현재 기후 변화에 대응하기 위해서 화석 연료를 사용하지 않고 탄소를 배출하지 않는 새·재생 에너지에 많은 관심과 투자가 이루어지고 있습니다.특히 바람에 전력을 생산하는 풍력 발전이 점차 에너지 생산에서 차지하는 비중을 늘리고 갑니다.풍력 발전은 새·재생 에너지 투자의 45%, 전기 생산량의 70%이상을 차지하는 등 새·재생 가능 에너지로 가장 큰 비중을 차지하는 에너지 발전 방식입니다.이런 풍력 발전의 기술적 원리와 풍력 발전기의 두 유형, ① 수평 축 발전기 ② 수직 축 발전기에 대해서 소개합니다.
바람을 동력으로 에너지를 생산하는 풍력발전!풍력 발전은 바람의 힘으로 풍력 터빈을 돌려 이를 에너지로 변환하는 기술입니다. 바람이 불어 터빈이 회전하면 터빈에 붙어 있는 코일이 회전하고, 이로 인해 전자기 유도 현상에 의해 전류가 유도되어 전력이 생산되는 것입니다. 이런 풍력터빈은 인류가 오래전부터 활용한 에너지 생산 방식인데, 대표적으로 서구 지방에 건설된 풍차가 그것입니다. 풍차에서는 바람이 날개를 돌리면 그 동력으로 곡물을 잘게 부순다. 이처럼 역사가 유구하다고 할 수 있는 풍력발전은 다양한 장점이 있어 화석연료를 대체할 유망한 에너지로 활발히 도입되고 있습니다.
풍력발전, 어떤 장점이 있는가?풍력 발전은 화석 연료를 태우지 않기 때문에 탄소를 배출하지 않고 기후 변화를 일으키지 않습니다. 방사능을 누출하지 않고 어떠한 오염물질도 발생시키지 않기 때문에 친환경적입니다. 뿐만 아니라 풍력발전기는 구조와 설치 방법이 간단하여 운영 및 관리가 용이하고 무인 자율화 운전도 가능하여 인건비가 절약되는 장점이 있습니다. 서구 선진국을 중심으로 광범위하게 보급되고 있으며, 유럽의 경우 설치용량 증가율은 연 40%로 다른 어떤 에너지보다 그 수치가 크다고 합니다.
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날개의 방향에 따른 풍력발전기의 유형풍력발전을 수행하는 발전기는 크게 수직기둥과 회전축, 그리고 회전축의 말단에 달린 날개로 구성되어 있습니다. 날개에 바람에 의한 공기 입자가 부딪치면 회전축이 회전하는 것입니다. 수직 기둥을 세워 회전축과 날개를 바람이 강한 높은 상공에 위치시킵니다. 여기서 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 나뉩니다. 수직축 발전기는 지면에 세워진 기둥 주위에 볼록한 모양의 큰 날개가 붙어 서서히 회전합니다. 수평축 발전기는 회전축이 바람의 방향에 대해 수평인 발전기입니다. 각각 장단점이 다르고 풍력발전소가 세워지는 환경에 따라 다른 유형의 발전기를 채택하고 있습니다.
남다른 모양, 수직축 발전기
우선 수직 축 발전기는 항력을 쓴 사보니우스형 발전기, 그리고 양력을 쓴 다리우스형 발전기 2가지 유형이 있습니다.항력은 공기를 비롯한 유체 속에서 물체가 운동할 때에 물체가 운동 방향과 반대로 받는 저항력이 것입니다.사보니우스 발전기는 1920년대에 핀란드의 공학자 사보니우스이 발명한 터빈으로 단면이 2~3개의 S형 블레이드로 구성됩니다.회전 방향의 속도와 풍속의 비율, 즉 주속비가 1에 가깝기 때문에 자력으로 회전을 시작하기 쉽다는 특징이 있지만 에너지 효율이 15%로 낮은 것이 단점입니다.다리우스형 발전기는 프랑스의 공학자 다리우스에 의해서 고안된 발전기에서 수직 축으로 이를 감싼 평라에서 굴곡 진 복수의 블레이드로 구성되어 있습니다.이 발전기는 효율이 사보니 우스터 병보다는 비싸지만, 자력으로 회전을 시작하기 어렵다는 문제가 있어 사보니우스형 터빈과 함께 설치하는 등 보완 장치가 필요하다는 것이 한계입니다.
수직축 풍력발전기의 모습(출처:한국에너지신문)
수직축 발전기의 장점과 단점
수직축 발전기는 풍향과 관계없이 발전이 가능하기 때문에 바람의 방향에 따라 로터의 회전면을 조절하는 장치인 요잉(yawing) 장치가 필요 없다는 장점이 있습니다. 따라서 구조가 상대적으로 단순하고 낮은 높이에서도 설치가 가능하며 수리, 교체가 간단합니다. 설치 면적이 그다지 필요하지도 않고, 상대적으로 늦은 바람에도 발전이 가능합니다. 바람이 산발적으로 부는 상황에서도 전력 생산이 가능하고, 발생하는 소음이 작으므로 주택 주변에 설치해도 무방합니다. 하지만 에너지 효율이 수평축 발전기에 비해 현저히 떨어져 대규모 생산단지를 구축하기 어렵다는 것이 단점입니다. 따라서 주로 소형 발전기로 사용되며 건물 옥상이나 가로등 등에 설치되어 소규모 전력 생산을 담당하는 데 주로 활용됩니다.
수평축 풍력발전기의 모습(출처:한국풍력산업협회)
크기의 에너지를 생산하는 수평축 발전기
수평 축 발전기는 풍향과 회전축이 나란히 있는 발전기의 일입니다.수평 축 발전기는 날개가 발생하는 양력을 이용하기 때문에 빠른 속도로 회전하고 그래서 에너지 변환 효율이 뛰어납니다.그래서 중형급 이상의 풍력 발전기는 대부분 수직 축 방식을 고르고 있습니다.다만 바람의 방향과 로터의 회전면이 나란히야 발전이 가능하므로 이를 모아주는 요ー잉그(yawing)장치가 필요하다는 것이 단점입니다.추가 설비가 필요하다는 것은 결국 설비 유지, 보수가 그만큼 힘들고 내구성도 떨어진다는 것을 의미합니다.전술한 수직 축 발전기와 달리 어느 정도의 강함을 갖춘 바람이 일정하게 불어 오는 상황에서만 의미 있게 전력을 생산할 수 있다는 것이 특징입니다.그래서 소형 발전기로 활용하는 것은 경제성이 없고 어느 정도의 규모를 갖춘 풍력 단지를 조성할 때에 이용되는 발전기 방식입니다.지금까지 신재생 에너지에서 가장 큰 비중을 차지하는 발전 방식인 풍력 발전에 대해서 봤어요.풍력 발전은 회전축의 방향으로 크게 2가지 유형으로 나뉘고 각각의 장단점이 다른 활용되는 영역도 다릅니다.다음에, 풍력 발전의 다른 분류 기준에 근거한 타입에 대해서 소개합니다.
수평축 발전기는 풍향과 회전축이 나란히 있는 발전기를 말합니다. 수평축 발전기는 날개에 발생하는 양력을 이용하기 때문에 빠른 속도로 회전할 수 있으며, 따라서 에너지 변환 효율이 우수합니다. 따라서 중형급 이상의 풍력 발전기는 대부분 수평축 방식을 선택하고 있습니다. 다만 바람의 방향과 로터의 회전면이 늘어서야 발전이 가능하기 때문에 이를 맞춰주는 요잉(yawing) 장치가 필요하다는 게 단점입니다. 추가 설비가 필요하다는 것은 결국 설비 유지, 보수가 그만큼 힘들고 내구성도 떨어진다는 것을 의미합니다. 전술한 수직축 발전기와는 반대로 어느 정도의 강도를 갖춘 바람이 일정하게 불어오는 상황에서만 유의미하게 전력을 생산할 수 있다는 것이 특징입니다. 그래서 소형 발전기로 활용하는 것은 경제성이 없고 어느 정도 규모를 갖춘 풍력단지를 조성할 때 이용되는 발전기 방식입니다. 지금까지 신재생에너지에서 가장 큰 비중을 차지하는 발전방식인 풍력발전에 대해 살펴보았습니다. 풍력발전은 회전축의 방향에 따라 크게 두 가지 유형으로 나뉘며, 각각의 장단점이 달라 활용되는 영역도 다릅니다. 다음으로 풍력 발전의 다른 분류 기준에 근거하는 유형에 대해 소개합니다.