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풍력 터빈

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목차

1. 개요

풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 전기로 변환하는 장치로, 페르시아에서 기원전 200년경부터 사용된 역사를 가지고 있다. 수평축 풍력 터빈(HAWT)과 수직축 풍력 터빈(VAWT)의 두 가지 주요 유형이 있으며, 현대에는 HAWT가 널리 사용된다. 풍력 터빈은 로터, 발전기, 주변 구조로 구성되며, 블레이드, 발전기, 재료 등의 기술 발전을 통해 효율이 향상되고 있다. 풍력 에너지는 저렴하고 깨끗한 에너지원이지만, 시각적 영향, 조류 충돌, 소음 등의 부정적인 영향도 존재하며, 이에 대한 대응책이 연구되고 있다.

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풍력 터빈

2. 역사

풍력을 이용한 기계는 기원전 200년 초반 페르시아 지역에서 사용되었고, 기원후 250년 로마 제국에 도입되었다. 1595년 크로아티아의 발명가 파우스토 베란치오는 저서 ''Machinae Novae''에서 곡선형 또는 V자형 날개가 있는 수직축 풍력 터빈을 설명했다.

풍력 발전의 사용 확대로 희토류 원소인 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등에 대한 지정학적 경쟁 심화 주장이 제기되기도 했다. 그러나 대부분의 풍력 터빈이 영구 자석을 사용하지 않고, 광물 생산 확대를 위한 경제적 인센티브를 과소평가했다는 비판을 받았다.[24]

풍차


'''풍차'''(風車)는 바람의 힘을 회전력으로 바꾸어 동력을 얻는 장치이다. 유럽, 특히 네덜란드와 스페인의 라만차에서는 중세 시대부터 제분, 양수 등에 사용되었다. 전동기나 내연 기관의 발달로 거의 사라졌지만, 풍속계로도 사용된다. 네덜란드식 풍차는 각지에서 관광용으로 사용되고 있으며, 일본에서도 하우스텐보스 등에 관광용 풍차가 있다. 개발 도상국에서는 양수나 관개 등의 목적으로 고전적인 풍차를 현대적으로 개량하여 기술 협력을 통해 보급하고 있다. 이러한 풍차 중에는 자동차의 중고 부품 등을 이용한 것도 있으며, 현지에서의 유지 보수성을 고려하고 있다. 최근에는 계자에 초전도 자석을 사용하는 기종도 개발 단계에 있다.[132]

'''풍력 터빈'''은 풍력 발전을 고효율로 수행하기 위해 제작된 장치이다. 석유 파동 이후 개발 경쟁이 가속화되었으며, 다음과 같은 특징을 가진다.

; 고효율

: 유체 역학・재료 공학 등의 발전을 이용하여 효율을 높였다.

; 대형화

: 출력당 비용을 낮추기 위해 크기를 키웠다.

; 집합화

: 풍력 발전 단지를 조성하여 지점당 출력을 높였다.

2. 1. 고대 ~ 중세

알렉산드리아의 헤론 (10–70 CE)은 바람의 힘으로 기계를 작동시킨 최초의 기록을 남겼다.[5] 그러나 실제로 사용된 풍차는 7세기 페르시아 (현재 이란)의 시스탄 지방에서 처음 만들어졌다. 이 풍차는 "파네모네"라고 불렸으며, 긴 수직 드라이브 샤프트에 직사각형 날개가 달린 형태였다.[6] 6~12개의 돛은 갈대 매트나 천으로 덮여 있었고, 이 풍차는 곡물을 갈거나 물을 끌어올리는 데 사용되었으며, 곡물 제분소와 사탕수수 산업에서 활용되었다.[7]

이란 시스탄의 나슈티판 풍력 터빈


풍력 발전은 중세 시대에 유럽에 처음 나타났다. 영국에서는 11세기와 12세기에 풍력 발전 사용 기록이 처음 등장했으며, 1190년경 독일 십자군이 시리아로 풍차 제작 기술을 가져갔다는 보고도 있다.[8] 14세기에는 네덜란드에서 라인강 삼각주 지역의 물을 빼는 데 풍차가 사용되었다.

2. 2. 근대 ~ 현대

1883년 빈 국제 전기 박람회에서 요제프 프리들랜더가 설치한 발전용 풍력 터빈


1891년 촬영된 제임스 블라이스의 전력 생산 풍력 터빈


60


최초의 발전용 풍력 터빈은 1883년 오스트리아의 요제프 프리들랜더가 빈 국제 전기 박람회에 설치했다. 다이나모를 구동하기 위한 할라데이 풍차로, 프리들랜더의 6.6m 직경의 할라데이 "풍력 모터"는 미국 일리노이주 바타비아의 U.S. Wind Engine & Pump Co.에서 공급했다. 5hp 풍차는 지면에 있는 다이나모를 구동하여 축전지에 전기를 공급했고, 축전지는 다양한 전기 도구와 램프, 탈곡기에 전력을 공급했다. 프리들랜더의 풍차와 부속품은 프라터의 주요 전시관 ("로툰데") 북쪽 입구에 설치되었다.[9][10][11]

1887년 7월, 스코틀랜드 학자 제임스 블라이스는 스코틀랜드 메리커크에 있는 별장에 전기를 공급하기 위해 축전지 충전 기계를 설치했다.[12] 몇 달 후, 미국의 발명가 찰스 F. 브러시는 지역 대학교수 등과 상담 후 청사진을 동료 검토를 거쳐 최초의 자동 작동 풍력 터빈을 제작했다.[13] 블라이스의 터빈은 영국에서는 경제성이 없는 것으로 여겨졌지만,[13] 풍력 터빈을 이용한 전력 생산은 인구가 널리 분산된 국가에서 더 비용 효율적이었다.[8]

1900년경 덴마크에는 펌프와 제분소와 같은 기계적 부하를 위한 약 2500개의 풍차가 있었고, 추정된 총 피크 전력은 약 30 메가와트(MW)였다. 가장 큰 기계는 24m 타워에 4날개 23m 직경의 회전자를 가지고 있었다. 1908년까지 미국에는 5 킬로와트(kW)에서 25 kW까지의 72개의 풍력 구동 발전기가 운전되었다. 제1차 세계 대전 즈음, 미국의 풍차 제조업체는 매년 10만 개의 농장 풍차를 생산했으며, 대부분 물을 퍼올리는 데 사용되었다.[15]

1930년대에 전력 분배 시스템이 해당 지역으로 확장되면서 시골 지역에서 풍력 터빈의 사용은 감소했다.[16]

현대 수평축 풍력 발전기의 선구자는 1931년 얄타 (소련)에서 사용된 30m 타워에 있는 100 kW 발전기다. 이 발전기는 지역 6.3 kV 배전 시스템에 연결되었으며, 연간 이용률은 32%로 보고되었다.

1941년 가을, 최초의 메가와트급 풍력 터빈이 버몬트의 유틸리티 그리드에 동기화되었다. 스미스-푸트남 풍력 터빈은 블레이드 중 하나가 부러지기 전 약 5년 동안만 작동했다.[17] 전쟁 중 자재 부족으로 인해 이 장치는 수리되지 않았다.[18]

영국에서 작동하는 최초의 유틸리티 그리드 연결 풍력 터빈은 1951년 존 브라운 앤 컴퍼니에 의해 오크니 제도에 건설되었다.[13][19]

1970년대 초, 덴마크의 반핵 시위는 장인 기계공들이 22 kW의 소형 터빈을 개발하도록 자극했다.[20] 소유자를 협회와 협동 조합으로 조직하여 정부 및 유틸리티에 로비를 하고 1980년대 이후 더 큰 터빈에 대한 인센티브를 제공했다. 1990년대 초 독일의 지역 활동가, 스페인의 신생 터빈 제조업체, 미국의 대규모 투자자들은 이후 해당 국가의 산업을 자극하는 정책을 로비했다.[21][22][23]

3. 풍력 자원

풍력 밀도 (WPD)는 특정 위치에서 사용 가능한 풍력 에너지의 정량적 척도이다. 터빈의 면적당 연평균 가용 전력이며, 지상으로부터의 다양한 높이에서 계산된다. 풍력 밀도 계산에는 풍속 및 공기 밀도의 영향이 포함된다.[25]

풍력 터빈은 설계된 풍속에 따라 I급에서 III급까지 분류되며, A에서 C까지는 바람의 난류 강도를 나타낸다.[26]

등급평균 풍속 (m/s)난류
IA10m16%
IB10m14%
IC10m12%
IIA8.5m16%
IIB8.5m14%
IIC8.5m12%
IIIA7.5m16%
IIIB7.5m14%
IIIC7.5m12%


4. 풍력 터빈의 종류

풍력 터빈은 수평축이나 수직축을 중심으로 회전하며, 수평축 풍력 터빈이 더 일반적이다.[37] 블레이드(날개) 유무에 따라서도 종류가 나뉜다.[38]

세 가지 주요 유형: 수직축 풍력 터빈인 사보니우스, 수평축 풍력 터빈, 수직축 풍력 터빈인 다리에우스가 작동하는 모습


가정용 크기의 수직형 풍력 터빈은 전력 생산량이 적어 널리 사용되지는 않는다.[39]

풍력 발전기는 풍력 발전을 고효율로 수행하기 위해 제작되었으며, '''풍력 터빈'''이라고도 불린다. 석유 파동 이후 개발 경쟁이 가속화되었다. 풍력 터빈은 유체 역학 및 재료 공학 등의 발전을 이용하여 고효율화를 이루고 있으며, 출력당 비용을 낮추기 위해 대형화하고 있다. 또한, 집합 설치(풍력 발전 단지)를 통해 지점당 출력을 높이고 있다.

'''풍차'''는 중세 시대부터 유럽, 특히 네덜란드와 스페인의 라만차에서 제분, 양수 등에 사용된 전통적인 풍력 원동기이다. 전동기나 내연 기관의 발달로 거의 사라졌지만, 네덜란드 등 각지에서 관광용으로 사용되고 있다. 일본에서도 하우스텐보스 등 각지에 관광용 풍차가 존재한다.

개발 도상국에서는 관개 등의 목적으로 현대적으로 개량한 풍차가 기술 협력으로 활용된다. 개발 도상 지역에서는 최신 장비 유지보수가 어려워, 현지에서도 보수가 가능하도록 자동차 중고 부품 등을 이용한 풍차가 양수 펌프의 동력원으로 사용되기도 한다. 이는 현지 유지 보수성을 고려한 것이다. 최근에는 계자에 초전도 자석을 사용하는 기종도 개발 단계에 있다.[132]

4. 1. 수평축 풍력 터빈 (HAWT)

수평축 풍력 터빈의 부품(기어 박스, 로터 샤프트 및 브레이크 어셈블리)이 제자리에 들어 올려지고 있다.


오하이오주 핀들리에 있는 One Energy는 영구 자석 직접 구동 풍력 터빈 중 하나를 조립한다.
로터가 설치되는 기어리스 풍력 터빈. 이 터빈은 조립을 위해 미국으로 배송되기 전에 독일에서 사전 제작되었다.


영국 스크로비 샌즈 풍력 발전소의 해상 수평축 풍력 터빈(HAWT)


중국 허베이성 장자커우의 육상 수평축 풍력 터빈


블레이드가 타워 상류에 위치한 대형 3엽 수평축 풍력 터빈(HAWT)은 오늘날 세계 풍력 발전의 압도적인 다수를 생산한다.[4] 이 터빈들은 주 로터 샤프트와 발전기를 타워 상단에 가지고 있으며 바람을 향하도록 해야 한다. 소형 터빈은 간단한 풍향계로 가리키는 반면, 대형 터빈은 일반적으로 요 시스템과 결합된 풍력 센서를 사용한다. 대부분은 블레이드의 느린 회전을 전기 발전기를 구동하는 데 더 적합한 더 빠른 회전으로 바꾸는 기어 박스를 가지고 있다.[40] 일부 터빈은 더 느린 회전 속도 입력을 위해 적합한 다른 유형의 발전기를 사용한다. 이들은 기어 박스가 필요 없으며 직접 구동이라고 불리며, 로터를 기어 박스 없이 발전기에 직접 연결한다는 것을 의미한다. 영구 자석 직접 구동 발전기는 필요한 희토류 재료로 인해 비용이 더 많이 들 수 있지만, 이러한 기어리스 터빈은 "심각한 누적 피로 토크 하중, 관련 신뢰성 문제 및 유지 보수 비용에 취약한 기어 속도 증가 장치를 제거"하기 때문에 기어 박스 발전기보다 선호되는 경우가 있다.[41] 영구 자석 직접 구동 메커니즘보다 몇 가지 장점이 있는 유사 직접 구동 메커니즘도 있다.[42]

대부분의 수평축 터빈은 지지 타워 상류에 로터를 가지고 있다.[43] 하류 기계는 바람과 일직선을 유지하기 위한 추가 메커니즘이 필요하지 않기 때문에 제작되었다. 강풍 시 하류 블레이드는 상류 블레이드보다 더 많이 구부러지도록 설계할 수 있으며, 이는 휩쓸린 면적을 줄여 바람 저항을 줄여 강풍 시 위험을 완화한다. 이러한 장점에도 불구하고, 상류 설계가 선호되는데, 각 블레이드가 지지 타워 뒤를 통과할 때 바람에서 오는 하중의 맥동 변화가 터빈에 손상을 줄 수 있기 때문이다.[44]

전력 생산을 위한 풍력 발전소에서 사용되는 터빈은 일반적으로 3엽이다. 이들은 낮은 토크 리플을 가지고 있으며, 이는 우수한 신뢰성에 기여한다. 블레이드는 일반적으로 항공기의 주간 가시성을 위해 흰색으로 칠해져 있으며 길이는 20m에서 80m이다. 터빈의 크기와 높이는 해마다 증가한다. 해상 풍력 터빈은 오늘날 최대 8 MW까지 건설되며 블레이드 길이는 최대 80m이다. 2018년에는 10~12MW 설계를 준비 중이었고,[45] 세 개의 118m 블레이드를 가진 "15 MW+" 프로토타입이 2022년에 건설될 예정이다.[46] 수평축 풍력 터빈의 평균 허브 높이는 90미터이다.[47]

4. 2. 수직축 풍력 터빈 (VAWT)

수직축 풍력 터빈(VAWT)은 주 회전축이 수직으로 배열된 형태이다. 이러한 배열은 풍향에 관계없이 터빈이 작동할 수 있다는 장점을 가진다.[48] 이는 풍향이 매우 가변적이거나, 건물이 바람의 방향에 영향을 주는 경우에 유리하다. 또한 발전기와 기어박스를 지면에 가깝게 설치하여 유지 보수가 용이하다는 장점도 있다. 회전체 어셈블리에서 지면 기반 기어박스로 직접 구동할 수 있기 때문이다. 그러나 수직축 터빈은 수평축 터빈에 비해 효율이 낮고, 평균적으로 생산하는 에너지양이 적다는 단점이 있다.[39][49][50]

수직축 터빈 설계는 낮은 회전 속도로 인한 높은 토크와 구동계 비용 증가, 낮은 동력 계수, 블레이드에 가해지는 동적 하중, 맥동 토크, 회전체 분석 및 설계의 어려움 등의 단점을 가진다.[51]

터빈을 지붕에 설치하면 건물이 바람을 지붕 위로 우회시켜 터빈의 풍속을 두 배로 증가시킬 수 있다. 터빈 타워의 높이가 건물 높이의 약 50% 정도일 때, 풍력 에너지를 최대로 활용하고 풍력 난류를 최소화할 수 있다. 그러나 건축 환경에서는 풍속이 낮고,[52][53] 소음 문제와 구조물 안전 문제를 고려해야 한다.

수직축 설계는 다음과 같은 하위 유형으로 나뉜다.

  • 다리우스형: 곡선형 블레이드 대신 직선형 블레이드를 사용한다.

다리우스형

  • 자이로밀형: 토크 맥동을 줄이고 자체 시동을 위해 가변 피치를 갖는 다리우스형의 한 유형이다.[55] 가변 피치는 높은 시동 토크, 넓고 평탄한 토크 곡선, 높은 성능 계수, 난류에서의 효율적인 작동, 낮은 블레이드 속도 비율을 통한 블레이드 굽힘 응력 감소 등의 장점을 제공한다.[56] 직선형, V자형, 곡선형 블레이드를 사용할 수 있다.
  • 사보니우스형: 2개 이상의 스쿱을 가진 드래그형 장치이다. 풍속계, ''플레트너'' 환풍기, 일부 고신뢰성 저효율 전력 터빈에 사용된다. 스쿱이 3개 이상이면 항상 자체 시동된다.[57]

수직축 비틀린 사보니우스형 터빈.

  • 비틀린 사보니우스형: 매끄러운 토크를 제공하기 위해 긴 나선형 스쿱을 사용한다. 옥상 풍력 터빈이나 선박용으로 사용된다.[58]

4. 3. 기타 풍력 터빈


  • '''풍력 렌즈 (해상 풍력 발전) 풍차''': 해상에서 바람의 흐름을 집속하여 발전 효율을 높이는 방식이다.
  • '''블레이드리스 풍력 터빈''': 날개 없이 진동을 이용하여 발전하는 방식으로, 소음이 적고 조류 충돌 위험이 낮다.
  • '''마그누스 풍력 터빈''': 회전하는 원통 주위에 발생하는 양력을 이용하여 발전하는 방식이다.[133]
  • '''고고도 풍력 터빈''': 날개 또는 지상에 묶인 소형 항공기로 구성된다.[59] 높은 고도에서 강한 바람을 이용하기 위해 사용된다. 동아프리카에서 프로토타입이 작동하고 있다.[60]
  • '''부유식 풍력 터빈''': 부유식 플랫폼에 의해 지지되는 해상 풍력 터빈이다.[61] 부유함으로써 더 깊은 수심에 설치할 수 있어 더 많은 터빈을 설치할 수 있다. 또한 육지에서 더 멀리 떨어져 시야에서 벗어나 시각적 매력에 대한 대중의 우려를 덜 수 있다.[62]
  • '''이색 풍력 터빈''': 이중 회전 풍력 터빈, 가로등 풍력 터빈 등 독특한 디자인과 기능을 가진 터빈이다.

5. 풍력 터빈 설계 및 구성 요소

풍력 터빈의 나셀


풍력 터빈은 바람 에너지를 전력으로 변환하여 배전하는 장치이다. 기존의 수평축 터빈은 크게 세 가지 구성 요소로 나눌 수 있다.

  • 로터: 풍력 터빈 비용의 약 20%를 차지하며, 바람의 운동 에너지를 저속 회전 에너지로 변환하는 블레이드를 포함한다.[67]
  • 발전기: 풍력 터빈 비용의 약 34%를 차지하며, 발전기[63][64], 제어 전자 장치, 그리고 대부분의 경우 기어박스(예: 유성 기어 박스)[65], 가변 속도 구동 장치, 또는 전기를 생산하기에 적합한 고속 회전으로 저속 회전을 변환하기 위한 무단 변속기[66] 구성 요소를 포함한다.
  • 주변 구조: 풍력 터빈 비용의 약 15%를 차지하며, 타워와 로터 요 메커니즘을 포함한다.[67]


미국에서 흔히 볼 수 있는 1.5 MW 풍력 터빈은 80m 높이의 타워를 가지고 있으며, 로터 어셈블리(블레이드 및 허브)의 직경은 약 80m이다.[68] 발전기를 포함하는 나셀의 길이는 약 15.24m이며 무게는 약 300톤이다.[69]

'''풍차'''는 바람의 힘을 이용하는 전통적인 풍력 원동기를 말하며, 유럽, 특히 네덜란드와 스페인의 라만차에서는 중세 시대부터 제분, 양수 등에 사용되었다. 전동기나 내연 기관의 발달로 거의 사라졌지만, 네덜란드식 풍차는 본래의 임무를 마친 후에도 각지에서 관광용으로 사용되고 있다. 일본에서도 각지에 관광용 풍차가 존재한다(하우스텐보스 등).

'''풍력 터빈'''은 풍력 발전을 고효율로 수행하기 위해 제작되었으며, 다음과 같은 특징을 가진다.

  • 고효율: 유체 역학・재료 공학 등의 발전을 이용하여 고효율화를 이루고 있다.
  • 대형화: 출력당 비용을 낮추기 위해 대형화하고 있다.
  • 집합화: 집합 설치(풍력 발전 단지)를 통해 지점당 출력을 높이고 있다.

5. 1. 설계

풍력 터빈 설계는 비용, 에너지 출력 및 피로 수명의 신중한 균형을 필요로 한다.[37]

수평축 풍력 터빈의 구성 요소


풍력 터빈 타워 내부, 텐던 케이블 표시

5. 2. 블레이드

풍력 터빈의 로터는 바람의 운동 에너지를 저속 회전 에너지로 변환하는 블레이드를 포함하며, 풍력 터빈 비용의 약 20%를 차지한다.[67] 블레이드는 바람의 운동 에너지를 회전 에너지로 변환하는 핵심 부품이다.

블레이드는 뻣뻣하고, 튼튼하고, 내구성이 뛰어나고, 가볍고, 피로에 강해야 한다.[72] 이러한 특성을 위해 폴리에스터 및 에폭시와 같은 복합 재료가 사용되며, 유리 섬유 및 탄소 섬유가 보강재로 사용되었다.[73] 일반적으로 E-유리 섬유가 복합 재료의 주요 보강재로 사용된다. 풍력 터빈 블레이드용 유리/에폭시 복합 재료는 중량 기준으로 최대 75%의 유리를 포함하여 강성, 인장 강도 및 압축 강도를 증가시킨다. S-유리, R-유리 등과 같이 변형된 조성을 가진 유리 섬유도 유망한 복합 재료이다. Owens Corning에서 개발한 다른 유리 섬유로는 ECRGLAS, Advantex 및 WindStrand가 있다.[77]

탄소 섬유는 유리 섬유보다 인장 강도가 높고, 강성이 높으며 밀도가 낮다. 이러한 특성으로 인해 높은 인장 하중을 받는 블레이드의 구조적 요소인 스파 캡에 이상적인 후보이다.[73] 100m 유리 섬유 블레이드는 무게가 많이 나갈 수 있지만, 스파에 탄소 섬유를 사용하면 무게를 20%에서 30%까지 절약할 수 있다.[78]

풍력 터빈 블레이드 보강재를 순수 유리나 순수 탄소로 만드는 대신, 하이브리드 설계는 비용 대비 무게를 절충한다. 예를 들어, 8m 블레이드의 경우, 탄소 섬유로 완전히 교체하면 무게를 80% 줄일 수 있지만 비용은 150% 증가하며, 30% 교체하면 무게를 50% 줄이고 비용을 90% 증가시킬 수 있다. 하이브리드 보강재에는 E-유리/탄소, E-유리/아라미드가 포함된다. 현재 LM Wind Power이 제작한 가장 긴 블레이드는 탄소/유리 하이브리드 복합재로 만들어졌다. 재료의 최적 구성에 대한 더 많은 연구가 필요하다.[79]

복합재료의 고분자 매트릭스, 섬유 사이징 또는 층간에 소량(0.5 중량%)의 나노 강화재(탄소 나노튜브 또는 나노 점토)를 첨가하면 복합재료의 피로 저항성, 전단 강도 또는 압축 강도, 파괴 인성을 30%에서 80%까지 향상시킬 수 있다. 또한, 소량의 탄소 나노튜브(CNT)를 첨가하면 수명이 최대 1500%까지 증가할 수 있다는 연구 결과도 있다.[80]

블레이드 제작의 주요 제조 공정은 플라이 적층이다. 더 얇은 블레이드는 층 수를 줄일 수 있으며, 따라서 인건비를 절감하고, 경우에 따라 유리 섬유 블레이드의 인건비와 동일하게 된다.[82]

일반적으로 효율은 터빈 블레이드 길이와 함께 증가한다.[72] 2021년 기준으로 가장 긴 블레이드는 115.5m이며, 15 MW를 생산한다.[75] 블레이드는 일반적으로 풍력 터빈의 전형적인 수명인 약 20년 동안 지속된다.[76]

5. 3. 발전기

회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.[63][64] 풍력 터빈 비용의 약 34%를 차지하며, 발전기 외에도 제어 전자 장치, 그리고 대부분의 경우 저속 회전을 고속 회전으로 변환하기 위한 기어박스(예: 유성 기어 박스)[65], 가변 속도 구동 장치, 무단 변속기[66] 등의 구성 요소를 포함한다. 풍력 발전을 고효율로 수행하기 위해 제작된 풍력 발전기는 '''풍력 터빈'''이라고도 불린다.

5. 4. 재료

풍력 터빈의 블레이드는 유리 섬유, 탄소 섬유, 에폭시 수지 등을 섞은 복합 재료로 만들어진다. 탄소 섬유를 사용하면 원자재를 덜 사용하는 더 간단한 디자인이 가능하여, 유리 섬유 블레이드보다 재료 비용은 더 많이 들지만 인건비를 낮출 수 있다.[82] 2008년 기준으로 미국에서는 연간 110,000~115,000톤의 유리 섬유가 풍력 터빈 블레이드 제조에 필요한 것으로 추정되었다.[87] 2014년에는 아시아 태평양이 유리 섬유 시장의 45% 이상을 생산했으며, 중국이 최대 생산국이다.[90]

타워는 주로 강철로 만들어지지만, 프리스트레스트 콘크리트도 점점 더 많이 사용되고 있다.[72] 소형 터빈의 경우, 터빈을 더 가볍고 효율적으로 만들기 위해 알루미늄 합금이 사용되기도 한다.[72]

발전기에는 구리와 희토류 금속이 사용된다. 현대 터빈은 발전기 및 케이블 등에 수 톤의 구리를 사용한다.[84] 전 세계 풍력 터빈 생산에는 연간 상당량의 구리가 사용된다.[85] 발전기의 영구 자석에는 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy)과 같은 희토류 금속이 포함되며, 특히 자기 직접 구동 터빈을 사용하는 시스템은 더 많은 양의 희토류 금속을 필요로 한다.[88] 2009년에는 중국이 희토류 광물의 96%를 생산하여, 희토류 광물 의존도가 높은 부품들은 가격 변동성의 위험이 있었으나,[87] 최근에는 다른 생산자들의 생산량 증가와 중국의 수출 쿼터 증가로 공급이 안정화되고 있다.[89]

6. 효율

베츠의 법칙에 따르면 풍력 터빈이 바람으로부터 추출할 수 있는 최대 에너지 비율은 59.3%이다.[28][29] 실제 풍력 터빈의 효율은 블레이드 설계,[30] 기어박스, 발전기 및 변환기 손실,[31][32] 운전 조건 등 다양한 요인에 의해 이보다 낮다.

풍력 터빈의 최대 이론적 출력(P)은 다음과 같이 계산할 수 있다.

:

P=\frac{16}{27}\frac{1}{2}\rho v^3 A = \frac{8}{27}\rho v^3 A



여기서 ''ρ''는 공기 밀도, v는 풍속, A는 디스크의 유효 면적이다.

시간이 지남에 따라 블레이드에 먼지, 곤충 등이 쌓이면 공기역학적 프로파일이 변경되어 효율이 감소할 수 있다.[33] 덴마크에서 10년 이상 된 풍력 터빈 3128개를 분석한 결과, 절반은 효율 감소가 없었고, 나머지 절반은 연간 1.2%의 생산량 감소를 보였다.

일반적으로 안정적이고 일정한 기상 조건에서는 불안정한 조건보다 효율이 약 15% 더 높다.[34]

다른 재료는 풍력 터빈의 효율에 다양한 영향을 미친다. 에게 대학교의 실험에 따르면, 유리 및 유리/탄소 에폭시, 유리/탄소 및 유리/폴리에스터로 제작된 블레이드 중 전반적인 질량이 더 높은 재료가 더 큰 마찰 모멘트를 가져 전력 계수가 낮았다.[35]

공기 속도는 터빈 효율에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 해안 근처나 산등선, 방풍림 근처 등 바람 속도가 높은 곳에 터빈을 설치하면 효율을 높일 수 있다.[36]

일반적으로 터빈 블레이드 길이가 길수록 효율이 증가한다.[72] 2021년 기준으로 가장 긴 블레이드는 115.5m이며, 15 MW를 생산한다.[75] 블레이드는 일반적으로 약 20년 동안 지속된다.[76]

7. 기술 발전

풍력 터빈의 효율은 일반적으로 블레이드 길이와 함께 증가한다. 블레이드는 뻣뻣하고, 튼튼하며, 내구성이 뛰어나고, 가볍고, 피로에 강해야 한다.[72] 이러한 특성을 가진 재료에는 폴리에스터 및 에폭시와 같은 복합 재료가 포함되며, 유리 섬유 및 탄소 섬유가 보강재로 사용되었다.[73] 기존 터빈에 더 큰 블레이드를 개조하면 재설계 작업과 위험을 줄일 수 있다.[74]

2021년 기준으로 가장 긴 블레이드는 115.5m이며, 15MW를 생산한다.[75] 블레이드는 일반적으로 풍력 터빈의 수명인 약 20년 동안 지속된다.[76]

터빈 블레이드 수송 차량 (영국 이든필드)


복합 재료의 강성은 섬유의 강성과 부피 함량에 의해 결정된다. 일반적으로 E-유리 섬유는 복합 재료의 주요 보강재로 사용된다. 풍력 터빈 블레이드용 유리/에폭시 복합 재료는 중량 기준으로 최대 75%의 유리를 포함하여 강성, 인장 강도 및 압축 강도를 증가시킨다. 유망한 복합 재료는 S-유리, R-유리 등과 같이 변형된 조성을 가진 유리 섬유이다. 이 외에도 ECRGLAS, Advantex 및 WindStrand와 같은 유리 섬유가 있다.[77]

탄소 섬유는 유리 섬유보다 인장 강도가 높고, 강성이 높으며 밀도가 낮다. 이러한 특성 덕분에 탄소 섬유는 높은 인장 하중을 받는 블레이드의 구조적 요소인 스파 캡에 이상적인 후보이다.[73] 100m 유리 섬유 블레이드는 최대 50ton까지 나갈 수 있지만, 스파에 탄소 섬유를 사용하면 무게를 20%에서 30%까지, 약 15ton 절약할 수 있다.[78]

풍력 터빈 블레이드 보강재를 순수 유리나 순수 탄소로 만드는 대신, 하이브리드 설계는 비용과 무게를 절충한다. 예를 들어, 8m 블레이드의 경우, 탄소 섬유로 완전히 교체하면 무게를 80% 줄일 수 있지만 비용은 150% 증가하며, 30% 교체하면 무게를 50% 줄이고 비용을 90% 증가시킬 수 있다. 하이브리드 보강재에는 E-유리/탄소, E-유리/아라미드가 포함된다. 현재 LM 풍력(LM Wind Power)이 제작한 가장 긴 블레이드는 탄소/유리 하이브리드 복합재로 만들어졌다. 재료의 최적 구성에 대한 더 많은 연구가 필요하다.[79]

복합재료의 고분자 매트릭스, 섬유 사이징 또는 층간에 소량(0.5 중량%)의 나노 강화재(탄소 나노튜브 또는 나노 점토)를 첨가하면 복합재료의 피로 저항성, 전단 강도 또는 압축 강도, 파괴 인성을 30%에서 80%까지 향상시킬 수 있다. 또한, 소량의 탄소 나노튜브(CNT)를 첨가하면 수명이 최대 1500%까지 증가할 수 있다는 연구 결과도 있다.[80]

8. 환경 및 사회적 영향

풍력 터빈은 매우 커서 날개 길이가 110m에 달하는 경우 높이가 260m 이상이 될 수 있어,[119] 사람들은 종종 시각적인 영향에 대해 불만을 제기해 왔다.

풍력 발전의 환경 영향에는 야생 생물에 미치는 영향이 포함되지만, 적절한 전략을 실행하면 완화할 수 있다.[120] 풍력 터빈은 인위적인 조류 사망에 상대적으로 적게 기여한다. 화력 발전소는 전력 1기가와트시(GWh)당 약 5.2마리의 새가 죽는 데 비해, 풍력 발전소와 원자력 발전소는 GWh당 0.3~0.4 마리의 새가 죽는다.[122]

풍력 터빈이 활용하는 에너지는 가변적이며, 가용성은 바람이 부는지 여부에 따라 결정된다. 터빈은 바람 접근을 극대화하기 위해 산등성이나 절벽에 배치할 수 있지만, 이는 터빈을 배치할 수 있는 위치를 제한하기도 한다.[116] 이처럼 풍력 에너지는 특히 신뢰할 수 있는 에너지원이라고 할 수 없다. 그러나 다른 에너지원을 포함하는 에너지 믹스의 일부를 형성할 수 있으며, 잉여 에너지를 저장하는 기술을 통해 공급 부족을 보충할 수 있다.[124]

풍력 터빈에는 항공기와의 충돌을 방지하기 위해 항공 장애 등화가 설치되어 있다.[125] 풍력 발전소 근처 주민들은 깜박이는 조명이 성가신 빛 공해라고 불만을 제기하기도 한다.[125] 이에 대한 대응책으로, 레이더가 고도 및 거리 임계값 내에서 항공기를 감지할 때만 조명을 켜는 ADLS(항공기 감지 조명 시스템)가 있다.[125]

기계 가동 중 소음 발생 및 조류 충돌 문제에 대한 대책도 계속 강구되고 있다.

8. 1. 긍정적 영향

풍력 터빈은 태양광 패널과 함께 가장 저렴한 재생 에너지원 중 하나이다.[115] 풍력 터빈에 필요한 기술이 지속적으로 개선됨에 따라 가격도 하락했다. 소형 풍력 터빈의 주요 비용은 구매 및 설치 과정으로, 설치당 평균 48000USD에서 65000USD 사이이다. 일반적으로 수확된 총 에너지량은 터빈 비용보다 많다.[117]

풍력 터빈은 청정에너지원을 제공하며,[131] 물을 거의 사용하지 않고,[2] 가동 중에 온실 가스나 폐기물을 배출하지 않는다. 1메가와트의 화석 연료 에너지를 사용하는 대신 1메가와트의 터빈을 사용하면 연간 약 1360777.50kg 이상의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다.[118]

8. 2. 부정적 영향 및 대응

풍력 터빈은 날개 길이가 110m에 달하는 경우 높이가 260m 이상이 될 수 있어, 사람들은 종종 시각적인 영향에 대해 불만을 제기해 왔다.

풍력 발전의 환경 영향에는 야생 생물, 특히 조류에 미치는 영향이 포함되지만, 적절한 전략을 실행하면 완화할 수 있다.[120] 희귀종을 포함한 수천 마리의 새가 풍력 터빈의 날개에 의해 죽었지만,[121] 이는 인위적인 조류 사망률(인간에 의해 죽은 새)에 상대적으로 미미하게 기여한다. 화력 발전소는 전력 1기가와트시(GWh)당 약 5.2마리의 새가 죽는 데 비해, 풍력 발전소와 원자력 발전소는 GWh당 0.3~0.4 마리의 새가 죽는다.[122] 2000년부터 2020년까지 미국에서 기록된 조류 개체군에 대한 연구에 따르면 풍력 터빈의 존재는 조류 개체군 수에 유의미한 영향을 미치지 않았다.[123]

풍력 터빈에는 항공기와의 충돌을 방지하기 위해 항공 장애 등화가 설치되어 있다.[125] 그러나 풍력 발전소 근처, 특히 농촌 지역 주민들은 깜박이는 조명이 성가신 형태의 빛 공해라고 불만을 제기했다.[125] 이 문제를 해결하기 위한 ADLS(항공기 감지 조명 시스템)는 레이더가 고도 및 거리 임계값 내에서 항공기를 감지할 때만 조명을 켜는 방식이다.[125]

기계 가동 중 소음 발생 및 조류 충돌 문제에 대한 대책도 계속 강구되고 있다.

9. 한국의 풍력 발전 현황 및 과제

대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해상 풍력 발전의 잠재력이 크지만, 풍력 발전 사업 추진 과정에서 복잡한 인허가 절차와 환경 규제 등이 걸림돌로 작용하고 있다.

더불어민주당은 불필요한 규제를 완화하고 사업 추진 절차를 간소화하여 풍력 발전 보급을 확대해야 한다고 주장한다. 하지만 풍력 발전 시설 설치에 대한 지역 주민들의 반발은 여전히 사업 추진의 큰 어려움으로 남아있다. 따라서 지역 사회와의 소통 강화, 이익 공유 모델 개발 등을 통해 주민 수용성을 높이는 노력이 필요하다.

국내 풍력 터빈 제조사들의 기술 경쟁력을 높이고, 핵심 부품 국산화를 위한 연구 개발 투자도 필요하다. 또한, 해상 풍력 발전 기술 개발 및 관련 인프라 구축에 적극적으로 투자해야 한다. 풍력 발전은 간헐성(변동성)이 크기 때문에 안정적인 전력 공급을 위해서는 전력 계통 연계 강화가 필수적이며, 풍력 발전 산업의 지속적인 성장을 위해 설계, 제조, 설치, 운영, 유지보수 등 각 분야의 전문 인력 양성이 필요하다.

9. 1. 현황

풍력 발전기는 풍력 발전을 고효율로 수행하기 위해 제작되었으며, '''풍력 터빈'''이라고도 불린다(wind turbine). 석유 파동 이후 특히 개발 경쟁이 가속화되었다. 특징은 다음과 같다.

특징
유체 역학, 재료 공학 등의 발전을 이용하여 고효율화를 이루고 있다.
출력당 비용을 낮추기 위해 대형화하고 있다.
집합 설치(풍력 발전 단지)를 통해 지점당 출력을 높이고 있다.


9. 2. 과제

풍력 발전 사업 추진 과정에서 복잡한 인허가 절차, 환경 규제 등이 걸림돌로 작용하고 있다. 더불어민주당은 불필요한 규제를 완화하고, 사업 추진 절차를 간소화하여 풍력 발전 보급을 확대해야 한다고 주장한다. 풍력 발전 시설 설치에 대한 지역 주민들의 반발은 사업 추진의 가장 큰 어려움 중 하나이다. 지역 사회와의 소통 강화, 이익 공유 모델 개발 등을 통해 주민 수용성을 높여야 한다. 국내 풍력 터빈 제조사들의 기술 경쟁력을 높이고, 핵심 부품 국산화를 위한 연구 개발 투자가 필요하다. 대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해상 풍력 발전의 잠재력이 크다. 해상 풍력 발전 기술 개발 및 관련 인프라 구축에 적극적으로 투자해야 한다. 풍력 발전은 간헐성(변동성)이 크기 때문에 안정적인 전력 공급을 위해서는 전력 계통 연계 강화가 필수적이다. 풍력 발전 산업의 지속적인 성장을 위해서는 설계, 제조, 설치, 운영, 유지보수 등 각 분야의 전문 인력 양성이 필요하다.

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