<목차>
1. 풍력발전이란?
2. 풍력발전의 원리와 종류
3. 풍력발전의 장, 단점
풍력발전이란?
풍력발전이란 바람의 에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 방식으로 풍력발전기에 달려있는 날개를 회전시켜 생기는 회전력으로 전기를 생산하는 방식입니다. 이러한 풍력발전의 기본 구성은 블레이드, 타워 증속기, 발전기로 구성됩니다.
공기역학적 특성을 이용하여 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 전환시키고 기계적 에너지를 통해 생기는 유도전력을 전력계통 혹은 수용가에 공급하는 방식으로 전기를 생산하게 됩니다.
풍력발전은 바람을 태양광발전보다 높은 효율인 60%가량을 이론적으로 전환할 수 있다고 하지만 실제로는 대략 20~40%의 효율을 보이며 대규모 해상풍력이 아닌 도심지역에 설치하는 소형풍력의 경우 바람도 부족하고 효율이 낮기 때문에 발전사업용으로는 비 적합한 모습을 보입니다.
풍력발전의 원리와 종류
풍력발전의 원리
풍력발전은 위에서 설명드린 것처럼 블레이드가 바람을 받아 회전할 때 전기를 생산합니다. 블레이드가 바람을 받아 회전할 때 회전 운동 에너지가 만들어지며, 증속기는 기어를 이용해 초기 저속 회전을 발전용 고속 회전으로 전환하여 운동에너지를 증폭시키고, 증폭된 회전 운동 에너지는 발전기를 거쳐 전기에너지로 변환됩니다. 이때 생성된 전기 에너지는 변전소를 거쳐 소비자에게 공급됩니다.
풍력발전기의 구성
풍력발전기의 구성은 바람에너지를 전기에너지로 만들기 위해 블레이드가 회전하는데 필요한 기어 시스템으로 구성됩니다. 이때 발생하는 저속 회전을 고속회전으로 변환시키는 장치와 회전력을 전기에너지로 바꾸는 발전기, 이외에 안전을 위해 필요한 부품들로 풍력발전기가 구성됩니다.
- 블레이드(blade): 바람의 운동에너지를 회전운동에너지로 변환
- 축(shaft): 블레이드의 회전력을 증속기와 발전기에 전달
- 증속기(gear box): 주축의 저속회전을 발전용 고속회전으로 전환
- 발전기(generator): 증속기로부터 전달받은 회전력을 전기에너지로 변환
- 나셀(nacelle): 터빈 내부 구성품을 수용하기 위한 설비
- 요잉 시스템(yaw drive, motor): 블레이드를 바람의 방향에 맞추기 위해 나셀을 회전시키는 설비
- 피치 시스템(pitch): 풍속에 따라 블레이드 각도를 조절하는 설비
- 브레이크(brake): 터빈의 제동을 위한 설비
- 컨트롤러(controller): 무인 운전을 설정하고, 운영하기 위한 설비
- 타워(tower): 풍력발전기 터빈을 지지하는 구조물
풍력발전의 종류
풍력기의 방식은 축에 따라 수직축 방식과 수평축 방식으로 구분됩니다. 수직축 방식은 100kW 이하의 소형 풍력에 활용되어 구조가 간단하고, 바람의 영향을 많이 받고, 효율이 떨어진다는 특징을 갖고 있습니다. 일반적으로 많이 볼 수 있는 풍력 발전기는 수평축 방식입니다.
<수직축>
- 다리우스형: 일정한 단면형상의 원호형 날개가 수직축인 형태
- 자이로밀형: 수직으로 붙여진 대칭 블레이드가 자동으로 최적의 반각을 얻음
- 사보니우스형: 핀란드 출신 S.J.사보니우스에 의해 고안된 풍차로 반원통의 날개를 마주 보게 함
- 퍼들형: 단순한 컵형 또는 풍배형으로 로빈슨 풍속계 이용
- 크로스플로우형: 다수의 길고 가느다란 곡면 블레이드가 상하 원판의 구조를 가짐
<수평축>
- 프로펠라형: 날개의 형태가 비행기 날개와 유사함, 풍력발전기용으로 주로 사용
- 세일윙형: 날개의 형태가 삼각형으로 지중해에서 제분 및 배수용으로 사용
- 네덜란드형: 유럽에서 14세기초부터 19세기말까지 제분 및 배수에 사용
- 퍼들형: 단순한 컵형 또는 풍배형으로 로빈슨 풍속계 이용
- 다익형: 19세기부터 현재까지 미국 농장에서 양수용으로 사용
위에서 설명드린 수직축과 수평축 방식은 풍력발전용이 아닌 풍력을 활용하는 풍력기의 종류이며 실제로 전기를 생산하는 풍력발전기의 경우 회전축 방향에 따른 분류, 운전방식에 따른 분류, 출력제어, 전력사용방식에 따른 분류로 구분할 수 있습니다.
<회전축 방향에 따른 분류>
- 수직축: 다리우스형, 사보니우스형
- 수평축: 프로펠라형
<운전방식>
- 정속운전: geared형
- 가변속운전: gearless형
<출력제어방식>
- pitch control
- stall control
<전력사용방식>
- 계통연계
- 독립전원
풍력발전의 장, 단점
풍력발전은 발전기의 크기가 거대하고 바람이 많이 부는 곳에 설치해야 하므로 장소의 제약이 많은 편입니다. 다만 태양광발전보다 효율이 좋고, 바다 위에도 설치가 가능하기 때문에 바람만 많이 분다면 좋은 신재생에너지원 중 하나라고 볼 수 있습니다
<풍력발전의 장점>
1. 친환경 에너지이다
2. 외국의 경우 최고 발전단가가 원자력 발전단가와 비슷하여 경제적이다
3. 미관을 고려하여 관광산업으로 개발 가능하다
4. 완전한 자동운전으로 관리비, 인건비 절감이 가능하다
풍력발전 장점
1. 친환경 에너지이다
풍력발전은 화석연료를 사용하지 않고 자연의 바람을 이용하는 방식이기 때문에 친환경 에너지입니다.
2. 외국의 경우 최고 발전단가가 원자력 발전단가와 같은 수준으로 경제적이다
풍력발전의 경우 태양광보다 효율이 좋고 낮 밤 구분 없이 바람이 분다면 발전이 가능하기 때문에 발전단가가 높지 않은 편입니다. 외국의 경우 바람이 많이 부는 평지대가 많기 때문에 풍력발전은 특히나 효율이 좋은 편입니다.
3. 미관을 고려하여 관광산업으로 개발이 가능하다
태양광발전의 경우 단순히 모듈을 일자로 늘어놓은 형태기 때문에 미관을 해친다는 단점이 있지만 풍력발전의 경우 도심의 랜드마크로 활용할 수 있습니다. 외국뿐만 아니라 한국 역시 하늘공원 최상단에 풍력발전기를 건설하여 관광용으로 구성하기도 했습니다.
4. 완전한 자동운전으로 관리비, 인건비 절감이 가능하다
풍력발전은 연료공급이나 발전기 운전이 필요 없는 완전 무인 발전 시스템입니다. 따라서 인건비, 관리비가 거의 들지 않지만 고장이 날 경우 유지보수 비용이 타 신재생에너지보다 많이 든다는 단점도 있습니다.
<풍력발전의 단점>
1. 에너지 밀도가 낮아 바람이 없는 경우 발전이 불가능하다
2. 안정적으로 전기공급하기 위해서는 저장장치가 필요하다
3. 초기 투자비용이 매우 크다
4. 소형 풍력의 경우 소음발생이 매우 크다
풍력발전 단점
1. 에너지 밀도가 낮아 바람이 없는 경우 발전이 불가해 특정 지역에 한정된다
풍력발전이 태양광발전보다 효율이 좋다고는 했지만 화석연료에 비하면 매우 낮은 효율을 보입니다. 특히 태양광의 경우 태양이 비추지 않는 곳은 드물지만 바람이 불지 않는 곳은 많기 때문에 지역적인 제한이 많은 편입니다.
2. 적정량의 바람이 있을 경우에 발전이 가능해 안정적으로 전기공급을 위해서는 저장장치가 필요하다
바람이 불어 블레이드가 회전할 경우에만 발전이 가능하므로 바람이 불지 않을 때는 전기를 생산하지 못하게 됩니다. 따라서 만약 계통에 풍력발전만 존재한다면 바람이 불지 않는 맑은 날에는 전기공급이 불가능하다는 이야기가 됩니다. 안정적으로 전기를 공급하기 위해서나 피크시간대에 부족한 전기를 보충하기 위해서는 에너지저장장치를 추가적으로 설치하여 안정된 전기공급을 해줄 필요가 있습니다.
3. 초기 투자비용이 매우 크다
다른 신재생에너지발전 역시 발전설비를 설치하기 위한 초기 투자비용이 큰 편이지만 풍력의 경우는 워낙 규모가 크기 때문에 초기 투자비용이 큰 편입니다. 또한, 국내외 풍력을 주력으로 하는 기업들이 많지 않기 때문에 설치비용이 높은 편입니다.
4. 소형 풍력발전의 경우 소음 발생이 매우 크다
블레이드가 바람을 받아 회전할 때 기어에서 매우 큰 소음이 발생하게 됩니다. 특히나 도심지역에 설치하는 소형 풍력의 경우는 주거지와 인접하기 때문에 그 소음이 직접적인 영향을 끼칠 수 있습니다.
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