3. 풍력 발전기
풍력 터빈은 운동 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 장치로 과거 대규모 풍력 발전이 도입되기 전에도 인류는 수천년 전부터 원시적인 풍력 터빈인 풍차를 이용해 배수 펌프를 돌리거나 혹은 곡식을 가공하는데 사용했다.
풍차를 이용해서 전기를 생산하는 시도는 이미 1888년에 행해졌다. 미국의 클리브랜드에서 찰스 브러쉬 (Charles F. Brush) 는 60피트 (약 18미터) 정도 되는 크기의 풍차를 이용해서 약 12 KW 급 전기 생산이 가능한 설비를 가동했던 것이다.
(1888년 클리브랜드에 건설된 최초의 전기 생산용 풍차 This media file is in the public domain in theUnited States )
1908년에는 72개의 풍력 터빈들이 건설되어 전기 생산에 이용되었는데 용량은 5 - 25 KW 급이었으며 가장 큰 터빈의 지름은 23미터 였다. 사실 1차 대전에서 대공황을 전후로한 기간에 미국에서는 주로 펌프의 용도로 쓸 목적으로 대규모의 풍차가 생산되어 미국의 농가에 도입되는데, 당시에는 내연 기관을 이용한 펌프나 전기 펌프가 널리 도입되기 전이기 때문이다.
풍차를 이용한 전기 생산 역시 마찬가지였는데, 20세기 초기에는 전력망이 지방의 농가까지 도달하지 못했기 때문에 전력 생산용 풍차를 지닌 농가들이 제법 있었다고 한다. 한편 소련에서도 1931년 현재의 수평축 풍차 형태의 풍력 발전기를 설치해 100 KW (30미터급) 의 전기를 생산했다고 한다.
그러나 20세기 중반 이후 화력과 수력을 통한 발전이 대세가 되면서 풍력 발전은 사실 그 비중이 크게 감소하게 되었다. 대규모 규모의 경제를 통해 화력 기반 발전의 단가가 저렴해지고 양적으로도 많아지면서 풍력 발전은 거의 잊혀진 기술처럼 생각되었다.
그러다 1970년대 이후 오일 쇼크 및 환경 문제가 대두되면서 상황이 바뀌게 되었다. 이후 자원이 점차 고갈될 뿐 아니라 지구 환경에 큰 악영향을 미치는 화석 연료 이외의 대체 에너지에 관심이 집중되면서 풍력은 다시 주목받는 자원이 되었다. 1979년에 덴마크에서 다시 현대적 풍력 발전기가 건설되기 시작했으며 1990년 이후 현대의 첨단 기술을 사용한 새로운 풍력 터빈이 개발되어 풍력 발전은 전세계적으로 폭발적 성장을 보이게 되었다.
풍력 발전기의 구성 요소를 크게 나누면 바람의 힘을 운동 에너지로 바꾸는 날개 (블레이드)와 변속 기어, 그리고 발전기로 나눌 수 있을 것이다.
(대표적인 수평축 풍차의 구조도 3개의 날개가 모여 로터를 구성하며 이 로터의 중심축은 기어 박스에 연결되어 바람에 힘에 의해 회전한다. 바람의 세기가 계속 변하는데다 날개의 회전 속도가 발전에는 너무 느리므로 안정적인 발전을 위해 기어 박스의 존재는 필수적이다. 그리고 물론 전기를 생산하기 위해 발전기가 존재한다. This work is in the public domain in the United States )
풍력 발전기는 날개의 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치된 수직축 풍차와 수평으로 설치된 수평축 풍차로 크게 나눌 수 있다. 수직축 풍력 터빈 (Vertical Axis Wind Turbine VAWT) 은 바람에 영향을 받지 않는다는 장점이 있으나 그 소재가 비싸고 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 반면 수평축 풍력 터빈 (Horizontal Axis Wind Turbine HAWT) 은 설치가 까다로운 단점이 있지만 발전 효율이 높다는 장점이 있다. 현재 상업적으로 발전에 주로 사용되고 있는 것은 수평축 풍력 터빈 발전기이다.
수평축 풍력 터빈 발전기
: 이 수평축 풍력 터빈 발전기는 일반적인 풍차를 생각하면 이해하기 쉬울 것이다. 오늘날 현대적인 풍력 발전기의 대부분이 이런 형태이다. 거대한 타워 위에 발전기와 기어 박스가 들어있는 박스가 있고 여기에 거대한 풍차가 바람의 힘을 받아 회전하는 형태이다.
(3개의 날개를 가진 수평축 풍력 발전기 CCL 2.0 에 따라 복사 및 배포 허용, 저자 표시 저자
전형적인 현대의 대형 풍력 발전기는 위의 사진 처럼 3개의 블레이드를 가진 풍력 발전기로 거대한 타워 위에 설치되어 있다. 이렇게 큰 타워 위에 설치하는 이유는 지표에 시설이나 사람들에게 영향을 주지 않기 위해서도 있지만 높은 곳에서는 바람이 더 세고 일정하게 불기 때문이다. 심지어 지표에서 10미터만 올라가도 바람의 세기가 20% 증가하며 발전량이 34% 증가하는 지역도 있다. 그러나 너무 높은 타워는 비용이 크게 증가하고 설치가 그만큼 힘들어지기 때문에 어느 정도는 한계가 있다.
대개 현재 사용되는 풍력 발전기 타워의 높이는 60 - 90 미터 정도이고 블레이드 (날개) 하나의 길이는 20 - 40 미터 정도이다. 그러나 최근에는 점차 풍력 발전기가 커지는 추세다. 블레이드의 길이가 2배가 되면 바람을 받는 면적은 4배가 된다. 이는 원안의 면적이 지름의 제곱에 비례한다는 것을 생각하면 아주 쉽게 이해할 수 있다. 지름이 2배가 되면 면적은 4배가 된다. 따라서 기술적으로나 경제적으로 설치 가능한 가장 거대한 블레이드를 만들어야 비용 효율적인 발전이 가능해진다. 또 높은 곳을 수록 바람이 세지기 때문에 타워가 높을 수록 더 유리해 지지만 대신 높을 수록 비용이 커지고 설치도 힘들어진다.
(풍력 발전용 블레이드를 수송하는 모습 - 블레이드를 가능한 크게 만들기 때문에 이를 수송하는 것도 보통일이 아니다. 풍력 터빈 전체 설치 비용 중 20% 가 수송에서 발생한다. 물론 블레이드가 클수록 설치하기도 힘들다. CCL 2.0 에 따라 복사 및 배포 허용, 저자 표시 저자 Paul Anderson)
(풍력 발전용 타워 안에 발전기/기어 박스, 브레이크 등을 담은 장치를 한꺼번에 설치하고 있다. 옆의 사람과 비교해보면 그 크기를 짐작해 볼 수 있다 CCL 2.0 에 따라 복사 및 배포 허용, 저자 표시 저자 Paul Anderson)
이런 수평축 풍력 터빈은 바람의 방향에 민감하기 때문에 대개 발전기에는 컴퓨터로 컨트롤 되는 모터가 바람에 방향에 따라 로터를 돌려준다. 또 비상 상태에 터빈을 멈출 브레이크 및 센서들이 탑재되게 된다.
수직축 풍력 터빈 발전기
: 수직축 풍력 터빈 발전기는 현재 상업적으로 아주 크게 활용되지는 못하고 있다. 수직축 풍력 터빈 발전기는 흔히 사용되는 수평축 풍력 터빈 발전기와는 달리 설치가 비교적 간편하고 발전기 및 기어 박스를 아랫쪽에 설치할 수 있어 관리가 용이하긴 하지만 얻어질 수 있는 전력의 비용대 효과 면에서 아직 흔히 사용되는 수평축 풍력 터빈 발전기를 넘어서지는 못하는 것 같다. 여기서는 몇가지 종류의 수직축 풍력 발전기를 소개해 본다.
Darrieus windmill
(높이 30미터 급 Darrieus 풍차로 Magdalen 섬에 설치된 것이다. This image has been (or is hereby) released into the public domain by its author, aarchiba at the English Wikipedia project. This applies worldwide.)
Darrieus 풍차의 원리는 아래 그림에서 알 수 있다.
(CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 GRAHAMUK )
Darrieus 풍차는 이론적으로는 풍속이 일정하다면 수평축 풍차와 비슷한 효율을 낼 수 있다. 그러나 현실적으로는 풍속이 일정하지 않기 때문에 효율이 떨어지는 편이다.
Giromil (H type Darrieus windmill)
(CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Stahlkocher)
이 방식은 Darrieus 풍차의 서브 타입이다. 이 Giromill 의 또 다른 변형으로 Cycloturbine 이라는 것도 있다. 그러나 역시 아주 널리 사용되지는 못하고 있다.
Savonious wind turbine
: 사보니우스 풍력 터빈은 제일 간단한 형태의 수직축 풍력 발전기라고 할 수 있다. 단순히 S 형으로 생긴 두개의 날개를 회전축에 달고 바람에 힘에 의해 돌아가면 완성된다. 효율은 낮지만 가격이 저렴한 장점이 있다. 역시 전력 생산 효율이 좋은 편이 아니기 때문에 대개 전기 생산용으로 널리 쓰이지는 않는다.
(사보니우스 풍차의 모식도 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Jaganath)
(사보니우스 풍차의 작동 원리 날개는 2개일 수도 있지만 3개 이상이 될 수도 있다 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Ugo14)
(사보니우스 풍차의 실제 사례 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Toshihiro Oimatsu )
출처 : 위키
(다음에 계속됩니다)
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