[1분 에너지] 풍력발전의 원리와 풍력발전기 구조 깔끔정리!

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[풍력발전이란]

 

풍력발전이란 바람의 힘을 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식이다. 바람의 운동에너지를 이용해 바람개비같이 생긴 날개를 돌려 기계적 에너지로 변환시키는 방식이다. 풍력발전은 무한한 바람의 힘을 이용한다는 점에서 재생 가능하며, 전기 생산과정에서 온실가스를 배출하지 않는다는 점에서 태양에너지와 함께 대표적인 친환경 재생에너지로 각광을 받고 있다.

 

 

초속 5m이상의 바람이 계속해서 불어준다면 발전이 가능하며, 제러미 리프킨의 저서 <글로벌 그린 뉴딜>에 따르면 전 세계 가용 풍력의 20%만 활용해도 현재 세계 경제를 움직이는데 들어가는 것보다 7배나 많은 전력을 생산할 수 있다고 하니, 기술과 시장만 형성된다면 앞으로 그 가능성이 무궁무진하다.

 

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[풍력발전기의 구조와 원리]

 

풍력발전기의 구조는 크게 세 부분으로 이해해서 생각하면 쉽다. 바로 블레이드(Blade), 타워(Tower), 그리고 너셀(Nacelle)이다. 풍력발전기는 선풍기처럼 생겼는데, 이 모습으로 비유하자면, 선풍기의 날개에 해당하는 부분이 블레이드, 날개 뒤에 모터 등 각종 부품이 들어있는 부분이 너셀,그리고 선풍기의 목 부분이 타워다.

 

선풍기 날개가 블레이드, 타워가 선풍기 목, 너셀이 모터가 달린 부분 (사진=Pixabay)

 

풍력발전기의 구조
블레이드(Blade)	타워(Tower)	너셀(Nacelle)

 

선풍기도 날개 뒤 모터를 보면 각종 부품이 많은데, 풍력발전기의 너셀에 해당하는 부분도 마찬가지이다. 너셀은 허브(Hub), 주축(Main Shaft), 증속기(Gear Box), 발전기(Generator), 요잉 시스템(Yawing System), 피치시트템피치 시스템(Pitch System), 브레이크(Brake), 그리고 전력변환장치(PCS)등으로 이루어져 있다. 즉, 너셀은 블레이드와 타워를 제외한 나머지 부분들이다. 

 

복잡하게 생겼지만, 블레이드, 타워, 그리고 각종 장치가 있는 너셀로 이루어져 있다. (출처= 산업통상자원부, 해상풍력 중장기 R&D로드맵, 2014년)

 

아래에서부터 올라오면서 각 부분의 기능을 살펴보자면,

 

타워(Tower)		너셀과 블레이드를 지지(= 거대하고 기다란 막대)
너셀(Nacelle)	주축(Main Shaft)	바람이 불면서 만들어진 블레이드의 회전운동에너지를 증속기로 전달
	증속기(Gearbox)	‘속도를 증가’해주는 부분으로서, 주축의 저속회전을 고속회전으로 변환
	발전기(Generator)	증속기에서 고속회전으로 변환된 기계에너지를 전기에너지로 전환
	요잉 시스템(Yawing System)	바람의 방향에 맞추어서 블레이드의 방향을 좌우로 회전
	피치 시스템(Pitch System)	풍속에 따라 블레이드의 각도를 조절
블레이드(Blade)		바람이 불면 회전하며, 바람에너지를 회전운동에너지로 변환

 

정리하자면, 풍력발전기는 바람에너지 → 회전운동에너지(기계에너지) → 전기에너지로 전환하여 전기를 생산하는 장치이고. 블레이드가 바람에너지를 회전운동에너지로 바꾸는 역할을 하고, 주축과 증속기를 통해 회전운동에너지가 증폭되고, 발전기를 통해 회전운동에너지가 전기에너지로 전환되는 과정을 거친다.

 

그리고 풍력발전기의 풍력발전량은 아래 식에 따라 결정된다.

(출처= 산업통상자원부, 한국에너지 공단 신재생에너지 백서 2020)

 

이는 운동에너지에 대한 물리법칙에 따른 것인데, 풍력발전량은 회전하는 부분(로터, Rotor라고 한다)의 회전 면적에 비례하고, 풍속의 세제곱에 비례한다. 즉, 풍력발전기의 날개 부분이 2배 커지면 풍력발전량도 2배가 커지고, 바람의 속도가 2배로 빨라지면 풍력발전량은 8배가 된다. 따라서 풍력발전기를 설치해서 효율적으로 운영하기 위해서는 로터가 클수록, 그리고 바람의 속도가 빠른 곳일수록 유리하다.

 

바람이 빠를수록 좋다, 그 풍속에 세제곱된 에너지가 생산된다 (사진=Pixabay)

 

하지만, 풍력발전기 날개 크기를 키우고, 바람 속도가 빨라진다고 해서 무한정으로 풍력발전량을 늘릴 수 있는 것은 아니다. 풍력발전기의 발전효율과 관련해서 알아 두어야 할 법칙이 있는데 바로, ‘베츠의 법칙(Betz’s Law)’이다. 1919년 독일의 물리학자 베츠 (Albert Betz)가 고안한 법칙인데, ‘바람을 에너지로 변환할 때 효율의 한계치는 약 59.36%로, 그 이상의 효율은 달성하기 어렵다’이다.베츠의 법칙에 따르면 아무리 기술이 발전해도 100의 바람을 이용해서 만들 수 있는 풍력에너지는 59 정도이다.엄청 적은 것 같지만, 석유 에너지의 변환 효율이 약 40%대인걸 감안하면 엄청 낮은 수치는 아니다.

 

다만, 현실적으로 블레이드, 터빈간 배열 등 기술적 요인에 따라 실제 풍력 발전 설비는 이보다 더 낮고, 발전기마다 다르게 나타난다. 현재 상용화된 풍력 발전기의 발전효율은 최소 15%에서 최대 50% 정도 된다. 따라서, 베츠의 법칙 한계 안에서 풍력발전의 발전효율을 극대화하기 위해선, 블레이드 크기와 모양 등을 통한 개선과 함께, 발전기의 개량, 송전망의 개량을 통해 손실되는 전력의 양을 최소화 하고, 바람이 질이 좋은 입지를 확보하는 것이 중요하다.

 

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※ 참고자료 ※

- 산업통상자원부, 한국 에너지공단, <신재생에너지 백서 2020>, 2020.12