풍차
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1. 개요
풍차는 바람의 힘을 이용하여 동력을 얻는 장치이다. 역사는 기원전 36세기 이집트에서 관개용으로 사용된 기록이 있으며, 1세기 알렉산드리아의 헤론이 풍력 오르간을 설계하기도 했다. 10세기 페르시아에서 윈드밀(제분용 풍차)이 등장하여 유럽과 중국으로 전파되었고, 12세기에는 방위 제어 기구를 갖춘 수평축 풍차가 개발되었다. 네덜란드에서는 간척지 배수용으로 풍차가 널리 사용되었으며, 1887년에는 영국에서, 1888년에는 미국에서 풍력 발전을 시작했다. 풍차는 양력형과 항력형, 수평축과 수직축으로 분류되며, 돛, 기계 장치, 기어를 통해 다양한 용도로 사용되었다. 현재는 풍력 터빈으로 발전하여 전기를 생산하며, 풍력 펌프를 통해 물을 퍼올리는 데 사용되기도 한다. 네덜란드의 킨더다이크, 스페인의 콩수에그라 등 풍차는 관광 자원으로서도 가치를 지닌다.
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| 풍차 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 기계 |
| 에너지원 | 바람 |
| 용도 | |
| 전통적 용도 | 곡물 제분 양수 제재 |
| 현대적 용도 | 발전기 제분 |
| 설명 | |
| 작동 원리 | 바람의 힘을 이용하여 회전 운동을 생성하고, 이를 통해 다양한 작업을 수행하는 기계 |
| 특징 | 풍력을 이용하여 움직임 다양한 크기와 형태로 존재 과거부터 현재까지 다양하게 사용 |
| 역사 | |
| 기원 | 고대 페르시아 |
| 유럽 보급 | 중세 시대 |
| 주요 국가 | 네덜란드 영국 스페인 프랑스 |
| 구조 | |
| 주요 부품 | 날개 (로터) 축 기어 박스 브레이크 |
| 참고 | |
| 관련 링크 | 메리엄-웹스터 사전 - 풍차 암스테르담 – 북쪽의 베네치아 수제 빵을 만드는 네덜란드 풍차 |
2. 역사
풍차의 기원은 명확하지 않지만, 기원전 36세기경 이집트에서 관개용으로 사용되었다는 기록이 있다.[65] 1세기 초 알렉산드리아의 헤론은 바람을 동력으로 오르간을 작동시키는 아네모리온을 설계했다.
제분용 풍차는 페르시아에서 탄생했다. 10세기경 중앙아시아의 시스탄(이란과 아프가니스탄 국경 지역)에서 건조된 것이 가장 오래되었다. 이후 십자군과 몽골 제국의 원정을 통해 유럽과 중국으로 전파되었다.[66]
초기 풍차는 방위 제어 기구가 필요 없는 수직축 풍차였다. 12세기 말, 북서 유럽에서 방위 제어 기구를 갖춘 수평축 풍차가 나타났는데, 이는 이슬람의 수직축 풍차와는 별개로 발명되었다는 설도 있다. 유럽에서 풍차가 그림에 등장하는 것은 14세기 이후부터이다.[65]
15세기 네덜란드에서는 간척지 배수용으로 풍차가 많이 사용되었다. 이들은 증기기관을 거쳐 전동 펌프로 대체되었으며, 현재는 관광 자원으로 활용되거나 일부는 「킨더다이크-엘스하우트의 풍차군」으로 세계유산에 등록되어 배수용으로 쓰이고 있다.
1887년 영국의 J. 브라이스(J. Bryce)는 처음으로 풍력 발전을 통해 축전지에 전기를 저장했다. 1888년 미국에서는 찰스 프랜시스 브러시가 지름 17m의 다익형 풍차로 발전을 했다.[67]
일본에서도 메이지 시대 초기부터 해군 기술사이자 쇼난 전기 연구회 회장이었던 본오카 규주(本岡玉樹)에 의해 풍력 발전 연구가 진행되었다. 처음에는 외국인 거류자에 의해 도입된 것이 확인되었다.[68] 1900년대 초부터 1950년대까지 일본 각지에서 농업용 양수 및 관개 목적으로 풍차가 사용되었다.
| 지역 | 사용 시기 | 용도 | 수량 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 나가노현 스와호 남쪽 | 1905년경~1940년대 전반 | 이탄층 지하수 양수 | 3000대 이상 | 전후 일시적 사용[68] |
| 아이치현 치타반도 히가시우라정 | 1921년~1940년경 | 농업용 양수 | 100~200대 | [68] |
| 아이치현 아쓰미반도 이라코곶 부근 | 1924년경~1935년경 | 농업용 양수 | 200대 | [68] |
| 이바라키현 쓰쿠바시 부근 사쿠라가와 유역 | 1928~29년경~1955년경 | 농업용 양수 | 1000대 이상 | [68] |
| 지바현 보소반도 다테야마시 부근 | 1933년경~1950년대 전반 | 농업용 양수 | 100~120대 | [68] |
| 오사카부 사카이시[69] | 1928년~1950년대 전반 | 논밭 관개 | 385대 | 이시즈가와 연안 250대, 야마토가와 하구 25대, 상류 100대[68] |
2. 1. 선구자
1세기 아이깁투스(로마령 이집트)에서 활동했던 과학자 헤론은 기계에 동력을 공급하기 위해 바람으로 움직이는 바퀴를 묘사했다.[6] 하지만 헤론이 묘사한 풍력 오르간은 실제로 쓰였는지 불분명하며, 단지 설계나 장난감에 불과했다는 설도 있다.[9] 텍스트에 모호한 부분이 있고 설계에도 문제가 있기 때문이다.[9]풍력 휠의 또 다른 초기 사례는 기도차로, 티베트와 중국에서 처음 사용된 것으로 여겨지지만, 처음 등장한 시기는 불확실하다. 기원후 400년경, 7세기,[10] 또는 9세기 이후일 수 있다.[9]
가장 초기의 기록된 작동 풍차 설계 중 하나는 기원후 700~900년경 대이란에서 발명되었다.[11][12] 이 설계는 수직형 경량 목재 돛을 수평 지지대로 중앙 수직축에 부착한 파네모네(panemone)였다. 처음에는 물을 퍼내는 데 사용되었고, 그 후에는 곡물을 갈아내는 용도로 개조되었다.[13][14]
2. 2. 수평축 풍차
최초의 실용적인 풍차는 파네모네 풍차였으며, 수직축을 중심으로 수평면에서 회전하는 날개를 사용했다. 갈대 매트나 천으로 덮인 6~12개의 날개로 만들어진 이 풍차는 곡물을 갈거나 물을 퍼올리는 데 사용되었다.[15] 중세 기록에 따르면, 칼리프 우마르 이븐 압드 알-아지즈(634~644년 재위) 시대에 페르시아와 중동에서 풍차 기술이 사용되었다고 한다.[16] 그러나 칼리프 우마르가 관련된 일화의 일부 진위 여부는 10세기에 기록되었다는 점 때문에 의문시된다.[17] 페르시아 지리학자 이스타크리는 이미 9세기에 코라산(이란 동부와 아프가니스탄 서부)에서 풍차가 운영되고 있었다고 보고했다.[18][60]
이러한 풍차는 중동과 중앙아시아 전역에 널리 사용되었고, 그 후 유럽, 중국, 인도로 퍼져나갔다.[19] 11세기까지 수직축 풍차는 이베리아 반도(알-안달루스를 통해)와 에게해(발칸반도)를 포함한 남유럽 일부 지역에 전파되었다.[20] 13세기 중국(북쪽의 금나라)에서는 엘뤼 추차이가 1219년 투르키스탄 여행을 통해 도입한 관개용 직사각형 날개를 가진 유사한 수평축 풍차를 찾아볼 수 있다.[21]
유럽에서는 18세기와 19세기에 소수의 수직축 풍차가 건설되었다.[15] 예를 들어 런던 배터시의 파울러 밀과 켄트주 마게이트의 후퍼 밀이 있다. 이러한 근대 초기의 사례는 중세 시대의 수직축 풍차의 직접적인 영향을 받은 것이 아니라 18세기 기술자들의 독립적인 발명으로 보인다.[22]
2. 3. 수직축 풍차
수평축 풍차(또는 수직축 풍차)는 날개의 회전면에 따라 이름이 붙여졌는데, 12세기에 북서부 유럽, 특히 북부 프랑스, 잉글랜드 동부, 플랑드르 지역에서 개발되었다.[23] 이러한 풍차가 이전 세기에 페르시아-중동에서 남유럽으로 전파된 수평축 풍차의 영향을 받았는지는 불분명하다.[24][25]
북유럽에서 가장 오래된 풍차(수직형으로 추정됨)에 대한 확실한 기록은 1185년 요크셔의 위들리(Weedley)라는 옛 마을에서 발견된다. 이 마을은 월즈의 남쪽 끝에 위치하여 험버 강 하구를 내려다보고 있었다.[26] 이보다 이전 시기이지만 날짜가 불확실한 12세기 유럽의 풍차 관련 자료들도 여러 건 발견되었다.[27] 이 초기 풍차들은 곡물을 갈아 가루로 만드는 데 사용되었다.[28]
2. 3. 1. 포스트 밀
초기 유럽 풍차는 포스트 밀(Post mill) 형태였는데, 이는 풍차의 주요 구조물("몸체" 또는 "벅")이 큰 수직 기둥 위에 설치되어 균형을 이루는 방식이었다. 이러한 구조 덕분에 풍차는 바람 방향을 향하도록 몸체를 회전시킬 수 있었으며, 이는 바람 방향이 변화무쌍한 북서유럽에서 풍차가 경제적으로 운영되기 위해 필수적이었다.[29] 몸체에는 모든 분쇄 기계류가 들어 있었다. 최초의 포스트 밀은 기둥을 땅에 묻어 지지하는 매몰형이었다. 이후 트러슬이라 불리는 목재 지지대가 개발되었다. 트러슬은 날씨로부터 보호하고 저장 공간을 제공하기 위해 둥근 집으로 덮거나 둘러싸는 경우가 많았다. 이러한 유형의 풍차는 19세기까지 유럽에서 가장 흔했지만, 이후 더 강력한 타워 및 스목 풍차에 의해 대체되었다.[29]2. 3. 2. 중공형 풍차
중공형 풍차는 풍차의 몸체가 장착되는 중심 기둥이 속이 비어 있어 구동축을 수용하는 구조이다.[30] 이 덕분에 풍차 몸체를 바람 방향으로 돌리는 동시에 몸체 아래 또는 외부에서 기계 장치를 작동시킬 수 있다. 네덜란드에서는 15세기 초부터 중공형 풍차에 스쿠프 휠을 연결하여 습지를 배수하는 데 사용했다.[31]2. 3. 3. 탑형 풍차
13세기 말, 몸체 전체가 아닌 상부만 회전하는 석조 탑형 풍차가 등장했습니다. 탑형 풍차는 더 크고 안정적인 동력원을 제공했지만, 건설 비용이 더 많이 들었습니다. 포스트 밀(post mill)과 달리 탑형 풍차는 상부만 바람 방향으로 돌리면 되므로 주 구조물을 훨씬 높게 만들 수 있었습니다. 이를 통해 풍차 날개를 더 길게 만들 수 있었고, 바람이 약하게 불 때도 유용한 일을 할 수 있었습니다. 상부는 풍차 내부의 윈치나 기어 또는 풍차 외부의 테일 폴(tail pole)에 있는 윈치를 사용하여 바람 방향으로 돌릴 수 있었습니다. 상부와 풍차 날개를 자동으로 바람 방향으로 유지하는 방법으로는 풍차 날개에 직각으로 장착된 작은 풍차인 꼬리날개를 사용하는 것이었습니다. 꼬리날개는 포스트 밀의 테일 폴에도 장착되며, 영국과 영국 제국의 전 영어권 국가, 덴마크, 독일에서는 일반적이지만 다른 지역에서는 드물었습니다. 지중해 일부 지역에서는 바람 방향이 대부분 변화가 거의 없기 때문에 고정된 상부를 가진 탑형 풍차가 건설되었습니다.
2. 3. 4. 스모크 밀
스모크 밀은 탑형 풍차의 발전된 형태로, 석조 탑 대신 "스모크"라고 불리는 목재 골조를 사용한 것이다. 스모크는 짚, 판자, 슬레이트, 금속판, 타르 페이퍼와 같은 다양한 자재로 지붕을 덮는다. 스모크는 일반적으로 팔각형 평면도를 가지지만, 다른 변의 수를 가진 예도 있다.
스모크 풍차는 건설 비용이 많이 들고 습한 지면에는 세울 수 없는 탑형 풍차의 한계를 극복하기 위해 17세기에 네덜란드인에 의해 도입되었다. 스모크 풍차의 아래쪽 절반은 벽돌로 만들어졌고, 위쪽 절반은 경사진 탑 모양으로 구조적 강도를 더한 목재로 만들어졌다. 이러한 설계 덕분에 가볍고 불안정한 지면에도 세울 수 있었다.
스모크 풍차 설계에는 주 풍차가 바람 방향을 향하는 데 도움이 되는 작은 터빈이 뒤쪽에 포함되어 있다.[32]
2. 4. 일본의 풍차
일본에서도 메이지 시대 초기부터 해군 기술사이자 쇼난 전기 연구회 회장이었던 본오카 규주(本岡玉樹)에 의해 풍력 발전 연구가 진행되었다. 처음에는 외국인 거류자에 의해 도입된 것이 확인되었다.[68]1900년대 초부터 1950년대까지 일본 각지에서 농업용 양수 및 관개 목적으로 풍차가 사용되었다.
| 지역 | 사용 시기 | 용도 | 수량 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 나가노현 스와호 남쪽 | 1905년경~1940년대 전반 | 이탄층 지하수 양수 | 3000대 이상 | 전후 일시적 사용[68] |
| 아이치현 치타반도 히가시우라정 | 1921년~1940년경 | 농업용 양수 | 100~200대 | [68] |
| 아이치현 아쓰미반도 이라코곶 부근 | 1924년경~1935년경 | 농업용 양수 | 200대 | [68] |
| 이바라키현 쓰쿠바시 부근 사쿠라가와 유역 | 1928~29년경~1955년경 | 농업용 양수 | 1000대 이상 | [68] |
| 지바현 보소반도 다테야마시 부근 | 1933년경~1950년대 전반 | 농업용 양수 | 100~120대 | [68] |
| 오사카부 사카이시[69] | 1928년~1950년대 전반 | 논밭 관개 | 385대 | 이시즈가와 연안 250대, 야마토가와 하구 25대, 상류 100대[68] |
풍차는 날개(돛)가 바람으로부터 힘을 얻는 방식과 회전축의 방향에 따라 분류할 수 있다. 바람으로부터 힘을 얻는 방식에 따라 양력을 이용하는 양력형 풍차와 항력을 이용하는 항력형 풍차로 나뉜다. 회전축의 방향에 따라서는 수평축 풍차와 수직축 풍차로 나뉜다.
3. 분류
양력형 항력형 수평축 프로펠러 풍차 / 리본형 풍차 세일윙 풍차 / 네덜란드식 풍차 / 다익형 풍차 / 카자구루마형 풍차 수직축 다리우스 풍차[2] / 자이로밀 풍차[3] 사보니우스 풍차 / 크로스플로우 풍차 / S형 풍차 / 패들 풍차(풍배)
3. 1. 양력형 풍차와 항력형 풍차
풍력 터빈의 날개(돛)는 양력형 풍력 터빈의 경우 비행기 날개와, 항력형 풍력 터빈의 경우 범선의 돛과 각각 기본 원리가 같다. 양력형 풍력 터빈은 고회전·저토크, 항력형 풍력 터빈은 저회전·고토크이다. 단, 날개(돛)의 개수를 줄이면 고회전·저토크가 되고, 늘리면 저회전·고토크가 된다.
3. 2. 수평축 풍차와 수직축 풍차
수평축 풍차는 회전축이 풍향에 대해 평행한 풍차이다. 변화하는 풍향에 대해 평행을 유지해야 하므로, 방위 제어 장치가 필요하다. 소형 풍차에서는 방향타 등으로 수동적으로 제어하지만, 대형 풍차에서는 동력을 사용하여 능동적으로 제어하기도 한다. 수평축 풍차를 사용한 풍력계는 방위 제어 장치를 이용하여 풍향도 동시에 측정할 수 있다.[1]
수직축 풍차는 회전축이 풍향에 대해 수직인 풍차이다. Vertical-axis wind turbine|수직축 풍차영어는 일반적으로 회전축이 지면에 대해 수직이 되도록 설치한다. 그러면 항상 회전축에 대해 직각으로 바람이 불기 때문에 방향 제어가 필요 없다.[1]
4. 구조
풍차는 돛, 풍차축, 브레이크 휠, 기어 등의 기계 장치로 구성된다.
돛은 풍차 날개의 일부분으로, 바람의 힘을 받아 회전 운동을 일으킨다. 일반적인 풍차 날개는 돛 천을 펼칠 격자 구조로 이루어져 있으며, 제분사는 바람의 세기와 필요한 동력에 따라 펼쳐지는 천의 양을 조절할 수 있었다. 중세 풍차에서는 사다리 모양의 날개 배열에 돛 천을 감았다 풀었다 하였고, 후대의 풍차 날개는 돛 천을 펼칠 격자 구조를 가지게 되었다. 추운 지방에서는 돛 천 대신 나무 판자를 사용하기도 했다.[37] 지중해 지역에서는 돛대 주위에 감긴 간단한 삼각형 천으로 이루어진 지브 세일(jib sail)이 흔히 사용되었다.[33]
18세기 후반과 19세기 영국에서는 바람의 속도에 따라 자동으로 조절되는 날개가 발명되었는데, 1807년 윌리엄 쿠빗이 발명한 특허 날개가 대표적이다. 프랑스에서는 피에르-테오필 베르통이 풍차가 돌아가는 동안 날개를 열 수 있게 해주는 메커니즘을 발명하였다. 20세기에 항공기 개발을 통한 공기역학 지식의 증가는 독일의 엔지니어 빌라우와 여러 네덜란드 풍차 기술자들에 의해 효율성을 더욱 향상시키는 데 기여하였다.
대부분의 풍차는 네 개의 날개를 가지고 있지만, 다섯, 여섯 또는 여덟 개의 날개를 가진 다날개 풍차도 존재한다. 짝수 개의 날개를 가진 풍차는 손상된 날개 하나와 그 반대쪽 날개를 제거하여 풍차의 균형을 깨뜨리지 않고 작동할 수 있다는 장점이 있다.[34]
네덜란드에서는 풍차 날개의 정지 위치를 신호로 사용하기도 한다. 날개가 "+"자 형태로 멈춰 있으면 영업 중임을, "X"자 형태로 멈춰 있으면 작동하지 않음을 나타낸다. 날개를 기울여 기쁨이나 애도를 표현하기도 한다. 제2차 세계 대전 중에는 나치의 유대인 수색 작전에 대한 경고 신호로 사용되기도 했다.[35]
풍차 내부의 기어는 돛의 회전 운동으로부터 기계 장치로 동력을 전달한다. 돛은 수평 풍차축에 장착되며, 풍차축은 목재, 주철 축단이 있는 목재, 또는 주철로 만들어질 수 있다. 브레이크 휠은 풍차축에 장착되어 테두리 바깥쪽에 브레이크가 있고, 테두리 측면에는 수직 기둥형 축의 윗부분에 있는 왈로워(wallower)를 구동하는 이빨이 있다. 곡물 제분소에서는 기둥형 축 아래쪽에 있는 큰 스퍼 기어가 각 맷돌을 구동하는 축에 있는 맷돌 축을 구동한다. 포스트 밀(post mill)의 경우 스퍼 기어 배열 대신 머리 휠이나 꼬리 휠이 맷돌 축을 직접 구동하기도 한다.
풍차는 곡물 제분 외에도 배수, 제재소, 제지 공장, 탈곡 등 다양한 용도로 사용되었다.[36]
4. 1. 돛
일반적인 풍차 날개는 돛 천을 펼칠 격자 구조로 이루어져 있다. 제분사는 바람의 세기와 필요한 동력에 따라 펼쳐지는 천의 양을 조절할 수 있다. 중세 풍차에서는 사다리 모양의 날개 배열에 돛 천을 감았다 풀었다 하였다. 후대의 풍차 날개는 돛 천을 펼칠 격자 구조를 가지게 되었고, 추운 지방에서는 돛 천 대신 나무 판자를 사용하여 동절기에 취급이 용이하게 하였다.[37] 지브 세일(jib sail)은 지중해 지역에서 흔히 볼 수 있는 것으로, 돛대 주위에 감긴 간단한 삼각형의 천으로 이루어져 있다.[33]모든 경우에 풍차 날개를 조절하려면 풍차를 멈춰야 한다. 18세기 후반과 19세기 영국에서의 발명은 제분사의 개입 없이 바람의 속도에 따라 자동으로 조절되는 날개로 이어졌고, 1807년 윌리엄 쿠빗이 발명한 특허 날개가 그 정점을 이룬다. 이 날개에서는 천 대신 연결된 셔터 메커니즘을 사용한다.
프랑스에서는 피에르-테오필 베르통이 제분사가 풍차가 돌아가는 동안 날개를 열 수 있게 해주는 메커니즘으로 연결된 세로 방향의 나무 판자로 구성된 시스템을 발명하였다. 20세기에 항공기 개발을 통한 공기역학에 대한 지식의 증가는 독일의 엔지니어 빌라우와 여러 네덜란드 풍차 기술자들에 의해 효율성을 더욱 향상시키는 데 기여하였다.
대부분의 풍차는 네 개의 날개를 가지고 있다. 다섯, 여섯 또는 여덟 개의 날개를 가진 다날개 풍차는 영국(린컨셔와 요크셔 카운티 주변 지역 특히), 독일, 그리고 드물게 다른 지역에서 건설되었다. 초기 다날개 풍차는 스페인, 포르투갈, 그리스, 루마니아, 불가리아, 러시아 일부 지역에서 발견된다.[34] 짝수 개의 날개를 가진 풍차는 손상된 날개 하나와 그 반대쪽 날개를 제거하여 풍차의 균형을 깨뜨리지 않고 작동할 수 있다는 장점이 있다.
네덜란드에서는 풍차가 작동하지 않을 때의 날개의 정지 위치, 즉 날개의 위치를 오랫동안 신호로 사용해 왔다. 날개가 "+"자(3-6-9-12시 방향)로 멈춰 있으면 풍차는 영업 중임을 나타낸다. 날개가 "X"자 형태로 멈춰 있으면 풍차는 문을 닫았거나 작동하지 않음을 나타낸다. 날개를 약간 기울이면(윗날개가 1시 방향) 건강한 아기의 출생과 같은 기쁨을 나타낸다. 날개를 11-2-5-8시 방향으로 기울이면 애도 또는 경고를 나타낸다. 제2차 세계 대전 중 나치의 유대인 수색 작전과 같은 지역 검색 중에 지역에 신호를 보내는 데 사용되었다. 네덜란드 전역에서 2014년 말레이시아 항공 17편 격추 사건의 네덜란드 희생자들을 추모하기 위해 풍차를 애도하는 자세로 설치하였다.[35]
풍차 날개가 멈춘 위치를 통해 풍차를 관리하는 가족의 상황을 알리는 경우가 있다. 하지만 이러한 날개의 위치가 의미하는 내용은 지역에 따라 다르며 통일되어 있지 않다.
4. 2. 기계 장치
풍차 내부의 기어는 돛의 회전 운동으로부터 기계 장치로 동력을 전달한다. 돛은 수평 풍차축에 장착된다. 풍차축은 전적으로 목재로 만들어지거나, 주철 축단(돛이 장착되는 부분)이 있는 목재로 만들어지거나, 또는 전적으로 주철로 만들어질 수 있다. 브레이크 휠은 앞뒤 베어링 사이의 풍차축에 장착된다. 브레이크 휠은 테두리 바깥쪽에 브레이크가 있고, 테두리 측면에는 수직으로 된 기둥형 축의 윗부분에 있는 왈로워(wallower)라고 불리는 수평 기어 휠을 구동하는 이빨이 있다. 곡물 제분소에서는 기둥형 축 아래쪽에 있는 큰 스퍼 기어가 각 맷돌을 구동하는 축에 있는 하나 이상의 맷돌 축을 구동한다. 포스트 밀(post mill)의 경우 스퍼 기어 배열 대신에 머리 휠이나 꼬리 휠이 맷돌 축을 직접 구동하는 경우가 있다. 추가 기어 휠은 자루 호이스트나 다른 기계를 구동한다.풍차가 곡물 제분 이외의 용도로 사용되는 경우 기계는 다르게 작동한다. 배수용 풍차는 기둥형 축 아래쪽에 있는 다른 기어 휠 세트를 사용하여 스쿠프 휠이나 아르키메데스 나사를 구동한다. 제재소는 크랭크축을 사용하여 톱에 왕복 운동을 제공한다. 풍차는 제지 공장, 탈곡 공장을 포함한 다른 많은 산업 공정과 석유 종자, 양모, 페인트, 석재 제품 가공에도 사용되어 왔다.[36]
5. 확산과 쇠퇴
14세기에 풍차는 유럽에서 인기를 얻었으며, 1850년경에는 약 20만 기의 풍차가 사용되었다.[37] 풍차는 물이 부족하거나, 겨울에 강이 얼어붙는 지역, 그리고 강의 흐름이 너무 느려 필요한 동력을 제공할 수 없는 평평한 지역에서 사용되었다.[37] 산업혁명 이후 증기기관과 내연기관의 등장으로 풍차의 중요성은 감소했지만, 19세기 후반까지도 많은 풍차가 건설되었다.[38] 오늘날에는 많은 풍차가 역사적 가치를 위해 보존되고 있다.[38]
1850년경 네덜란드에서 사용 중이던 1만 기의 풍차 중[39] 약 1,000기가 아직 남아 있다. 자안 지구는 18세기 말까지 약 600기의 풍력으로 작동하는 산업체가 있었던 세계 최초의 산업화 지역이라고 알려져 있다.[39]
17세기에 풍차 건설이 케이프 식민지로 확산되었다. 초기 탑형 풍차는 케이프 반도의 강풍을 견디지 못했기 때문에, 1717년 헤렌 17(Heeren XVII)은 내구성 있는 풍차를 건설하기 위해 목수, 석공 및 자재를 보냈다. 1718년에 완공된 이 풍차는 '오우데 몰렌(Oude Molen)'으로 알려지게 되었고, 피넬랜즈 역(Pinelands Station)과 블랙 강(Black River) 사이에 위치해 있었다. 오래전에 철거되었지만, 그 이름은 피넬랜즈의 기술학교 이름으로 남아 있다. 1863년까지 케이프타운(Cape Town)에는 파르덴 아일랜드(Paarden Eiland)에서 모브레이까지 11기의 풍차가 늘어서 있었다.[40]
6. 특수 풍차
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6. 1. 풍력 터빈
풍력 터빈은 전기를 생산하기 위해 특별히 개발된 풍차와 유사한 구조물이다.
최초의 풍력 터빈은 19세기 말 제임스 블라이스가 스코틀랜드에서,[41] 찰스 F. 브러시가 오하이오주 클리블랜드에서,[42][43] 폴 라 쿠르가 덴마크에서(1890년대) 건설했다. 라 쿠르의 1896년 풍차는 나중에 아스코브 마을의 지역 전력이 되었다. 1908년까지 덴마크에는 5~25kW급의 풍력 발전기가 72대 있었다. 1930년대까지 미국에서는 농장에서 풍차를 널리 사용하여 전기를 생산했으며, 제이콥스 윈드, 윈차저(Wincharger), 밀러 에어라이트(Miller Airlite), 유니버설 에어로일렉트릭(Universal Aeroelectric), 파리스-던(Paris-Dunn), 에어라인(Airline), 윈파워(Winpower)와 같은 회사들이 풍력 터빈을 제작했다.
현대식 수평축 대규모 풍력 발전기의 선구자는 1931년부터 1942년까지 소비에트 사회주의 공화국 연방 발라클라바에서 운영되었던 WIME-3D(높이 30m 탑에 설치된 100kW 발전기),[44] 1941년 미국 버몬트주 캐슬턴의 그랜파스 노브(Grandpa's Knob) 산에 건설된 1.25MW급 스미스-퍼트넘 풍력 터빈,[45] 그리고 1974년부터 1980년대 중반까지 개발된 NASA 풍력 터빈이었다. 현대 풍력 산업은 1979년 덴마크 제조업체인 쿠리안트(Kuriant), 베스타스(Vestas), NEG 마이콘(Nordtank)(NEG Micon), 지멘스(Bonus)(Siemens)가 풍력 터빈을 대량 생산하면서 시작되었다. 이 초기 터빈은 각각 20~30kW의 용량을 가졌다. 그 이후로 상업용 터빈의 크기가 크게 증가하여 최대 7MW를 생산할 수 있는 에너콘 E-126이 등장했다.
21세기 초, 에너지 안보, 지구 온난화, 화석 연료 고갈에 대한 우려가 증가하면서 재생 에너지에 대한 관심이 확대되었다. 전 세계적으로 수천 개의 풍력 터빈이 운영되고 있으며, 2018년 현재 총 명판 용량은 591GW이다.[46]
6. 1. 1. 재료
풍력 터빈의 효율을 높이고 에너지 생산량을 증가시키기 위해 더 크고 높은 타워와 더 긴 블레이드를 가진 풍력 터빈이 건설되고 있으며, 해상에 점점 더 많이 설치되고 있다.[47][48] 이러한 변화는 출력을 증가시키지만, 풍차 구성 요소에 더 강한 힘이 작용하여 고장 위험이 커진다. 더 높은 타워와 더 긴 블레이드는 피로도가 더 높아지고, 해상 풍력 발전소는 더 높은 풍속으로 인해 더 큰 힘을 받고 해수와의 근접성으로 인해 부식이 가속화된다. 투자 수익률을 확보할 수 있을 만큼 충분한 수명을 보장하기 위해서는 구성 요소의 재료를 적절히 선택해야 한다.풍력 터빈 블레이드는 루트, 스파, 공기역학적 페어링, 표면 처리의 4가지 주요 요소로 구성된다. 블레이드는 가벼워야 하며, 블레이드의 무게는 반지름의 세제곱에 비례한다. 하중에 의해 결정되는 강성, 강도 및 인성 요구 사항을 충족하는 것 외에도, 최고의 블레이드 재료는 탄소 섬유 및 유리 섬유 강화 폴리머(CFRP 및 GFRP)이다. 현재 CFRP의 훨씬 더 큰 메리트 지수에도 불구하고, 저렴한 비용으로 인해 GFRP 재료가 선택되고 있다.[51]
6. 1. 2. 재활용 및 폐기 문제
2017년 덴마크의 빈데비 해상풍력발전소가 해체될 당시, 33개 풍력터빈 블레이드에서 나온 99%의 비생분해성 유리섬유는 올보르 근처 레루프 매립지에 파쇄되어 버려졌다.[54][52][53] 2020년에는 더 많은 양의 유리섬유가 매립되었는데, 이는 환경적으로 좋지 않은 폐기물 처리 방식이다. 폐기된 풍력터빈 블레이드는 덴마크와 덴마크가 풍력터빈을 수출하는 국가들에서 심각한 폐기물 문제가 될 전망이다.[54][52][53]SDU의 Lykke Margot Ricard 교수는 "많은 날개가 매립지에 버려지는 이유는 유리섬유를 재활용하려면 반드시 분리해야 하는데, 이 작업이 엄청나게 어렵기 때문"이라고 말한다. 덴마크 폐기물 및 자원 전문 센터인 Dakofa에 따르면, 폐기된 유리섬유 처리에 대한 덴마크 폐기물 관리 규정에는 구체적인 내용이 없다.[54][55]
몇몇 폐기물 처리업체들은 풍력터빈 블레이드가 재활용 시설로 반입된 후 분쇄된 사례가 있다고 밝혔다.[56] 재활용 회사 H.J. Hansen의 제품 매니저는 2012년 이후 수거한 날개의 약 절반을 올보르의 Reno Nord 매립지로 운반했다고 밝혔다. 그는 약 1,000개의 날개가 매립지에 버려졌다고 추산하며, 현재 회사가 수거하는 날개의 최대 99%가 매립지로 가고 있다고 말했다.[57]
Lykke Margot Ricard (SDU)가 2020년에 추산한 바에 따르면, 1996년 이후 덴마크에서는 최소 8,810톤의 날개 폐기물이 처리되었으며, 앞으로 더 많은 풍력터빈의 수명이 다함에 따라 폐기물 문제는 크게 증가할 것이다. SDU 강사의 계산에 따르면, 향후 20~25년 동안 덴마크 폐기물 부문은 풍력터빈 블레이드에서 나온 46,400톤의 유리섬유를 처리해야 한다.[57]
덴마크의 섬인 롤란에서는 2020년 롤란 중앙에 위치한 게링에 매립지에 풍력터빈 폐기물에서 나온 250톤의 유리섬유가 매립되었다.[56][58]
미국에서는 유리섬유로 만들어진 마모된 풍력터빈 블레이드가 이를 수용하는 소수의 매립지(예: 아이오와주 레이크 밀스, 사우스다코타주 수 폴스, 와이오밍주 캐스퍼)로 보내진다.[59]
6. 2. 풍력 펌프
풍차는 적어도 9세기부터 현재의 아프가니스탄, 이란, 파키스탄에서 물을 퍼올리는 데 사용되었다.[60] 풍차의 사용은 이슬람 세계 전역으로 널리 퍼졌고, 나중에 동아시아(중국)와 남아시아(인도)로 전파되었다.[61]"미국식 풍차" 또는 "풍력 엔진"은 1854년 대니얼 핼러데이(Daniel Halladay)가 발명했으며,[62] 주로 우물에서 물을 퍼올리는 데 사용되었다. 더 큰 버전은 나무를 켜거나, 건초를 자르거나, 곡물을 탈곡하고 갈아내는 등의 작업에도 사용되었다.[62] 1930년 최고점에 이르러 약 60만 대가 사용되었다.[63] 이러한 풍차는 미국, 캐나다, 남아프리카 공화국 및 호주에 있는 농장과 목장에서 광범위하게 사용된다. 이 풍차는 많은 수의 날개를 가지고 있어서 바람이 약할 때 상당한 토크(torque)로 천천히 회전하며, 강한 바람에서는 자동으로 조절된다. 탑 상단의 기어박스(gearbox)와 크랭크축(crankshaft)은 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하여 아래쪽 펌프 실린더로 막대를 통해 전달한다. 이러한 풍차는 물을 퍼 올리고 사료 공장, 제재소 및 농업 기계에 동력을 공급했다.
호주에서는 투움바(Toowoomba)의 그리피스 형제가 1876년부터 미국식 풍차를 제조했으며, 1903년부터는 사우스 크로스 풍차(Southern Cross Windmills)라는 상표명을 사용했다. 이 풍차들은 대호주 대수층(Great Artesian Basin)의 물을 이용함으로써 호주 농촌 부문의 상징이 되었다.[64] 또 다른 잘 알려진 제조업체는 애들레이드, 서호주 퍼스, 시드니에 있는 프레드릭 메터스(Frederick Metters)(메터스 유한회사(Metters Ltd.))였다.
7. 용도
풍차는 그 용도가 매우 다양하다. 바람의 힘을 이용하는 풍차는 회전 에너지를 활용하여 발전을 하거나, 기계적 에너지를 이용해 제분, 양수 및 관개에 사용되었다.
1세기 초, 알렉산드리아의 헤론은 아네모리온(풍차를 동력으로 바람을 보내는 오르간)을 설계했다.
15세기 네덜란드에서는 간척지의 배수용으로 풍차가 많이 사용되기 시작했다. 이들은 후에 증기기관을 거쳐 전동 펌프로 대체되었고, 현재는 관광 자원으로 활용되거나 일부는 킨더다이크-엘스하우트의 풍차군으로 세계유산에 등록되어 여전히 배수용으로 사용되고 있다.
1887년 영국의 J. 브라이스는 처음으로 풍력을 이용해 발전하여 축전지에 저장했다. 1888년에는 미국의 찰스 프랜시스 브러시가 지름 17m의 다익형 풍차로 발전을 했다.[67]
일본에서도 메이지 초기부터 해군 기술사이자 쇼난 전기 연구회 회장이었던 본오카 규주에 의해 풍차 연구가 진행되었으며, 초기에는 거류 외국인에 의해 도입된 것이 확인된다.[68]
이후 일본 각지에서 풍차가 양수 및 관개 목적으로 사용되었다.
| 지역 | 사용 시기 | 용도 | 규모 (최대) |
|---|---|---|---|
| 나가노현 스와호 남쪽 | 1905년경~1940년대 전반, 전후 일시적 | 지하수 양수 | 3000대 이상 |
| 아이치현 치타반도 히가시우라정 | 1921년~1940년경 | 양수 | 100~200대 |
| 아이치현 아쓰미반도 이라코곶 부근 | 1924년경~1935년경 | 양수 | 200대 |
| 이바라키현 츠쿠바시 부근 사쿠라가와 유역 | 1928~29년경~1955년경 | 개간답 양수 | 1000대 이상 |
| 지바현 보소반도 타테야마시 부근 | 1933년경~1950년대 전반 | 양수 | 100~120대 |
| 오사카부 사카이시 | 1928년~1950년대 전반 | 논밭 관개 | 385대 |
이 외에도 풍차는 풍속계, 유량계, 마니차, 악기(인도네시아의 민속악기 핀자칸), 회전 간판 등 다양한 용도로 활용된다.
8. 박물관 등
- 킨더다이크-엘스하우트의 풍차군(Kinderdijk) - 네덜란드에 있는 세계유산으로 유명하다.
- 콩수에그라(Consuegra)의 풍차군 (스페인) - 돈키호테(Don Quijote)가 돌격했던 풍차의 모델이 되었으며, 스페인의 중요문화재로 지정되어 있다.
- International Wind- and Watermill Museum|국제 풍차·수차 박물관영어 (독일)
- Zaans Museum|잔세 박물관영어 Zaanse Schans|잔세스칸스영어 (네덜란드)
- 물랭 루주(Moulin Rouge) - 프랑스 수도 파리에 있는 "빨간 풍차"라는 의미를 지니고 있으며, 랜드마크가 되고 있는 캐바레이다.
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