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수려한집게벌레191
바람의 운동 에너지를 이용해 전기를 생산하는 풍력 발전기의 원리를 회전 날개의 공기 역학적 구조와 터빈 내부의 전자기 유도로 설명해 주세요.
바람의 운동 에너지를 이용해 전기를 생산하는 풍력 발전기의 원리를 회전 날개의 공기 역학적 구조와 터빈 내부의 전자기 유도로 설명해 주세요.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
풍력 발전기는 바람의 운동 에너지를 날개의 회전 운동 에너지로 전환한 뒤, 발전기 내부의 전자기 유도 현상을 이용하여 전기 에너지로 변환하는 장치입니다.
풍력 발전기의 블레이드라고 하는 회전 날개의 단면은 비행기 날개처럼 위쪽은 완만하게 볼록하고 아래쪽은 평평한 유선형 구조를 띠어, 바람이 불 때 날개 위쪽을 지나는 공기 속도가 빨라지고 기압이 낮아지는 반면 아래쪽은 공기 속도가 느려 기압이 높아집니다. 이 기압 차이로 인해 날개를 아래에서 위로 밀어 올리는 양력이 발생하며 수평 방향의 회전 토크로 변환되면서 거대한 날개 전체를 지속적으로 돌려줍니다.
발전기 내부에는 고정된 구리 코일과 회전축에 연결되어 있으며 함께 도는 강력한 영구자석이 있어 자석이 고속으로 회전하면 코일을 통과하는 자기선속이 시간에 따라 끊임없이 변화합니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에 의해 코일에 유도 기전력이 생기며 전하가 이동하는 전류가 만들어집니다.
채택된 답변안녕하세요. 풍력 발전기의 원리는 크게 바람의 운동에너지를 회전 운동에너지로 바꾸는 과정과 회전 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 과정으로 나누어 이해하면 쉽습니다. 먼저 바람이 풍력 발전기의 날개를 지나가면 날개에 힘이 발생하는데요, 풍력 발전기의 날개는 단순한 평평한 판이 아니라 비행기 날개와 비슷한 공기역학적 단면을 가지고 있습니다. 바람이 날개 위아래를 지나면서 압력 차이가 발생하고, 이로 인해 날개에 양력과 항력이 생깁니다. 날개는 이러한 공기력을 회전 방향의 힘으로 이용하여 회전하기 시작합니다. 즉, 바람이 가진 운동에너지가 날개의 회전 운동에너지로 변환되는 것입니다.
이때 날개의 길이가 길수록 더 넓은 면적의 바람을 받아들일 수 있기 때문에 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다. 다만 바람의 에너지를 100% 회전 에너지로 바꿀 수 있는 것은 아닙니다. 실제로 날개가 바람을 완전히 멈춰 세워버리면 오히려 계속해서 새로운 공기가 날개를 통과할 수 없기 때문에 발전 효율이 떨어집니다. 따라서 풍력 터빈은 바람의 일부 운동에너지만 추출하면서 공기가 계속 뒤쪽으로 흘러갈 수 있도록 설계됩니다. 날개가 회전하면 그 회전축에 연결된 로터와 주축이 함께 회전하는데요, 일부 풍력 발전기에서는 기어박스를 이용하여 느리게 회전하는 날개의 회전수를 발전기에 적합한 높은 회전수로 높이기도 하고, 기어박스 없이 발전기를 직접 연결하는 방식도 사용합니다. 이렇게 전달된 회전 운동은 발전기 내부에서 전자기 유도를 일으키고, 발전기에는 일반적으로 자석 또는 전자석과 코일이 있는데, 회전하면서 자기장과 코일 사이의 상대적인 움직임이 발생하면 코일을 통과하는 자기선속이 계속 변하게 됩니다. 그러면 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 코일에 유도기전력이 발생하고 전류가 흐를 수 있게 됩니다. 감사합니다.