 높아진다 .

풍력에너지는 '바람을 받는 면적'에 대해 '풍속의 3승에 비례'한 에너지를 낳는다. 바람을 받는 블레이드 면적이나 공기의 밀도가 일정하게 했을 경우, 풍속이 2배가 되면, 풍력 에너지는 8배나 된다.

바람이 강할수록 큰 발전량을 확보할 수 있기 때문에 "바람이 강할수록 효율이 오르기 때문에 좋다"고 생각하기 쉽지만, 실제로는 3~20m/s 정도의 풍속이, 풍차를 안전하게 운용할 수 있는 범위와 된다.

태풍 등, 풍속 25m/s를 넘는 돌풍을 받았을 경우, 블레이드의 회전이 안전 속도를 넘은 속도가 되어, 허브나 로터 부분이 손상되거나, 본체가 날아갈 위험성이 있기 때문에 「너무 강하다 "바람을 포착해도 회전하지 않는다"라는 보호 장치가 필요하다.

통상, 풍차는 「컷아웃 풍속」이라고 불리는, 발전할 수 있는 풍속의 최대치가 정해져 있다. 너무 강한 바람을 포착했을 경우, 풍차가 파괴되지 않도록 블레이드의 방향을 바꾸거나 브레이크를 걸는 기구가 작동하도록 만들어져 있다. 강풍은 큰 발전량을 얻을 수 있지만, 풍차 본체의 파손과도 인접해 있어, 풍속 25m/s가 그 경계가 된다.

 

◆풍력 발전의 계통 연계

풍력발전설비에서 생산되는 전력은 전력회사의 전력과 계통연계하여 운용하는 것이 일반적이다. 풍력발전만으로 자립한 전원으로 하려면 안정된 바람이 불을 뿐 아니라 축전지에 전력을 저장하고 바람이 없는 시간대에서도 전력을 사용할 수 있도록 계획해야 한다.

풍력발전설비에서 생성된 전력은 매우 불안정하며, 상시 정량의 전력을 기대할 수 없다. 상용전원이 공급되고 있는 계통에 연계시켜 바람이 불지 않는 시간대의 전력을 커버하거나 풍력발전설비에서 축전지를 충전하여 사용하는 것이 일반적이다.

풍력 발전 설비에서 발전되는 전력은 바람의 강도에 비례하기 때문에, 바람이 강하면 큰 전력이 발생하고, 바람이 진정되면 발전량이 저하된다. 전력 공급은 '바람을 피우다'라는 것이 되어, 전압·주파수·발전 전력량의 유지가 매우 곤란하다.

일본 국내는 일상적으로는 그다지 바람이 불지 않고, 태풍 등 날씨가 거칠었을 경우에는 매우 강한 바람이 불다는 특징이 있다. 대부분의 시간대를 전력회사에서 구입한 전력을 이용해, 일시적으로 바람이 강한 시간대는 「컷아웃 풍속」을 넘어 버려 발전하지 않는다고 하는 것도 예측되어, 안정된 발전이 곤란하다.

 

◆계통 연계의 주의점

전력회사에 풍력발전으로부터의 전력을 계통연계하는 경우 태양광발전과 달리 일부하가 전혀 예측할 수 없기 때문에 출력변동이나 빈번한 병해열의 반복에 의한 전압플리커가 발생한다.

동작에 의해, 다른 수요가에게 악영향을 미치는 것이 판명된 경우, 발전 설비를 설치하는 사업자는, 전압 변동을 억제하는 설비를 도입하거나, 병해열의 빈도의 저감을 요구된다.

전력회사의 배전선을 보강하거나 전용선으로 하는 것으로 주변 수요가에의 악영향을 예방하는 방법도 있지만, 전력회사측의 설비 변경은 시간이나 비용이 필요하고, 조기 대응을 바랄 수 없다 많기도 하고, 연계 불능이 될 수도 있다.