풍력 발전의 모든 것 - 풍력 발전의 종류

 

수평축형 풍력발전설비(프로펠러형)

풍력 발전 설비 중에서 가장 많이 보급되고 있는 것은 프로펠러형입니다. 3장의 날개(블레이드)에 의해 회전 동력을 얻습니다. 발전 효율이 좋고 저풍속에서도 자기 기동이 가능하고 블레이드를 크게 하면 1,000kW를 넘는 대출력 발전 장치를 계획할 수도 있습니다.

 

자연적으로 발생하는 바람은 지상에서 높을수록 강하게 불어오는 특성이 있기 때문에 풍차의 설치 위치는 가능한 한 높게 하는 것이 발전량 측면에서 유리합니다. 풍차에 의해 얻을 수 있는 에너지는 풍차의 수풍 면적에 비례하기 때문에 큰 풍차일수록 큰 발전량을 기대할 수 있습니다. 500kW급의 대형 발전기 프로펠러의 블레이드 폭은 30m 이상으로 매우 커 타워 부분과 합쳐 높이 100m를 넘습니다.

 

프로펠러형 발전기는 몇 가지 단점이 있습니다. 수평 방향으로 흐르는 바람을 받아들여 프로펠러를 회전시키는 기구이기 때문에 풍향 제어를 하지 않으면 효율적으로 발전할 수 없어 복잡한 기구를 통합할 필요가 있습니다.

 

블레이드가 고속으로 회전하면 주변에 소음 피해를 줄 수도 있습니다. 소음은 풍절음 외에 진동을 건물에 전달하거나 옥상에 설치한 풍차의 진동이 전파로 건물 내부에 전달될 수도 있어 소음 피해 우려가 있습니다.

 

발전 장치가 블레이드의 중심 부근에 있기 때문에 점검이 어렵다는 것도 문제점 중 하나입니다. 발전기 등 중요한 점검 대상이 고소에 있기 때문에 점검 비용이 높다는 단점도 있습니다.

 

블레이드가 일정 속도로 회전하고 있기 때문에 비행하는 조류가 접촉하는 사고도 우려됩니다. '버드 스트라이크(Bird Strike)'라 불리고 있으며 풍차의 하부에 다수의 조류 피해가 보고되고 있어 자연환경의 악화를 초래한다고 비난 받기도 합니다.

 

수직축형 풍력발전설비(사보니우스형)

가로등에 병설된 소형 풍차로 사보니우스형 (Savonius) 풍력 발전 설비도 널리 보급되고 있습니다. 구동부를 수직축으로 함으로써 풍향에 영향을 받지 않고 구동부를 회전시켜 발전할 수 있습니다. 만곡된 원통에 바람이 닿으면 한쪽은 바람을 보충하고 다른 한쪽은 바람을 흘리는 것으로 일방향의 회전 에너지가 생깁니다. 사보니우스 형 풍차는 바람 에너지의 항력을 전기 에너지로 변환합니다. 풍향의 제어가 불필요하기 때문에 어떤 방향으로부터의 바람도 안정된 발전을 할 수 있는 것이 이점으로 도심부 등 풍향이 바뀌기 쉬운 환경에 적합합니다.

 

사보니우스 풍차는 회전 속도가 느려 구동음이 거의 발생하지 않기 때문에 소음 발생이 우려되는 조건에서도 유리합니다. 이것도 도심부에서의 설치에 적합한 특성입니다. 그러나 발전 효율은 그다지 높지 않고 수십에서 수백 와트 정도밖에 발전할 수 없다는 단점이 있습니다.

 

1대당 출력이 작고 고출력을 바랄 수 없지만 미풍도 포착하여 회전하는 기동성의 장점, 어느 방향에서의 바람에도 회전하기 때문에 풍향 제어가 불필요하다는 점, 발전기가 지상 가까이에 있어 유지보수의 장점 등으로 친환경 제품 개발을 목적으로 가로등의 일부에 함께 설치되는 사례가 많은 제품입니다.

 

발전 효율이 좋지 않고 수십 와트(W) 밖에 발전하지 않기 때문에 사보니우스 풍차로 발전한 전력으로 모터 등을 운전시키는 것은 곤란합니다. 부하가 소형 조명만이라면 사보니우스 풍차에 의한 전력만으로 점등하는 것도 기대할 수 있지만 많은 제조사는 풍력 발전에만 의지하지 않고 태양광 패널을 병설하거나 축전지도 함께 설치하는 제품을 제공하고 있습니다. 풍력발전만으로는 며칠 바람이 불지 않는 날이 계속되면 발전할 수가 없어 가로등은 조명기구로서의 성능을 만족할 수 없기 때문입니다.

 

사보니우스형의 풍차를 적용하는 경우 발전 설비로서의 성능을 요구하는 것이 아니라 친환경 목적의 용도라고 생각하면 됩니다. 발전 효율을 중시하는 발전 설비로서의 성능을 요구한다면 사보니우스형이 아닌 프로펠러형의 풍차를 선정하는 것이 바람직합니다.

 

수직축형 풍력발전설비(다리우스형)

세로 방향으로 곡률을 갖고 날개가 바람을 보충하며 회전하는 풍차를 다리우스 풍차라고 부릅니다. 설치 비용이 적고 풍향에 관계없이 발전할 수 있기 때문에 풍향 제어 기구가 불필요합니다. 발전기가 지상에 설치되기 때문에 발전기가 고장난 경우 점검 및 수리가 용이하다는 운용상의 이점이 있습니다. 설치 비용이 저렴하고 강풍에서도 소음이 작다는 이점으로 도심부에서의 설치에도 적합합니다.

 

사보니우스 풍차보다 고효율이지만 프로펠러형 풍차보다 발전 효율이 낮다는 중간적인 발전 능력을 가지고 있습니다. 다리우스 풍차는 자력으로 회전 시동할 수 없기 때문에 다른 풍차를 이용하여 전력을 공급하거나 전력 회사로부터의 전력을 공급할 필요가 있습니다. 바람만으로 시동을 시작하지 않기 때문에 시동 장치가 필요하다는 단점이 있습니다. 장기간 소정의 풍속을 얻을 수 없으면 전력을 소비할 뿐이기 때문에 장기에 걸쳐 안정된 풍속을 얻을 수 있는 환경이 아니면 적용하기 어렵습니다.