에너지/환경

혁신적 이념의 풍력열발생장치로 50~60℃ 열수 획득

발행일 : 2020 / 03 / 21

중국과학원 국가에너지풍력발전블레이드개발(실험)센터 쉬젠중(徐建中) 연구팀은 풍력에너지 이용 및 열역학 교차 이론을 기반으로 “풍력열발생장치” 혁신 아이디어를 제안하였다. 풍력에너지를 구동력으로 하는 해당 풍력열발생장치는 전기발전 과정을 거치지 않고 직접 풍력에너지를 열에너지로 전환시킨다. 또한 풍력에너지와 전기에너지의 에너지전환 손실을 감소시킴으로써 시스템 제조비는 낮추고 시스템 효율을 대폭 향상시켰는바 그 경제적 지표는 기존 주류 청정에너지원 급열/급냉 기술을 훨씬 초과한다.

연구팀은 풍력기(wind machine) 시뮬레이션 시스템을 기반으로 풍력열발생장치 하드웨어-인-더-루프 시뮬레이션(HILS) 실험플랫폼 및 컴퓨팅 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였다. 해당 플랫폼은 풍력기 시뮬레이션 시스템을 이용해 서보모터를 제어하기에 다양한 작동상태의 풍력기 출력을 시뮬레이션할 수 있다. 또한 서보모터를 구동력으로 하여 열펌프 입력전력(input power) 변화를 조절하며, 고온 항온수조 및 저온 항온수조를 이용해 고·저온 열원을 시뮬레이션하는 등 다양한 작동상태에서의 풍력열발생장치 열발생 성능계수 COP(열발생량/역학에너지) 변화법칙 측정이 가능하다. 한편 풍력열발생장치 시뮬레이션 계산모형을 구축해 열펌프장치 COP 실제 측정값과 시뮬레이션값의 비교 결과를 획득하였다. 해당 실험플랫폼으로 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증할 수 있다.

또한 미국 국립재생에너지연구소(NREL)가 개발한 Aerodyn/FAST 풍력기 시뮬레이션 플랫폼에 기반하고 BEM 이론 및 개방형 압축기 모델을 결합해 1.5MW 풍력열발생장치 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 아울러 해당 모형에 기반해 다양한 풍속시의 성능곡선 및 전형적 작동상태에서의 운행법칙을 획득하였다. 풍력열발생장치의 풍력에너지 이용계수 Cp(역학에너지/풍력에너지) 및 1차에너지 이용률 Cp×COP(열발생량/풍력에너지) 그래프에서 풍력열발생장치 Cp는 먼저 감소하였다가 후에 증가하였다. 즉, 풍속 7.74 m/s시 Cp는 피크값 0.4627에 도달한 후 점차적으로 감소하였다. 풍력열발생장치 1차에너지 이용률 Cp×COP와 Cp는 유사한 변화법칙을 보였지만 그 피크값은 고풍속에서 나타났다. 즉, 풍속 8.54 m/s시 피크값은 1.9363에 도달했다. 1.5MW 풍력열발생장치를 장자커우(張家口) 줘루(涿鹿) 지역 황디청(黃帝城)진에 응용해 얻은 동계 전형적 작동상태에서의 역학에너지 및 열발생량 변화를 보면, 시간에 따른 열발생량 변화 값은 최대 5.34MW에 도달했고 평균 열발생량은 약 3.0MW로 50,000m² 건축물의 난방수요를 만족시킬 수 있다.

풍력열 이용의 산업화 촉진을 위해 연구팀은 2019년 12월에 100kW급 풍력열발생장치 프로토타입을 개발했고 2020년에 허베이성 줘루현 황디청진에서 해당 프로젝트 시범응용을 완수할 계획이다. 앞서 시행한 5,000m² 호텔건물에서의 냉열원 공급시범에서 풍력열발생장치는 토양원을 저온 열원으로 하여 50~60℃ 열수를 발생했고 열발생 COP는 3.5 이상에 도달했다. 이로써 해당 시범프로젝트는 후속 풍력열발생장치 산업화 보급을 위해 기반을 마련하였다.

36 Views