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바람이 전기를 만든다!
우리나라의 풍력발전 모든 것!

 어제는 비바람이 몰아쳐 출근길 어려움을 겪은 분들이 많으셨죠? 여름철에는 우리의 땀을 식혀주기도 하고, 때론 막대한 피해를 입히기도 하는 바람. 여러분들은 이처럼 다양한 얼굴을 갖고있는 바람이 전기도 만들어내고 있다는 사실을 아십니까? 바람을 이용하여 전기를 얻는 풍력발전이 바로 그것입니다.

 ‘바람이 전기를 생산해낸다’라는 말이 어떻게 보면 어색해보이기도 합니다. 그러나 세계적으로도, 그리고 우리나라에서도 신재생에너지분야 중 풍력발전은 매우 유망한 산업으로 보아 이미 풍력단지가 설치되었거나 건설 중에 있습니다. 풍력발전은 어디에서, 어떻게 이루어지며, 어떠한 조건이 필요한지, 그리고 우리나라 어디에 건설되어 있는지 알아보겠습니다.

해상풍력발전 @Kim Hansen / http://ko.wikipedia.org

풍력이란?
 풍력은 바람에너지를 전기에너지를 바꿔주는 원리로 풍력발전기의 날개가 회전되면서 생기는 회전력으로 전기를 생산합니다. 날개, 변속장치, 발전기로 구성되어 있으며, 바람이 날개를 회전시키면 기계적 에너지로 변환하는 장치입니다. 여기서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해 변속기어에 전달되면 발전기에서 회전수를 높여 발전기를 회전시킵니다. 즉, 발전기는 날개에서 생성된 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 합니다.


풍력발전의 분류
 풍력발전의 분류는 회전축의 방향에 따라 수직축 발전기와 수평축 발전기로 나뉩니다.
수직축 발전기는 회전축이 지면과 수직으로 설치되어 바람의 방향과 상관없이 가동이 가능하며 바람추적장치가 필요하지 않고 사막이나 평원에 많이 설치되지만, 비용이 비싸고 효율이 수직축 발전기에 비해 떨어진다는 것이 단점입니다. 현재 미국에서는 소용량으로 가동 중에 있습니다.

수평축 발전기는 우리가 흔히 알고 있는 풍력 발전기로 회전축이 지면과 수평으로 설치되어 있으며 바람을 최대로 받기 위해 바람추적장치가 필요합니다. 풍력발전 중에서도 안정적이고 효율적이라는 장점을 갖고 있습니다. 
 

강원도의 풍력발전


 운전방식에 따라 기어드(Geared, 증속기형) 발전과 기어리스(Gearless, 집결식) 발전이 있습니다. 기어드형 풍력발전시스템은 간접구동식으로 풍력터빈의 초기 개발 단계부터 적용되어 지금까지 발전되어 왔고 관련 시장의 대부분이 이 형식입니다. 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 발전시스템이며, 높은 정격회전수에 맞추기 위한 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치(증속기)가 장착되어 있습니다.

기어리스형은 가변속 운전동기형 발전기기를 사용하는 시스템이며 증속기어 장치가 없어 회전자와 발전기가 직결되는 형태입니다. 발전효율이 높으나 가격이 비싸고 크기가 큰 단점이 있습니다.

육상풍력발전 @WAstateDNR - Department of Natural Resources / http://www.flickr.com/photos/wastatednr/3290759855/

풍력발전의 기본 원리
 풍력발전의 기본 원리는 풍속이 세고 풍차가 크면 클수록 많은 에너지를 생산할 수 있습니다. 그래서 바람의 세기와 풍차의 크기가 풍력발전의 핵심입니다. 날개 길이에는 제곱에 비례하며 풍속은 세제곱에 비례합니다. 또 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 산에 풍력발전소가 위치하는 경우가 많습니다.

바람은 평균 초속 4m/s 이상이 부는 바람이 필요합니다. 이 정도의 풍속은 나뭇가지가 흔들리는 정도이며, 2m/s는 바람을 느끼는 정도, 7m/s는 먼지가 이는 정도이고 30m/s는 유리창이 깨질 정도의 풍속입니다. 우리나라에는 산이 많은 강원과 경북, 제주도에 풍력발전소가 많이 있습니다.

 전 세계 풍력발전시설용량은 대부분 유럽에 몰려 있으며 전력생산단가가 싸지고 청정에너지여서 시설용량이 매년 증가하고 있는 추세입니다. 신새쟁에너지에서 유망한 분야이며 낙후 지역에도 전력이 보급이 가능하며 해안이나 산간지역 등에 설치가 가능한 것이 장점입니다. 해외의 경우 해상풍력발전도 있어 풍력발전의 가능영역은 더욱 넓어지고 있습니다.

풍력발전의 장단점 @GDS Infographics / http://www.flickr.com/photos/gdsdigital/4016463222/


육상풍력발전은 풍력터빈의 대형화로 설치장소의 한계가 대두되고, 소음이나 자연 경관을 해치는 문제가 발생
하면서 이러한 육상풍력발전의 단점의 해결책으로 고안된 것이 해상풍력발전입니다. 해상풍력발전은 풍력터빈을 호수나 피오르드 지형, 연안과 같은 수역에 설치해 그곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말합니다.

해상풍력발전은 육상풍력발전이 가지는 설치 장소의 한계를 보완하고, 해안과 15km 내외로 떨어져 설치되므로 소음이나 자연경관을 해치는 등의 문제를 보완할 수 있습니다. 하지만 일부에서는 풍력발전소를 건설하면 생태계에도 영향을 주어 건설이 반대되기도 합니다. (위키백과 참조:http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B4%EC%83%81%ED%92%8D%EB%A0%A5%EB%B0%9C%EC%A0%84#.EC.86.8C.EC.9D.8C.EA.B3.BC_.EC.8B.9C.EA.B0.81.EC.A0.81.EC.9D.B8_.EC.9C.84.EC.95.95.EA.B0.90_.ED.95.B4.EC.86.8C)

풍력 사업수행 현황 http://www.kepco-enc.com/korea/sub.asp?Mcode=B040000&ConIdx=93


 우리나라의 주요 풍력발전단지는 대관령, 태백 풍력발전단지가 있습니다. 2005년 기준으로 하여 대관령(3,390kW), 태백(4,250kW), 울릉도(600kW), 제주의 한경(6,000kW)과 행원(9,757) 등의 소규모 발전단지가 조성되어 있습니다. 영덕에 한국 최대의 상업용 풍력발전단지가 있는데, 24개의 바람개비가 120m의 높이의 풍력발전기가 있습니다. 연간 발전량은 9만 7000mW로 2만 가구가 한 해 동안 사용할 수 있는 양입니다.
또한 제주도 서귀포시 대정읍 앞 바다 2km지점, 수심 약 30m 해상에 대정해상풍력단지가 건설될 예정이라는데요, 2014년말까지 공사를 마무리하여 2015년부터는 상업운전이 가능하도록 할 예정이라고 합니다.

여수엑스포 국제관 - 덴마크 풍력발전

 이렇게 풍력발전은 석유가 안 나는 우리나라에 있어 큰 도움이 됩니다. 또 풍력발전단지 인근을 공원으로 만들어 관광자원으로도 활용되기 때문에 보물단지나 다름없습니다. 풍력발전을 하기 위한 조건을 갖춘 지역도 많으니 더 많은 풍력발전단지가 생겼으면 좋겠습니다. 앞으로 신재생에너지에 대한 지속적인 관심이 필요합니다. 이번 주말에는 풍력단지에 다녀와보시는 건 어떠신가요?


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국내 최대 풍력발전단지, 특별함이 있는 영덕으로 가다...

국내 최대의 풍력발전 단지가 경북 영덕에 있다. 풍력발전은 신재생에너지의 대표적인 형태로 이산화탄소와 같은 온실가스를 내지 않기 때문에 유럽국을 비롯한 많은 선진국에서 풍력 발전에 대한 투자를 아끼지 않고 있다. 특히 이 곳 영덕 풍력발전단지는 1997년 발생한 산불로 인해 완전 폐허가 된 능선에 세워졌기 때문에 환경적인 측면을 더욱 고려했다는 점이 주목받고 있다.

우리나라 최초의 풍력발전소이자 최대 크기를 자랑하는 이곳을 조성한 기간은 불과 1년 남짓이다. 영덕에서 강구항으로 내려가는 해안도로의 중간쯤에 가면 해맞이 공원이 있는데 이 공원을 등진 채 언덕으로 조금만 올라가면 아파트 25층과 맞먹는 거대한 풍차들을 만날 수 있다. 무려 80m의 거대한 풍력발전기 24기가 15만평의 대지 위에 하늘을 향해 시위라도 하듯이 불끈 솟아 있다. 돌아가는 풍력발전기 날개 밑에서 돌아가는 날개를 쳐다보면 오만가지 소리가 다 들리는데, 어떤 때는 연음이 들리기도 하고, 또 어떤 때는 경음이 들린다. 동해의 바닷바람이 길이 42m에 달하는 섬유강화플라스틱(FRP) 날개를 돌려서 전기를 생산하는 모습은 이곳을 찾는 이들에 경이로움을 선물하기도 한다.

풍력 날개 @이동진

풍력발전기는 중심기둥과 3개의 날개로 구성되어 있으며 기둥높이가 80미터, 날개의 회전직경이 82미터이다. 1분에 14회 정도 회전하는데, 이곳에서는 연간 2만 가구가 사용할 수 있는 전기가 생산된다.

풍력발전원리(출처: google free image)

풍력발전은 바람의 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 기술이다. 공기가 익형* 위를 지날 때 양력과 항력이 발생되는 공기역학적(aerodynamic) 특성을 통해 회전자(rotor)**가 회전하게 되는데 이때 발생되는 기계적 회전 에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 변환되게 되는 것이다. 

풍력의 동력변환 장치인 풍차공기역학적 항력(drag)에 의한 것과 공기역학적 양력(lift)에 의한 것으로 분류된다. 초기의 수직축형 풍차는 항력에 원리로 사용되었지만 항력형은 풍차효율이 매우 낮았다. 현대의 풍차는 주로 공기역학적 양력에 근거하고 있다.
 

풍력발전 (출처:http://samsungcampaign.com/355?category=13)

양력형 풍차는 들어오는 바람과의 작용에 블레이드(blade)를 사용하고 있다. 공기의 흐름과 작용하는 블레이드에는 흐름방향으로 작용하는 항력뿐만 아니라, 항력에 수직인 양력도 작용하는 것이다. 양력은 항력의 배수이며 회전체의 구동력이 된다. 공기의 흐름에 수직으로 회전체 블레이드에 작용하여 필요한 회전력을 일으키는 것이다.

공기역학적 양력을 사용하는 풍차는 다시 회전축의 방위에 따라 수평축형수직축형으로 분류된다. 수직축형 풍차로는 1920년대에 프랑스 기술자가 발명한 다류스(Darrieus)형 풍차가 있으며, 곡선형의 대칭날개로 구성되어 있다. 다류스 풍차는 바람방향에 관계없이 작동시킬 수 있고, 기어박스, 발전기 등을 지상에 설치할 수 있는 장점이 있다. 그러나 각 회전수에서 회전력의 변화가 심하고, 자기시동능력이 없으며, 높은 풍속에서 속도제어의 선택이 한정되는 등의 결점이 있다.

풍차의 형식(출처 : 전자부품연구원 전자정보센터 '에너지 대체자원인 풍력발전 기술과 전망)

수직축형 풍차는 1970년대에서 80년대에 걸쳐 상업적으로 개발되었으며, 4,200 kW 규모의 대형 수직축형 풍력발전시설(ECOLEC)이 캐나다에서 설치된 바 있다. 그러나 현재 수직축형 풍력발전기의 연구개발은 거의 없는 실정이다. 수평축형, 또는 프로펠러(propeller)형 풍차가 오늘날 풍력발전의 주류를 이루고 있다.

아직까지 풍력발전은 경제적인 면에서 다른 발전시설에 못 미친다. 영덕 풍력발전단지에서 생산되는 전기는 kw당 107원으로, 동급 대비 40원인 원자력 발전이나 50원인 수력 발전에 비해서는 거의 두 배인 셈이다. 그러나 풍력 발전은 100% 무공해라는 것과 초기에 시설비가 많이 들어갈 뿐 유지 보수비가 거의 없기 때문에 그야말로 친환경 에너지인 셈이다.

바다와 풍차(출처:google free image)

겨울을 맞은 요즘, 영덕은 대게 시즌이다. 감칠맛 나는 영덕대게와 코발트블루 색감이 넘치는 동해를 배경으로 어우러진 영덕의 풍차들을 만나러 겨울여행을 떠나보는 것도 좋지 않을까?

글 | 국가과학기술위원회 블로그 기자 이  동  진  

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