풍력 발전: 공기 움직임을 청정 전기로 변환하기

풍력 발전

풍력은 태양 에너지의 한 형태입니다. 바람은 태양에 의한 대기의 불균등한 가열, 지구 표면의 불규칙성, 지구의 자전에 의해 발생합니다. 풍향 패턴은 지형, 수역, 식생 피복에 의해 변형됩니다. 풍력 에너지는 움직이는 공기의 운동 에너지입니다. 이 풍력 에너지는 수확할 수 있습니다. 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용한 전기 에너지, 풍차를 이용한 기계적 에너지, 풍력 펌프를 이용한 물의 양수나 배수, 선박 추진용 돛 등 유용한 에너지 형태로 풍력 에너지를 변환하는 것입니다. 풍력 에너지는 재생 가능하거나 비전통적인 에너지원입니다. 이는 청정하고 비오염 에너지원이며, 세계 여러 지역에서 풍부하게 이용 가능합니다. 전력 생산 과정에서 온실가스를 배출하지 않습니다.

경제적으로 추출 가능한 풍력 발전의 총량은 매우 높습니다. 독일 막스 플랑크 연구소의 악셀 클라이돈(Axel Kleidon)은 대기의 온도 차이를 만들어 바람을 구동하는 입사 태양 복사량으로부터 시작하는 '하향식(top-down)' 계산으로 풍력 에너지 양을 산출했습니다. 그는 18~68 TW(테라와트, 1조 와트) 사이를 추출할 수 있다고 결론지었습니다. 크리스티나 아처(Cristina Archer)와 마크 Z. 제이콥슨(Mark Z. Jacobson)은 실제 풍속 측정을 기반으로 한 '상향식(bottom-up)' 추정을 제시했습니다. 이 추정에 따르면 지상과 해상 100m 고도에서 1,700 TW의 풍력 발전이 가능하며, 이 중 72~170 TW를 실용적이고 비용 경쟁력 있게 추출할 수 있습니다. 이후 80 TW로 추정치를 수정했습니다. 그러나 하버드 대학 연구에 따르면 평균 1 W/㎡, 대규모 풍력 단지의 경우 2~10 MW/㎢ 용량으로, 이 전 지구적 풍력 자원 추정치가 약 4배 정도 과대평가되었다고 제시합니다.

풍력 에너지로부터 전력 생산은 풍력 터빈의 도움으로 이루어집니다. 각 풍력 터빈은 발전기(교류 발전기)와 연결됩니다. 간단히 말해, 풍력 터빈은 선풍기와 정반대입니다. 선풍기가 전기를 사용해 바람을 만드는 반면, 풍력 터빈은 바람을 이용해 전기를 만듭니다. 바람이 날개를 돌리면, 축이 회전하여 발전기에 연결되어 전기를 생산합니다. 여러 터빈을 연결하여 원하는 출력을 얻습니다. 이렇게 다수의 풍력 터빈이 모인 것을 풍력 단지(wind farm)라고 합니다. 풍력 단지는 일반적으로 터빈 날개를 움직일 만큼 충분한 풍속이 있는 곳에 건설됩니다.

풍력 에너지로부터의 전력

발전용 풍력 에너지 이용은 매우 빠른 속도로 성장하고 있습니다. 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용해 움직이는 공기의 에너지를 수확하고 이를 전기로 변환합니다. 풍력 에너지로부터 풍력 발전을 생성하는 원리는 다음과 같습니다.

시간 t 동안 가상의 면적 A를 통과하는 총 풍력 에너지는 다음 공식으로 주어집니다.

여기서 ρ는 공기 밀도, v는 풍속, Avt는 A를 통과하는 공기 부피(풍향에 수직으로 간주), Avtρ는 단위 시간당 통과하는 질량 m입니다. ½ ρv²는 단위 부피당 움직이는 공기의 운동 에너지입니다.

전력은 단위 시간당 에너지이므로, A에 입사하는 풍력(예: 풍력 터빈 로터 면적과 동일)은 다음과 같습니다.

위 공식으로부터 다음과 같은 사실을 추론할 수 있습니다.

• 전력은 공기 밀도 ρ에 정비례합니다. 공기 밀도가 증가하면 터빈 출력이 증가합니다.
• 전력은 터빈 날개의 휩쓸린 면적에 정비례합니다. 날개 길이가 늘어나면 휩쓸린 면적의 반경이 커져 터빈 출력이 증가합니다.
• 풍력은 속도에 따라 변하며, 개방 기류에서는 풍속의 3제곱(v³)에 비례합니다. 풍속이 2배가 되면 가용 전력은 8배 증가합니다. 계통 연계용 풍력 터빈은 따라서 높은 풍속에서 특히 효율적이어야 합니다.

풍력 터빈

풍력 발전소에서 풍력 터빈은 바람에 존재하는 운동 에너지를 이용해 교류 발전기의 원동기를 회전시켜 전기를 만듭니다. 충분한 바람이 터빈 날개에 닿으면 날개가 회전합니다. 날개는 로터와 연결되어 있어, 날개가 움직이면 로터도 움직입니다. 풍력 터빈에서 피치 시스템이 로터 회전 속도를 제어합니다. 로터는 저속 축과 연결되고, 이 저속 축은 기어 시스템을 통해 발전기의 고속 축과 연결됩니다. 기어 시스템은 발전기 축의 회전 속도를 일반 발전기의 정상 속도로 높입니다. 이 고속 발전기가 전기를 생산합니다.

풍력 터빈은 기계를 언제 시작하거나 정지할지 결정하는 컨트롤러도 포함합니다. 일반적으로 풍력 터빈은 특정 풍속 범위 내에서 작동합니다. 풍속이 하한을 넘으면 터빈이 시작되고, 상한(생존 풍속이라고도 함)에 도달하면 자동으로 정지합니다. 모든 풍력 터빈은 이 최대 풍속(생존 풍속)을 위해 설계됩니다.

풍력 터빈에는 풍속을 측정하고 컨트롤러에 풍속이 높은지 정기적으로 알려주는 풍속계(anemometer)가 있습니다. 브레이크는 비상시에 로터를 기계적, 전기적, 유압적으로 정지시킵니다. 풍력 터빈은 풍향계(wind vane), 요 드라이브(yaw drive), 요 모터(yaw motor)도 포함합니다. 이들의 기능은 풍향을 측정하고, 풍향이 변할 때 상풍향 터빈이 바람 정면을 향하도록 조정하는 것입니다.

풍력 터빈은 일반적으로 두 가지 종류가 있습니다. 수평축 풍력 터빈(HAWT)과 수직축 풍력 터빈(VAWT)입니다. 수평축은 상풍향(upwind)과 하풍향(downwind)으로 나뉘며, 수직축은 항력 기반(drag-based)과 양력 기반(lift-based)으로 나뉩니다.

HAWT 상풍향 터빈에서는 터빈과 발전기의 축이 모두 수평으로 정렬되고, 터빈 날개가 터빈 앞쪽에 배치되어 공기가 타워보다 날개를 먼저 때립니다. HAWT 하풍향 터빈의 경우 로터와 발전기 축도 수평으로 배치되지만, 터빈 날개가 터빈 뒤에 배치되어 바람이 날개보다 타워를 먼저 때립니다.

VAWT 항력 기반 터빈을 보면, 발전기 축이 수직으로 위치하고 날개는 위쪽에 배치되며, 터빈은 보통 지면이나 낮은 타워에 장착됩니다. VAWT 양력 기반 터빈의 경우 발전기 축이 수직이고 날개 위치가 위쪽입니다. 대부분의 대형 현대 풍력 터빈은 높은 효율 때문에 수평축 터빈입니다. 날개가 항상 바람에 수직으로 움직이며 회전 전체에서 동력을 받기 때문입니다. 터빈의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 풍력 에너지를 회전 축 에너지로 변환하는 날개 또는 로터
• 기어박스와 발전기를 포함한 구동계
• 로터와 구동계를 지지하는 타워
• 제어장치, 전기 케이블, 지상 지원 장비, 연계 장비 등을 포함한 밸런스 장비

풍력 터빈의 구성 요소는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 풍력 터빈의 구성 요소

풍력 단지는 같은 위치에 있는 풍력 터빈 그룹으로 전력 생산에 사용됩니다. 대형 풍력 단지는 수백 개의 개별 풍력 터빈이 넓은 지역에 분포할 수 있지만, 터빈 사이의 땅은 농업이나 다른 용도로 사용할 수 있습니다. 풍력 단지는 해상에 위치할 수도 있습니다.

거의 모든 대형 풍력 터빈은 보통 동일한 설계를 가지며, 이는 상풍향 로터가 3개의 날개를 가지고 높은 관형 타워 위의 나셀에 부착된 수평축 풍력 터빈으로 구성됩니다. 풍력 단지에서 개별 터빈들은 중전압(약 33kV) 전력 수집 시스템과 통신 네트워크로 상호 연결됩니다. 변전소에서 이 중전압 전류는 변압기로 전압을 높여 고압 송전 시스템에 연결됩니다.

풍력 터빈의 설계 사양은 보통 출력 곡과 보장 가용성을 기반으로 합니다. 일반적인 작동 온도 범위는 -20~40℃입니다. 극한 기후와 고온 지역용 버전이 필요합니다. 풍력 터빈은 IEC 61400 표준에 따라 설계 및 검증될 수 있습니다.

HAWT의 공기역학은 다소 복잡합니다. 날개에서의 공기 흐름은 터빈에서 멀리 떨어진 곳의 공기 흐름과 다릅니다. 로터 표면에서의 공기역학은 다른 공기역학 분야에서 좀처럼 볼 수 없는 현상을 보입니다. 1919년 물리학자 알베르트 베츠(Albert Betz)는 이상적인 풍력 에너지 추출 기계에서 질량 보존과 에너지 보존의 기본 법칙에 따라 바람의 운동 에너지의 59.3% 이상을 포착할 수 없음을 보였습니다. 현대 터빈은 이 베츠 한계에 접근하여 이론적 한계의 60~70%에 도달할 수 있습니다.

풍력 터빈은 일반적으로 넓은 풍속 범위에서 최대 전력을 생산하도록 설계됩니다. 모든 풍력 터빈은 보통 최대 풍속을 위해 설계됩니다. 풍력 터빈은 다음 세 가지 운전 모드를 가집니다.

• 정격 풍속 미만 운전
• 정격 풍속 부근 운전(보통 명판 용량에서)
• 정격 풍속 초과 운전

풍속이 정격 풍속을 초과하면 전력을 제한해야 합니다. 이는 여러 방식으로 수행됩니다. 제어 시스템은 공정 변수를 측정하는 센서, 에너지 포집과 구성 요소 하중을 조작하는 액추에이터, 센서가 수집한 정보를 기반으로 액추에이터를 조정하는 제어 알고리즘의 세 가지 기본 요소로 구성됩니다.

풍력 발전의 기타 이슈

• 풍속이 일정하지 않으므로, 풍력 단지의 연간 에너지 생산량은 발전기 명판 정격의 합에 연간 총 시간을 곱한 이론적 최대치에 결코 미치지 못합니다. 실제 연간 생산성과 이 이론적 최댓값의 비율을 플랜트 부하율(PLF)이라고 합니다. 일반적인 PLF는 15~40%입니다. 범위의 상한에 있는 높은 PLF 값은 양호한 부지와 풍력 터빈 설계 개선으로 달성됩니다.
• 개별 풍력 터빈의 고장이 전체 전력에 거의 영향을 미치지 않으므로, 풍력 발전은 큰 기술적 고장을 거의 겪지 않으며, 분산형 풍력 발전은 매우 신뢰성이 높고 예측 가능합니다.
• 풍력 발전소는 화력 발전소에 비해 환경 영향이 상대적으로 적지만, 로터 날개에서 발생하는 소음, 시각적 경관 영향, 로터에 충돌해 죽는 조류 문제가 우려됩니다.
• 풍력을 전력원으로 사용하는 주요 과제는 간헐성이라는 점입니다. 바람은 전기가 필요할 때 항상 부는 것이 아닙니다. 풍력은 저장할 수 없습니다(배터리를 사용하면 풍력 발전 전기를 저장할 수 있지만), 모든 바람을 전기 수요 시기에 맞춰 활용할 수는 없습니다. 또한 좋은 풍력 부지는 흔히 전력 수요 지역에서 멀리 떨어진 외딴 곳에 위치합니다.
• 풍력 자원 개발은 토지의 다른 용도와 경쟁해야 하며, 대안적 용도가 발전보다 더 높은 가치를 가질 수 있습니다. 그러나 풍력 터빈은 방목이나 농업에도 사용되는 땅에 설치할 수 있습니다.