전 세계가 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 기후 변화에 대처하기 위해 노력하면서 재생 에너지원의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 다양한 재생 에너지 기술 중 자석과 자기장은 자연에서 나오는 운동 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 풍력 터빈과 수력발전기를 중심으로 재생 에너지 시스템에서 자석과 자기장의 역할과 조력 및 파력 에너지 시스템에서 새롭게 떠오르는 응용 분야에 대해 살펴봅니다.
풍력 터빈
풍력 터빈은 자석과 자기장을 활용하는 재생 에너지 시스템의 가장 일반적이고 잘 알려진 예 중 하나입니다. 풍력 터빈의 기본 원리는 바람의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환한 다음 발전기에 의해 전기 에너지로 변환하는 것입니다.
풍력 터빈의 로터는 샤프트에 연결된 중앙 허브에 부착된 블레이드로 구성됩니다. 바람이 불면 블레이드에 힘이 가해져 블레이드가 회전하게 됩니다. 회전축은 일반적으로 터빈 타워의 바닥에 위치한 발전기에 연결됩니다.
풍력 터빈 내의 발전기는 회전축의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 합니다. 풍력 터빈에 사용되는 발전기에는 비동기식 발전기(또는 유도 발전기)와 동기식 발전기라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 두 유형의 발전기 모두 자석과 자기장에 의존하여 작동합니다.
유도 발전기라고도 하는 비동기식 발전기는 전자기 유도 원리를 사용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이 발전기는 고정자(고정된 부분)와 회전자(회전하는 부분)로 구성됩니다. 고정자에는 와이어 코일이 감겨 있고 회전자에는 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성 재료로 만들어집니다.
로터가 고정자의 자기장 내에서 회전하면 고정자 코일에 교류(AC)를 유도합니다. 이 교류 전류는 인버터에 의해 사용 가능한 형태로 변환되어 그리드에 공급됩니다. 비동기식 발전기의 자기장은 영구 자석 또는 생성된 전류에 의해 여기되는 전자석에 의해 생성됩니다.
반면 동기식 발전기는 다른 원리를 사용하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이러한 발전기는 비동기식 발전기와 유사하게 고정자와 회전자로 구성되어 있습니다. 그러나 동기식 발전기의 회전자에는 와이어 코일이 감겨 있으며 직류 전류에 의해 전원이 공급됩니다.
로터가 고정자의 자기장 내에서 회전하면서 고정자 코일에 교류 전류를 생성합니다. 동기식 발전기와 비동기식 발전기의 주요 차이점은 출력 전압과 주파수를 조절하는 방식에 있습니다. 동기식 발전기는 제어 시스템에 의존하여 로터 코일에 일정한 DC 전류를 유지하므로 출력 전압과 주파수를 일정하게 유지할 수 있습니다.
비동기식 및 동기식 발전기의 자기장은 기계 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하는 데 필수적입니다. 이러한 자기장의 강도와 방향에 따라 출력 전압, 출력 전류, 효율 등의 요소가 발전기의 성능을 결정합니다.
수력 발전기
풍력 터빈과 같은 수력 발전기는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이 경우 운동 에너지는 일반적으로 댐이 있는 강이나 저수지에서 나오는 물의 흐름에서 파생됩니다. 수력 발전기는 특정 설계 및 작동 방식에 따라 비동기식 또는 동기식 발전기로 분류할 수도 있습니다.
일반적인 수력 발전 시스템에서 물은 강이나 저수지와 같은 수원지에서 펜스톡이라고 하는 수로 또는 파이프 네트워크를 통해 전환됩니다. 펜스톡을 통해 흐르는 물은 다음과 같은 이유로 운동 에너지를 가지고 있습니다.