풍력발전기의 드라이브 트레인 (DriveTrain) : 동력 전달 장치

풍력발전기의 드라이브트레인(DriveTrain)에 대해서 알아보겠습니다.

바람의 에너지는 블레이드를 통과하여 회전 에너지로 바뀌게 됩니다. 회전에너지는 샤프트(Shaft)와 메인 베어링(Main Bearing)을 그리고 필요시 기어박스(Gearbox)를 통해서 발전기로 동력을 전달 하게 됩니다.

1. 드라이브 트레인(DriveTrain) 종류

드라이브 트레인은 일반적으로 두 가지 주요 유형으로 분류됩니다: 기어드(Geared) 드라이브 트레인과 기어리스(Gearless) 드라이브 트레인입니다.

• 기어드 드라이브 트레인
  기어드 드라이브 트레인은 풍력 발전기에서 가장 일반적으로 사용되는 형태입니다. 이 시스템은 기어박스를 사용하여 터빈의 저속 회전을 고속으로 변환하여 발전기에 전달합니다. 이를 통해 터빈의 회전 속도와 발전기의 효율을 최적화할 수 있습니다.
• 기어리스 드라이브 트레인 (Direct Drive)
  기어리스 드라이브 트레인은 기어박스 없이 터빈의 회전 속도를 직접 발전기로 전달하는 방식입니다. 이 방식은 구조가 단순하고, 유지보수가 적으며, 소음이 적다는 장점이 있습니다. 그러나 일반적으로 초기 설치 비용이 더 높습니다.

2. 각 드라이브 트레인의 장단점

 

• 기어드 드라이브(Geared) 트레인
  • 장점: 높은 효율성, 넓은 범위의 회전 속도에 대한 적응력, 초기 설치 비용이 비교적 낮음.
  • 단점: 기어박스의 마모로 인한 유지보수 비용, 소음 발생 가능성.
• 기어리스 드라이브(Gearless) 트레인
  • 장점: 구조의 단순성, 유지보수 비용 절감, 소음 감소, 시스템의 내구성 증가.
  • 단점: 초기 설치 비용이 높고, 일부 환경에서는 효율이 낮을 수 있음

3. 제조사별 드라이브 트레인

드라이브 트레인의 주요 제조사들은 각기 다른 기술을 사용하여 경쟁력을 높이고 있습니다.

• 지멘스 가메사 (Siemens Gamesa)
  지멘스 가메사는 기어리스 드라이브 트레인의 선도적인 제조사입니다. 이 회사는 터빈의 안정성과 유지보수의 간편성을 중시하며, 특히 해상 풍력 발전에 적합한 솔루션을 제공합니다.
• GE 리뉴어블 에너지 (GE Renewable Energy)
  GE는 기어드 드라이브 트레인 기술에서 두각을 나타내며, 다양한 환경에서 높은 효율을 유지하는 제품을 제공합니다. GE의 Haliade-X 모델은 세계 최대 출력의 풍력 터빈 중 하나로, 기어드 시스템을 채택하고 있습니다.
• 베스타스 (Vestas)
  베스타스는 기어드와 기어리스 드라이브 트레인을 모두 제공하며, 고객의 요구에 맞춰 유연한 솔루션을 제공합니다. 이 회사는 특히 육상 풍력 발전 분야에서 강점을 보이며, 다양한 크기의 터빈을 공급합니다.

4. 기어박스 비(Gear Ratio)

1. 기어비(Gear Ratio)란?

기어비는 입력 기어(터빈 샤프트)와 출력 기어(발전기 샤프트) 사이의 회전 속도 비율을 나타냅니다. 예를 들어, 기어비가 1:50이라면, 터빈이 한 번 회전할 때 발전기 샤프트는 50번 회전하게 됩니다. 이 비율을 통해 저속으로 회전하는 터빈 블레이드의 에너지를 고속 회전이 필요한 발전기에 효율적으로 전달할 수 있습니다.

2. 기어비가 풍력 발전기에 미치는 영향

• 효율성: 적절한 기어비를 설정하면 터빈의 회전 속도를 발전기에서 요구하는 속도로 정확히 변환할 수 있어 에너지 변환 효율이 높아집니다.
• 부하 관리: 높은 기어비는 발전기가 더 빠르게 회전하도록 하여 더 많은 전기를 생산하게 할 수 있지만, 기어박스와 발전기에는 더 큰 부하가 가해집니다. 이는 부품의 마모와 유지보수 비용을 증가시킬 수 있습니다.
• 소음과 진동: 기어비가 너무 크면 기어박스 내에서 소음과 진동이 증가할 수 있으며, 이는 장기적으로 시스템의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 기어비 설정의 장단점

• 높은 기어비:
  • 장점: 발전기의 회전 속도가 증가하여 전력 생산량이 늘어날 수 있습니다. 특히 낮은 바람 속도에서 효율적인 에너지 생산이 가능해집니다.
  • 단점: 기어박스와 발전기에 가해지는 스트레스가 증가하며, 이는 유지보수 비용과 시스템의 내구성에 영향을 줄 수 있습니다.
• 낮은 기어비:
  • 장점: 시스템에 가해지는 부하가 줄어들고, 기어박스와 발전기의 내구성이 향상됩니다. 유지보수 비용이 절감될 수 있으며, 소음과 진동이 줄어듭니다.
  • 단점: 낮은 회전 속도로 인해 전력 생산 효율이 감소할 수 있습니다. 이는 특히 바람 속도가 낮을 때 문제가 될 수 있습니다.

<예시>

 블레이드 12RPM을 회전하며 1200RPM을 사용하는 발전기를 사용하고 있다면 1:100의 비율 기어박스가 필요함