저번 태양광에 이어 이번에는 대표적인 재생에너지로 꼽히는 풍력에 대해서 이야기해보고자 한다.

 

다들 풍력하면 무엇이 떠오르는가?

 

보통 풍력이라고 하면 아래와 같은 사진들이 떠오를 것이다.

 

위 두 사진들은 우리가 대표적으로 알고있는 풍력발전 혹은 풍력을 이용한 지하수 펌프이다.

 

잘 보면 하나는 날개가 굉장히 많고 날개의 면과 바람이 들어오는 방향이 이루는 각이 크고 하나는 날개가 많지 않으면서 날개면-바람방향이 이루는 각이 다른것을 볼 수 있다.

 

이는 바람의 운동에너지를 추출하는 방식의 차이로 인해 발생한다.

 

유체역학에서는 유체의 흐름에 의해서 만들어지는 힘을 크게 항력(Drag Force)과 양력(Lift Force)로 나눈다. 항력은 영어를 보면 알 수 있듯 뒤로 잡아끄는 힘이다. 양력은 앞선 경우와 마찬가지로 위로 들어올리는 힘이다.

 

위의 사진에서 볼 수 있듯 항력은 유체의 흐름방향으로 가해지는 힘이고 양력은 그에 수직으로 가해지는 힘이다.

 

많은 날개를 사용해서 풍력발전을 하는 경우는 항력을 이용한 방식이고 적은 날개를 이용하는 방식은 양력을 이용하는 방식이다.

 

 

참고로 실제 발전을 이루는 설비에서는 거의 대부분의 경우가 양력을 이용한 발전을 사용한다. 그 이유는 날개의 받음각(위 사진에서 Angle of Attack)을 조절해 불어오는 바람의 속도와 무관하게 일정한 속도로 발전기를 돌릴 수 있기때문이다. 발전기의 출력을 일정하게 유지하는 것은 전력공학에서 매우 중요한 부분이므로 양력을 이용하는 것이 훨씬 유리하다 할 수 있겠다.

 

받음각이 0도 일때는 항력계수와 양력계수가 거의 비슷하고 약15도까지 양력계수는 급격히 증가하다가 15도가 지나면 감소하기 시작한다.

항력계수는 15도까지 별 차이를 보이지 않다가 15도 이후 증가하기 시작한다.

 

 

 

 

이번엔 풍력터빈의 출력에 대해서 이야기해보도록 하자.

 

풍력터빈의 출력을 예측하는 방법에는 크게 1차원 운동량이론이 많이 사용된다. 날개가 회전하는 면적을 바람이 아무 저항없이 통과하는 원형디스크로 가정하는 모델이다.

 

풍력터빈의 출력을 계산하는 과정은 굉장히 복잡하기에 이런 교양게시물에는 어울리지 않는다고 생각해 간략히 서술해보도록 하겠다.

 

디스크의 앞,뒤에서 바람의 속도비를 a라고 가정하고 베르누이 방정식을 풀면 입구의 바람속도가 정해질 때 출력이 a에 대한 함수로 도출된다.

 

이를 미분을 통해 극점을 찾으면 a=1/3일 때 즉, 들어간 바람의 속도가 나온 바람의 속도의 3배일 때 최대효율을 가지며 이 때의 효율은 16/27=0.593=59.3%이다. 이를 Batz Limit이라고 하고 유튜브에 검색해보면 인도인들이 이에 대해 굉장히 잘 설명해두었다. 궁금하면 한번 찾아보는것을 추천한다.(필자가 이전 게시물에서 댓글에 Batz한계를 50퍼 미만이라고 작성하였다. 그 댓글은 잘못된 댓글이다.)

 

현재 풍력터빈의 효율은 Batz한계에 매우 근접해있다. 

 

참고로 터빈자체의 출력은 0.5*C_P(ρπR²V₁³)[ W ]이다. 우리가 위에서 구한 효율이 바로 C_P이다 ρ는 공기의 밀도, R은 디스크 반경, V₁은 입구에서의 바람 속도이다. 터빈의 출력은 입력 바람세기의 3제곱에 비례하고 날개 길이의 제곱에 비례하기 때문에 상용 풍력발전에서는 죄다 날개가 수십미터나 되는 것이다.(출력이 좋으니까)

 

 

 

그렇다면 풍력터빈은 어떤 구조로 이루어져 있을까?

 

(독자의 추천으로 그림과 내용을 추가하였다)

가장 근본이 되는 것은 나셀(Nacelle)이라고 하는 구조물이다. 나셀은 타워의 윗부분에 설치되어있으며 나셀에 날개(터빈)가 붙어있다. 날개의 크기로 인해 일정 각속도 이상으로 회전이 불가능하기에 터빈의 속도는 다른 터빈발전방식에 비해 굉장히 느리다. 하지만 발전기는 빠르게 회전하는 것을 요구하기에 느린 각속도로를 기어박스를 통해 고속, 저토크(저토크라고 하지만 사람은 갈려나갈정도로 강한 토크다)로 변환하여 발전기의 로테이터를 회전시킨다.

 

보통은 기어박스로 축의 회전수를 변화시키지만 밑의 독자가 말 한 것처럼 기어를 사용하지 않는 기어리스 방식도 존재한다. 발전기를 터빈축에 직접 물려 사용하는 것으로 기존의 발전기의 구조와 약간 다르게 하여 저rpm에서도 단위시간당 발전기 코일을 끊고 지나가는 자기력선을 기어방식과 동일하게 해 발전출력을 기존 방식과 동일하게 유지하는 방식이다. 다만 이 경우 스테이터와 로터가 기존 발전기에 비해 크다는 단점이 존재한다.

 

나셀에는 기어박스 이외에도 바람의 방향과 디스크의 법선이 항상 평행하도록 하는 요잉(Yawing)시스템이 탑재되어있어 항상 최적의 방향을 바라볼 수 있게되어있다. 요잉시스템은 나셀 상단에 설치되어있는 풍향계로 읽어들인 주위환경에 의해 제어된다.

 

마지막으로 나셀에는 풍속계도 달려있는데 이는 앞서 이야기 한 날개의 받음각을 조절하게 해준다. 특히 태풍이 불고있는 상황에서 날개가 계속 돌아가면 발전기에 과부하가 걸리고 날개또한 고속 회전 시 발생하는 응력이 설계한도를 초과해 파손되는 경우가 생길 수 있는데 이때 받음각을 굉장히 작게 유지해 회전하지 않게끔 해준다.

 

 

위에서 다루지는 않았으나 민간에서 소규모로 운용하는 수직축 풍력터빈들도 있으나 메이저가 아니라 이번 게시물에서는 제외하도록 하겠다.

 

 

다음에는 수력발전에 대해서 이야기해보도록 하겠다.

 

 

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독자분의 추천으로 여러가지 다른 형태의 풍력터빈도 알아보도록 하겠다.

 

수평축 풍력터빈은 거의 저 위의 두개가 끝이고 이 아래에서는 수직축 풍력터빈에 대해서 알아보도록 하겠다.

 

 

가장 먼저 수직축 풍력터빈의 정의를 살펴보자면 바람이 부는 방향과 회전축이 서로 직각을 이룬다고 보면 되겠다.

 

 

 

다른 책에서는 잘 모르겠지만 필자가 공부했던 책에는 수직축 풍력터빈의 종류를 크게 3가지로 구분해놓고있다.

Savonius형, Giromill(or H-Rotor)형 Darrieus형이다.

 

현재 풍력터빈에서 수평축 풍력터빈이 수직축 풍력터빈보다 많이 보이는 이유는 다음과 같다.

 

수직축 풍력터빈은 시스템의 종합효율이 낮고, 한 경우를 제외하면 스스로 기동을 시작할 수 없어 시동토크가 필요하며, 정비가 어렵고 수평축에 비해 넓은 면적을 필요로 하기때문이다.

 

다만 단점만 존재하는것은 아니고 발전기와 그 외 모든장비가 지상에설치되고 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하다는 장점도 있다.

 

 

가장 먼저 Savonius형에 대해 알아보자.  이 방식은 항력을 이용한 터빈이다.

Savonius형은 수직축 풍력터빈 중 유일하게 항력을 이용한 방식이며, 시작토크를 필요로 하지 않고 바람만 있으면 돌 수 있다.

위의 사진이 대표적인 Savonius형 풍력터빈이다. 풍력터빈중에는 가장 만들기 쉬운 형상이다. 위의 사진을 보면 알 수 있듯 전문지식 없이도 딱 봐도 바람이 불면 돌아가게 생겼다.

 

 

다만 위와같은 Savonius형은 바람이 한쪽에서는 정방향의 토크를 발생시키지만 반대편에서는 역방향의 토크를 발생시키기에 대규모 풍력발전에는 적합하지 않다. 물론 역방향의 토크를 발생시키는 면은 항력계수와 양력계수가 모두 정방향 토크를 발생시키는 면에 비해 작기에 소규모 발전에는 큰 문제없이 사용할 수 있다.

 

 

 

따라서 바람이 정방향의 토크만 발생시키게 하기위해 위와같이 하나의 반원통이 아닌 여러개로 나눠놓은 Savonius형이 등장하게된다.

이렇게 단면은 기존과 동일하지만 회전시켜놓음으로써 역방향 토크를 줄여놓은 것이다.

 

 

 

다음은 Giromill와 Darrieus형 터빈이다. 이 두 방식은 형상이 다르게 생겼지만 방식 자체는 동일하게 양력을 이용한 방식이다. 이 두 방식은 위의 Savonius형과 다르게 초기 시작토크가 없으면 돌아가지 않는다.

 

Giromill형은 위와같은 형상을 지니고 있는데 자세히 보면 날개가 그냥 철판이 아니라 양력을 극대화 하기위해 비행기날개의 단면과 비슷한 모양을 가진것을 알 수 있다.

 

Giromill형 또한 Savonius형과 마찬가지로 특정각도에서는 정방향의 토크를 발생시키지만 반대에서는 역방향의 토크를 발생시키는 것을 알 수 있는데 그에 따라 Savonius형의 해법처럼 꼬아놓은 방식이 존재한다. 다만 Giromill형은 꼬아놓는 것 이외에 역방향의 토크를 발생시키는 상황에서는 날개가 회전해 그냥 토크를 안만들어 내는 방향으로 조정하기도 한다.

 

 

 

마지막으로 Darrieus형이다.

 

Darrieus는 수직축에서는 그나마 대형 풍력발전에 이용되는 편이 높은 축에속하는 방식이다.

앞서 본 것들에 비해 꽤 크기가 크지않은가? 이 사진은 약 30m정도의 높이를 지니고 있다고 한다.

 

참고로 Darrieus와 Giromill의 동작방식은 동일하다. 따라서 장점 및 단점도 동일하다고 볼 수 있다.