바람을 이용해보자

안녕하세요!!

오늘은 바람의 힘으로 전기를 생산하는 풍력발전에 대해 이야기해 보겠습니다. 사실 풍력발전을 다들 들어보거나 본 적 있으신 분들이 많을 거라고 생각해요. 영화나 드라마에도 많이 나오고 관광지화되기도 하였죠. 그럼 오늘은 풍력발전의 내부를 들여다보고 원리를 설명해보겠습니다.

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풍력발전이란?

바람의 힘을 바로 전력으로 바꾸는 발전입니다. 기존의 발전과 어떤 점이 다른가? 라는 질문에서는 다른 점이 존재한다고 말할 수 있습니다. 기존의 발전 화력, LNG, 원자력, 태양열 등등은 열에너지를 생산해 이 열에너지로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기의 힘을 터빈으로 보내 터빈을 돌려 발전을 하는 방식입니다. 하지만 풍력발전에서는 이 터빈 자체가 풍력 발전기의 날개입니다. 즉, 열에너지를 생산할 필요가 없는 발전입니다.

바람의 힘을 어떻게 이용할까?

길을 걷다 보면 바람이 강하게 불면 날아갈 것 같은 느낌을 받습니다. 바람이 밀어내고 있는 것 같죠. 바람은 공기의 흐름입니다. 유체라고 할 수 있습니다. 이 공기의 흐름이 빠르다면 그만큼 높은 운동에너지를 가지고 있는 것입니다. 자 이제 이 바람이 날아와 풍력발전기의 블레이드를 때립니다. 그러면 프로펠러는 돌게 되고 프로펠러 뒤에는 발전기가 연결되어 있습니다. 그림과 같이 연결되어 있는데 프로펠러가 돌면서 연결된 자석이 돌고 자석이 돌면서 전류의 방향이 계속 바뀌며 전류가 생성됩니다.

여기서 추가로 설명해야 할 것은 토크 힘입니다. 왜 바람이 날아와 블레이드를 때리면 돌게 될까? 중심축으로부터 블레이드는 반경 방향으로 뻗어져 있습니다. 선풍기처럼 연결되어 있다는 말입니다. 이때 바람은 블레이드의 수직 방향으로 들어옵니다. τ=r×F의 토크 식을 생각하면 회전 방향으로 힘이 생긴다는 것을 알게 됩니다. 이 때문에 회전을 하는 것이지요.

어떻게 하면 더 큰 힘을 얻을까?

토크 즉, 돌림힘이라 하는 이 힘을 강하게 얻어야만 풍력발전기의 날개가 빨리 돌아가고 전기생산량이 늘 것입니다. 그렇다면 다시 식을 생각해보죠. τ=r×F 돌림힘이 커지기 위해서는 우변 항에 있는 r, F가 커지면 될 것 같습니다. r이 커진다는 것은 블레이드 날개가 커진다는 것이고 현재 축구장만 한 날개도 만들어진다고 하는 것 같습니다.
F가 커지기 위해서는 바람이 강하게 불어야 합니다. 이를 위해서는 발전 설비를 지을 때 역학조사를 치밀하게 하여 바람의 세기가 강한 곳을 골라야 할 것입니다. 그리고 발전기를 설치할 때 각각의 발전기들이 서로의 공기 흐림에 영향을 주어 효율을 떨어뜨리지 않도록 효율적으로 배치하는 것이 중요하겠습니다.

발전종류는?

크게 수평 방향의 날개를 가지거나 수직 방향의 날개를 가진 발전방식으로 구분할 수 있습니다.
우선, 수평 방향은 대형화가 용이하고 발전효율이 높아 대형 발전단지로 많이 존재함을 보았습니다. 하지만 바람의 방향이 바뀌면 방향을 변환시켜주는 시스템이 필요한 단점이 있습니다. 이 단점 보완한 것이 수직 방향의 블레이드를 가진 발전입니다. 바람의 방향에 자유로운 장점이 있고 가로 방향으로 넓은 면적을 차지 않기 때문에 토지이용률이 비교적 낮습니다. 하지만 대형화가 힘든 점이 있으며 발전효율이 낮은 점이 있어 대규모 발전에 이용하기에는 한계점이 존재합니다.

풍력발전의 장점
-무공해, 무한 에너지
-무인화 가능
-발전단가 저렴
-유지부소와 초기 설비비용을 제외한 추가비용이 발생 안 함
-건설 기간이 짧다

풍력발전의 단점
-태양열과 마찬가지로 초기 투자비가 요구되어 초기 설비비용이 비쌉니다.
-바람이 간헐적이기 때문에 지속적인 발전이 힘듭니다.
-만약 건설 당시에는 바람이 많이 불었으나 이후 어떠한 요인에 의해 무풍지대나 바람이 약한 지역으로 바뀔 경우 설비 전체를 사용 못할 수도 있다. 그렇기에 입지선정이 제한적이며 어렵다.
-회전 시 발생하는 소음으로 주변 민가, 농가에 피해가 발생한다.
-발전의 비연속성으로 전력저장장치가 필수적으로 필요하다.

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건설방법이나 각각의 종류에 따라 자세히 설명하고 싶었으나 그러려면 양이 좀 많더군요.. 그래서 이정도로만 소개하도록 하겠습니다. 다음에 기회가 된다면 더 자세히 포스팅해보도록 하겠습니다.

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-이미지 출처-

1. http://www.telegraph.co.uk/
2. http://monthly.chosun.com/client/news/viw.asp?nNewsNumb=201008100034
3. http://maxpixel.freegreatpicture.com/Human-Hair-Female-Girl-Wind-Person-Hair-Flying-1103917
4. https://energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work
5. http://www.windpowerengineering.com/blades/blade-addition-boost-wind-turbine-power-20/
6. http://atomstory.or.kr/p/35927/