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풍력발전
풍력발전(Wind power, 風力發電)은 풍차의 원리를 이용하여 바람의 에너지로 풍력터빈을 가동하여 발전하는 방식으로 경쟁력이 있는 재생에너지 발전 방식이다. 풍력발전은 환경오염을 발생시키지 않으며 친환경에너지에 해당한다.[1][2][3]
개요[편집]
풍력발전은 바람의 운동에너지를 활용해 전기를 생산하는 방식으로 육상풍력발전과 해상풍력발전으로 구분할 수 있다. 태양광발전에 비해 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 풍력은 과거 풍차의 시대부터 현재까지 중요한 에너지원으로 활용되고 있다. 풍력 발전은 청정에너지원으로 환경오염을 유발하는 화석연료를 대신하여 자원 고갈에 대비할 수 있다. 풍력발전기 위에 달린 거대한 날개를 블레이드라고 부르며 이 블레이드가 바람을 받아 바람개비처럼 회전하면 회전 운동에너지가 만들어진다. 이 회전 운동 에너지는 증속기로 전해져서 회전 운동의 속도가 높아지고 고속으로 바뀐 이 회전력은 발전기에서 전기 에너지가 된다. 만들어진 전기 에너지는 소비자에게 적절한 전압과 전류로 보내지기 위해 변전소를 거친 후 전송된다다. 한국풍력산업협회에 따르면 풍력발전기는 1대당 평균적으로 2MW(메가와트)의 전기를 만들어낸다고 한다. 일반적으로 육상 풍력발전기는 높이가 100m, 타워 하단부의 둘레는 13m에 달하며 무게는 200톤 좌우이다. 풍력발전기의 날개는 보통 3개이며 3개를 넘어가면 바람을 받는 면적과 발전량은 늘어나겠지만 날개의 무게 때문에 발전효율이 오히려 떨어진다. 풍력발전기의 날개는 유리섬유나 탄소섬유를 겹겹이 붙여서 만들며 반전기에서 가장 비싼 부품으로 전체 비용의 20%를 차지하며 날개 하나의 무게는 약 10톤이다.
풍력발전은 자연상태의 무공해 에너지원으로 현재 기술로 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원으로써 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 기술이다. 풍력발전은 보통 높은 산꼭대기에 설치하는데 이는 산 고도가 높아질수록 바람이 빠르고 강하기 때문이다. 최근 풍력발전 시장에서의 유행은 해상풍력의 대형화 설치이다. 설치 장소의 한계를 극복할 수 있는 데다가 소음발생 및 운반 제약 등의 문제에서 해상풍력이 자유롭기 때문이다. 풍력발전을 이용한다면 산간이나 해안 오지 및 방조제 등 부지를 활용함으로써 국토이용효율을 높일 수 있다. 풍력발전기는 20~25년의 수명을 갖도록 설계되는데 특성상 수명 기간 동안 반복적으로 다양한 방향으로 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도에 노출되기 때문에 공강도 풍력용강으로 만든다. 국내는 1998년 제주 행원에 국내 1호 풍력발전기가 설치되었다. 풍력발전은 지구의 대류 현상에 의해 생기는 바람의 힘을 이용해 풍력터빈을 돌려 발전하는 시스템으로 태양광과 더불어 온실가스를 발생하지 않는 청정에너지자원으로 각광받고 있다. 독일, 프랑스를 비롯한 유럽 선진국들을 중심으로 최근 급격히 설치용량을 늘리고 있으며 발전 비중이 점점 확대되고 있는 추세이다.[4][5][6][7][8]
효율[편집]
베츠의 법칙(Betz's law)에 의하면 풍력 발전의 효율은 16/27, 약 59.26%가 이론적인 한계다. 풍력 발전은 공기 분자의 운동에너지를 이용해 터빈을 돌리는 거다. 발전기 뒤의 탈출 풍속이 입사 풍속보다 느린데 이 잃은 운동에너지가 터빈을 돌리는 것이다. 하지만 뒤쪽 풍속이 0이면 바람이 아예 멈춘다는 말이니 효율이 0%고 뒤쪽 풍속이 앞쪽 풍속과 같으면 공기의 운동에너지를 전혀 추출하지 못한 것이니 이것도 효율이 0%다. 그러므로 이 중간 어딘가에 효율이 최대치가 되는 탈출 풍속이 있다. 베츠의 법칙에 의하면 탈출 풍속이 입사 풍속의 1/3이 될 때 효율이 59.26%로 최고다. 현실의 풍력 발전기의 효율은 45~50% 정도로 베츠 한계에 꽤 가까운 편이다.
구조[편집]
- 로터 블레이드
로터 블레이드는 바람에너지를 회전력으로 변환시키는 장치로 풍력발전기 성능에 중요한 영향을 미친다. 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환하고 동력전달장치(geer box)는 입력된 회전력을 증폭시키는 역할을 한다.
- 로터 허브
로터 허브는 풍력발전기에서 로터블레이드와 회전축을 고정하는 장치이다.
- 발전기
기계적 회전력을 전기에너지로 변환시키며 전력변환 장치(inverter)가 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시켜 전력을 공급하게 된다.
- 너셀
너셀은 풍력터빈의 하우징(housing)과 베드 플레이트(bed plate), 메인 프레임(mainframe), 방향제어 시스템 등을 포함한다. 메인 프레임은 동력전달장치의 장착 및 정확한 고정을 위한 장치이며, 너셀 커버는 외부환경으로부터 주요 기계요소들을 보호하는 역할을 한다. 방향제어시스템은 로터 축을 항상 바람이 불어오는 방향에 일치하도록 제어하는 장치이다. 방향제어시스템을 구성하는 주된 장치는 메인 프레임과 타워를 연결하는 대형 베어링이다. 능동제어(active yaw) 시스템은 일반적으로 단일 혹은 이중 요 모터를 장착한 전방향 풍력발전 시스템에 적용되며, 요 베어링에 장착된 불 기어(bull gear)에 대해 피니언 기어(pinion gear)가 맞물려 구동한다. 이러한 방향제어 시스템은 풍력터빈의 너셀 후방에 장착된 풍향 센서 신호에 의해 자동으로 제어되며, 너셀의 방향을 제자리에 고정하기 위한 목적으로 사용되기도 한다.
- 요잉 및 피칭 기어
모든 수평축 발전기에 사용되는 시스템으로 풍향의 변화로 발생하는 요 에러에 대응하거나 긴급상황 시 요 에러를 통해 로터 블레이드의 회전속도를 줄이기 위해 필요한 장치이다. 이 시스템은 전기적 제어장치에 의해 구동되며, 모터, 기어박스, 브레이크, 베어링 등으로 구성된다. 요 에러(Yaw error)라 함은 로터의 회전면과 풍향이 수직되지 않았을 때 에너지 활용도가 떨어지는 현상을 의미하며 이때, 블레이드가 플랩 방향의 앞뒤로 휘어지는 현상 및 로터의 진동과 피로하중이 증가하는 현상이 발생하게 된다. 가변피치각 구동장치(블레이드 피치각 조절 장치)는 블레이드의 피치각 조절을 위해 사용되는 장치로서 이를 통해 블레이드의 성능을 조절할 수 있다.
- 타워 및 기초
풍력발전기를 지지하는 구조물로서 수평축 풍력발전기(HAWT)의 경우 너셀과 로터부를 지상에서부터 일정한 높이에 위치시켜 지지해 주는 역할을 하는 구조물이며, 수직축 풍력발전기(VAWT)의 경우에는 회전축의 역할까지 담당하는 구조물이다. 대형 구조물의 경우 내부에 엘리베이터 시스템 등 여러 가지 유지 보수를 위한 장치들이 장착되기도 한다. 기초는 타워를 육상이나 해상에 고정시키기 위한 구조물로 설치 위치에 맞게 다양한 형태로 제작된다.[9]
분류[편집]
- 수평축 풍력발전기(Horizontal Axis Wind Turbine)
회전축이 바람이 불어오는 방향인 지면과 평행하게 설치되는 풍력발전기이다. 구조가 간단하고 설치가 용이하며 블레이드 전면을 바람 방향에 맞추기 위해 나셀을 360° 회전시키는 요잉(Yawing) 장치가 필요하다. 날개가 1개에서 4개까지 다양한 종류가 있지만 현재 발전용으로 날개가 3개인 프로펠러형을 가장 많다.
- 수직축 풍력발전기(Vertical Axis Wind Turbine)
회전축이 바람이 불어오는 방향인 지면과 수직으로 설치되는 풍력발전기이다. 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요잉 장치가 필요 없다. 다리우스형(Darrieus type), 자이로밀형(Gyromil type), 사보니우스형(Savonius type) 등이 있다.[10]
날개 종류[편집]
- 다리우스형(Darrieus Type)
1920년 프랑스에서 개발된 다리우스 풍력터빈은 바람에 의해 안과 밖으로 회전하는 수직 회전 블레이드 구조이다. 수평축 터빈보다 높은 효율로 작동할 수 있으며 구조가 단순하고 바람의 방향에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.
- 사보니우스형(Savonius Type)
1922년 핀란드에서 개발된 사보니우스 터빈은 구조적으로 가장 단순한 풍력터빈 중의 하나이다. 반원통의 날개를 마주 보게 하여 구동하는 구조로서 위에서 보면 단면이 "S"자 모양을 가지고 있다. 비교적 천천히 회전하지만 큰 회전력을 갖고 있어 에너지 추출 효율보다 풍속계처럼 설치비용 및 내구성이 중요시되는 곳에 적용된다.
- 자이로밀형(Giromil Type)
자이로밀형 터빈은 수직으로 붙여진 대칭형 블레이드가 바람 방향에 따라 자동적으로 최적의 반각 영각을 얻는 구조의 풍력발전이다. 쉬운 설계 및 설치가 가능하지만 다리우스 풍력터빈에 비해 효율이 낮고 더 높은 풍속 조건이 요구되는 단점이 있다.
- 헬리컬형(Helical Type)
미국에서 수력터빈용으로 개발된 헬리컬 터빈은 다리우스 터빈의 진보된 형식이다. 두 개의 날개가 나선형으로 올라가는 구조로 모든 위치에서 제어가 가능하고 다리우스 터빈에 비해 소음, 진동의 특성이 개선되었지만 아직 발전용으로 보급되지는 못하고 있다.
- 프로펠러형(Propeller Type)
프로펠러형 터빈은 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평으로 설치되어 있으며 현재 대부의 풍력발전 시스템으로 인정되고 있다. 수평축형 풍차의 용도에 따라 블레이드의 수가 다른데, 보통 2개 또는 3개의 블레이드 풍차를 사용한다.[11]
장점[편집]
풍력발전은 설치 기간이 짧다. 연중 바람이 부는 곳에서는 소규모 발전도 가능하다. 지구는 필연적으로 대류 현상이 일어나기 때문에 거의 항시 공기의 흐름인 바람이 생기므로 다른 연료의 소비 없이 발전이 가능하다. 다른 발전 방식과 달리 쓰레기나 폐기물 발생이 적은 편이고 설치 이후엔 온실가스를 배출하지 않아 지구 온난화 해결에 도움이 된다. 여러 대체에너지 중 경쟁력이 있는 발전 방식이며 발전에 최소 전력을 필요로 하지 않기 때문에 완공한 뒤 바람(통상 cut-in 풍속인 3~4m/s 이상)만 불어오면 블랙아웃 상황에서도 가동해서 전력을 공급할 수 있다. 관광용으로 활용하여 지역 경제 성장에 도움을 줄 수 있다는 의견이 있으며 다른 발전소들과 다르게 개인에 따라 돌아가는 모습을 보기 좋아하는 사람도 있다. 실제로 대관령 풍력 발전소는 관광지로도 유명하고 비금도는 그런 풍차 바로 밑에 펜션이 있다. 이외에도 제주도 등 인근에 숙박시설이 있는 곳이 있다. 그러나 사진이나 동영상으로 보면 실감하기 어렵지만 실제로는 풍차가 상당히 커서 위압감을 느끼게 하기도 하고 인근 소음 문제도 있어 사람에 따라 좋아하지 않는 경우도 있다. 선진국 기준으로는 원해의 해상 풍력(Offshore)의 경우 발전 단가가 다른 발전 방식보다 낮다. 미국의 경우 원자력 발전과 비교해도 많이 저렴한 편이며 워낙 땅이 넓은 덕분이다. EIA 보고서 그러나 한국의 경우 풍력 발전 단가는 아직 원자력보다는 비싸고 LNG/석유 발전보다 저렴한 수준이다. 유럽의 경우 MWh당 110유로 선이던 해상 풍력 발전 판매 가격이 2019년 기준 75유로 선으로 떨어지고 2025년에는 50-60유로 선으로 하락해 통상적 석탄 발전보다 저렴해지는 그리드 패리티(Grid Parity) 덕분에 머지않아 보조금이 필요 없어질 전망이다.
단점[편집]
풍력발전은 연중 바람이 부는 곳 자체를 찾기 힘들며 전력 수요가 있는 곳까지의 접근성, 주변 민원까지 고려하면 경제성이 있는 지역을 찾기 어렵다. 생각 외로 양질의 풍력 자원도 지하자원처럼 지구상에서 지역별로 불균일하게 분포하는 자원이다. 접근성도 좋으면서 적절한 수준의 바람이 연중 안정적으로 불어오는 곳은 생각만큼 많지 않다. 때문에 안정적인 전력 생산이 힘들다. 연중 바람이 안정적으로 불어오는 곳들에는 이미 풍력 발전기를 세운지 오래라 새로운 풍력 발전기를 세울 만한 곳은 갈수록 줄어들고 있다. 이 때문에 선진국들이 먼바다로 나간다. 블레이드를 돌리기 때문에 햇빛을 주기적으로 가리는 "Shadow Flicker"로 인한 스트레스를 유발한다. 풍력발전기 소음 및 저주파 소음이 인체에 미치는 영향에 대해 국내외 연구가 다수 보고되고 있다. 국내외 기관이나 논문들은 이러한 햇빛가림이나 소음 등의 이유로 주거지와 최소 1.5km 이상 떨어질 것을 권고하고 해외 일부 저널 논문은 저주파음이 수 km 떨어진 곳에서도 측정된다고도 한다. 유럽, 미국, 캐나다 및 중국 등은 이런 피해와 경관을 해치는 점, 발전 가동률 등을 토대로 아예 주거지나 해안선으로부터 수십 km를 떨어져 짓는 추세이며 독일 브레멘주는 무려 100km라고 한다. 소음 피해를 호소하는 사람들이 제법 나오고 인근에 풍력발전기가 있는 숙박시설을 이용한 후 소음으로 불편하다는 의견도 나오고 있다. 때문에 풍력 발전소가 들어서는 곳 주민들은 상당히 반발한다. 2020년 기준 생산되는 풍력 발전기들은 블레이드 회전으로 인한 소음이 상당 부분 감소된 기술 진보를 보이고 있다. 풍력발전은 만드는 비용에 비해 얻는 전력의 양이 적어서 일정 수준 이상의 발전을 위해서는 넓은 지역에 분포된 많은 양의 발전기가 필요한데, 이에 따라 부품 조달과 유지 보수에 투입되는 비용과 시간이 크게 늘어난다. 다른 형태의 환경 문제도 우려되고 있는데 이 블레이드에 치여 죽는 동물의 수가 의외로 많다. 풍력 발전에 유리한 바람 조건은 조류의 입장에서도 이용하기 좋은 환경이기 때문에 생태통로에 그라인더를 설치한 것과 비슷한 효과를 발휘한다. 미국에서만 1년에 50만 마리의 새가 이 블레이드에 맞아 죽는다고 하며 이런 새 중에는 개체 수가 적은 희귀종도 적지 않다. 그 외에 박쥐 같은 것도 맞아 죽는다고 한다. 일부 환경단체는 블레이드에 맞아서 떨어진 새들을 구조하지만 죽는 새들이 훨씬 많은 형편이다.
각주[편집]
- ↑ 〈풍력 발전〉, 《위키백과》
- ↑ 〈풍력 발전〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ "Wind power", Wikipedia
- ↑ 〈풍력 발전〉, 《나무위키》
- ↑ 〈기본원리〉, 《한국풍력산업협회》
- ↑ 최홍식, 〈잠재력 많은 미국 풍력발전 시장, 지속 성장의 바람이 분다〉, 《솔라투데이》, 2019-02-11
- ↑ 〈저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ〉, 《포스코》, 2020-02-11
- ↑ 한국중부발전, 〈풍력발전기 날개가 3개인 이유는?〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-14
- ↑ totoganna67, 〈풍력발전기 구조〉, 《네이버 블로그》, 2012-08-12
- ↑ 에이피이씨, 〈풍력발전기의 종류(회전축 방향)〉, 《네이버 블로그》, 2016-01-19
- ↑ 〈(기획) 풍력발전의 원리〉, Steemit
참고자료[편집]
- 〈풍력 발전〉, 《위키백과》
- 〈풍력 발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Wind power", Wikipedia
- 〈풍력 발전〉, 《나무위키》
- 〈기본원리〉, 《한국풍력산업협회》
- 최홍식, 〈잠재력 많은 미국 풍력발전 시장, 지속 성장의 바람이 분다〉, 《솔라투데이》, 2019-02-11
- 〈저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ〉, 《포스코》, 2020-02-11
- 한국중부발전, 〈풍력발전기 날개가 3개인 이유는?〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-14
- 에이피이씨, 〈풍력발전기의 종류(회전축 방향)〉, 《네이버 블로그》, 2016-01-19
- 〈(기획) 풍력발전의 원리〉, Steemit
- totoganna67, 〈풍력발전기 구조〉, 《네이버 블로그》, 2012-08-12
같이 보기[편집]
