신재생에너지 소개 - 풍력

2. 풍력

조금 과장하면 바람 에너지도 태양 에너지와 같다고 할 수 있습니다. 결국 기온차이로 인한 밀도차이로 생기는 공기의 이동이 바람이니까요. 그러나 바람 에너지는 태양에너지처럼 빛이나 열의 형태를 이용하는 에너지라기 보다는 바람의 저항을 이용해 물리적인 기계장치를 움직이게 하여 활용하는 형태가 일반적입니다.

2.1 기계적인 동력

기계장치에서 회전 동력을 얻는 것은 매우 중요합니다. 풍력을 발전으로 사용하기 이전부터 바람을 동력으로 사용한 역사는 깁니다. 풍차(Windmill)가 대표적인 예입니다. 곡식을 제분하기 위해서 예전부터 풍차를 사용해 왔었고, 또 네덜란드의 경우에는 낮은 지역의 물을 퍼 올리기 위해 풍차의 동력을 이용했습니다.

2.2 풍력 발전

바람으로부터 회전하는 동력을 얻을 수 있다면 발전은 쉬운 일입니다. 발전기 대부분은 회전하는 동력으로 전기를 생성해내기 때문입니다. 화석연료나 태양열 발전은 증기를 생산하여 터빈을 돌리고, 터빈의 회전운동을 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 구조이지만 풍력 발전은 바람의 운동에너지로 풍력 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다.

바람 에너지는 지구 상에 얼마나 있을까요? 태양 에너지의 불균형적인 조사로 지역에 따른 온도차이를 만들고 그에 따라 생기는 바람의 에너지양을 계산한 A. Kleidon에 따르면 18 TW에서 68 TW 정도의 풍력 자원을 얻을 수 있다고 보고했습니다. 반면, C. Archer 와 M. Z. Jacobson은 실제로 측정된 풍속을 바탕으로 계산했을 때 고도 100 m 위치에서 1,700 TW 정도의 풍력 자원을 얻을 수 있다고 보고 했습니다. (Anil Ananthaswamy and Michael Le Page (30 January 2012). "Power paradox: Clean might not be green forever". New Scientist) 지구에 부는 풍력 자원이 얼마나 되는지는 계산 방법에 따라 다르게 산출되지만, 결과적으로는 인류가 사용하고 있는 모든 에너지를 감당할 수 있다는 것에는 변함이 없습니다.

(크게 중요하진 않지만) 풍력 발전에서 알면 좋은 것 중 하나는 벳츠의 법칙(Betz’ Law)입니다. 간단히 설명하면 풍력 발전으로 얻을 수 있는 최대 효율은 59.3 %라는 것입니다. 풍력 발전기를 통과하기 전 풍속과 지나간 뒤의 풍속의 비가 1/3일 경우가 가장 효율이 높은데, 그때의 효율이 59.3 %라는 것입니다. 이미 상용화된 풍력 발전기는 벳츠의 법칙의 상한선의 80, 90% 정도의 효율을 보인다고 합니다. 간단한 물리 지식이 있으시다면 아래 그림을 통해 이유를 아실 수 있습니다. 또 다른 한가지는 바람 에너지는 풍속의 3승과 비례한다는 점입니다. 바람의 운동에너지를 생각하면 쉽게 알 수 있습니다. 왜 그런가 궁금하시다면 벳츠의 법칙 (http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law)에 대해서 찾아보면 알 수 있습니다.

(http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law)

풍력 터빈

터빈은 유체의 흐름으로부터 동력을 얻는 기관, 장치입니다. 증기 터빈은 증기의 운동에너지를 이용해 회전을 얻어내며 풍력 터빈은 바람의 힘으로부터 회전을 얻어내는 장치입니다.

바람이 불면 돌아가는 형태는 아주 많습니다만, 풍력 터빈에 사용되는 형태는 크게 수평축 풍력 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT)와 수직축 풍력 터빈(Vertical Axis Wind Turbine, VAWT)로 나눌 수 있습니다. 또 수직축 풍력 터빈에는 다리우스(Darrieus) 형, 자이로밀(Giromill) 형, 사보니우스(Savonius) 형 등이 있습니다.

수평축과 수직축에는 어떤 장단점이 있을까요? 수평축 풍력 터빈은 에너지 변환 효율이 높은 것이 장점입니다. 그러나 바람의 방향을 맞추기 위한 요잉(Yawing)장치가 필요하고 증속기(Gear Box)와 발전기 등을 포함한 무거운 나셀(Nacelle)이 타워 위에 설치되어야 하므로 유지 보수가 어려운 점이 있습니다. 수직축은 바람의 방향에 무관하고 나셀을 지면에 설치하여 유지 보수가 쉬운 장점이 있지만, 효율이 수평축보다 낮다는 단점이 있습니다. 일반적으로 수평축은 소규모에서 대규모 발전까지 모두 사용되며 수직축은 소규모 발전에만 사용됩니다.

   

왼쪽부터 다리우스, 자이로밀, 사보니우스, Photo credit to Stahlkocher, Toshihiro Oimatsu

풍력 발전기를 설치하는 위치에 따라서도 육상(Onshore) 혹은 해상(Offshore) 풍력 터빈으로 나뉩니다. 육상과 해상의 차이는 땅에 설치하느냐, 물위에 설치하느냐의 차이이며 강이나 호수에 설치되는 경우도 해상이라고 표현합니다. 풍력 터빈을 해상에 설치하는 이유는 육상 설치의 단점을 보완하기 위함입니다. 육상에 풍력 터빈을 설치하면 소음 문제와 효율 저하 그리고 대형 단지화가 불가능하거나 어렵다는 단점이 있지만, 해상에 설치하면 단점 대부분이 해결됩니다. 물론 해상에 풍력 터빈을 설치할 때의 비용은 육상보다 증가한다는 단점은 있습니다. 또한, 설치와 유지 및 보수가 어렵고, 생산한 전력을 육상으로 전송하는 것도 육상 풍력 터빈보다 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 단순히 어떤 것이 좋다기보다 주변 환경, 인구, 부지, 풍력 자원 등 여러 요소에 따라 장단점이 결정됩니다.

(http://www.ecofriend.com/europes-largest-onshore-wind-farm-to-get-a-massive-expansion.html)

(http://www.evwind.es/2012/10/12/offshore-wind-energy-in-poland-up-to-10000-mw-of-offshore-wind-power-possible-before-2030/24649/)

위에서 소개한 풍력 터빈의 분류는 회전축, 설치 장소에 따른 분류입니다. 그 외에도 소개하진 않았지만, 풍력 터빈을 분류하는 방식은 증속기(Gear Box) 유무에 따른 분류, 공기역학적 방식에 따른 분류, 운전 속도에 따른 분류, 출력제어방식에 따른 분류, 계통연계 여부에 따른 분류 등으로 나눌 수 있습니다.

위의 일반적인 풍력 발전 형식도 있지만 간단한 아이디어로 제3세계에 전력을 공급하기 위해 값싼 소형 풍력 발전기를 만든 사례도 있습니다. 바람 에너지를 이용한 여러 아이디어가 있지만 그중에서도 아이디어가 독특하고 그 구조가 단순한 Wind Belt가 있습니다. Wind Belt는 아이티(Haiti)에서 일하던 Shawn Frayne이 발명한 것으로 바람에 의해 진동하는 긴 막을 이용해서 전기를 만들어 내는 장치입니다. 바람에 의해 떨리는 막 끝에 자석을 붙여 코일 사이에서 진동하도록 한 원리입니다. 이 장치는 제작하기 쉽고 비용이 적으며 모듈화가 가능하다는 장점이 있습니다. (Youtube 동영상 참고: http://www.youtube.com/watch?v=dZ0v-CK63-4)

(http://www.humdingerwind.com)

2.3 파력 발전

파도의 힘으로 전기를 생산하는 것 역시 바람 에너지라고 볼 수 있습니다. 물론 달과 지구의 인력의 영향도 파도가 생성되는 것에 영향을 주지만 역시 바람이 파도를 만드는데 대부분의 역할을 하기 때문입니다. 파력 발전은 대략 세 가지 형태로 나누어지며, 파도의 고저에 따른 부력을 이용하는 방식, 파도의 높낮이에 의한 공기 펌프로 터빈을 돌리는 방식, 해상 표면에서 파도의 고저를 이용하여 에너지를 얻는 방식이 있습니다. 이런 기술은 1990년대부터 개발되어 많이 상용화되어 있습니다. 아래는 다양한 파력 발전에 관한 링크들입니다.

Photo credit to OceanLinx (http://www.oceanlinx.com/)

Photo credit to BioPower Systems (http://www.biopowersystems.com/biowave.html)

Photo credit to Pelamis Wave Power Ltd. (http://www.pelamiswave.com/)

펠라미스 파력 발전기: http://www.youtube.com/watch?v=F0mzrbfzUpM

2.4 물 생산

사막이나 개발 도상국 같은 곳은 전력 문제도 있지만 깨끗한 물을 얻는 것에도 어려움이 많습니다. 이러한 문제를 바람 에너지를 이용해 동시에 해결하는 방식의 활용도 있습니다. 프랑스의 벤처 기업인 Eole Water사는 풍력 터빈 나셀(Nacelle)에 열교환기(Heat Exchanger)와 응축기(Compressor) 등을 설치해 공기 중에 있는 수분을 모아서 저장하고 필터를 통해 식수로 활용할 수 있는 풍력 터빈을 개발했습니다.

Photo credit to Eole Water (http://www.eolewater.com/)

* 출처 표시가 없는 사진이나 그림의 출처는 Public Domain 입니다.