알기 쉬운 풍력발전의 원리와 장점·단점

풍력발전의 원리

풍력발전이란 바람의 운동에너지를 전기에너지로 바꾸는 것을 말한다. 예로부터 바람을 이용해 기구를 움직이는 기술이 발전해 왔다. 예를 들어 바람의 힘을 이용해 풍차를 돌려 물을 끌어올리거나 곡식을 가공하는 데 사용해 왔다. 네덜란드 하면 생각나는 풍차가 바로 곡식을 찧는 용도로 사용된 풍력 사용의 예다. 

 

현대에 들어 풍력은 전기 에너지를 만드는데 사용되고 있다. 풍력발전은 자연에서 얻어진 무공해 에너지로서, 신재생 에너지 중 가장 경제적이며, 산과 해안에 설치하여 국토이용 효율을 높일 수 있다. 최근 들어 신재생 에너지가 각광받으면서 풍력은 태양광, 수소 등과 함께 큰 발전을 이루고 있다. 

 

풍력발전은 비행기가 나는데 필요한 블레이드, 즉 회전 날개의 발달에 큰 영향을 받았다. 1888년 찰스 부러쉬는 블레이드와 발전기를 결합한 최초의 풍력발전기를 만들었다. 이후 파울 쿠르는 1891년 최초의 실험용 풍력발전기 개발 및 설치에 성공한다.

 

풍력발전의 원리는 바람의 세기와 규모에 큰 영향을 받는다. 그래서 풍차가 크면 클수록 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 하지만 기술이 발달하면서 가볍고 튼튼하면서도 안정적인 구조의 풍력 발전기가 개발되었고, 풍력 발전의 효율도 점차 높아지고 있다.

 

블레이드(풍차 날개)는 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환하는 역할을 한다. 동력 전달장치는 입력된 에너지를 증폭시킨다. 발전기는 기계적 회전력을 전기에너지로 변환시키고, 전력 변환장치는 직류전기를 교류전기로 바꾼다. 풍력타워는 풍력발전기를 지지해주는 구조물이다. 허브는 주축과 블레이드를 연결 시켜준다.

 

풍력발전기는 수평축과 수직축으로 나눌 수 있다. 수평축 풍력발전기는 우리가 흔히 보는 바람개비 형태다. 회전축이 바람이 불어오는 방향인 지면과 평행하게 설치된다. 구조가 간단하고 설치가 쉽다. 블레이드 전면을 바람 방향에 맞추기 위해 너셀을 회전시키는 요잉(Yawing) 장치가 필요하다. 수직축 풍력발전기는 회전축이 바람이 불어오는 방향인 지면과 수직으로 설치된다. 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요잉 장치가 필요 없다. 

 

풍력발전 산업은 정부기관, 지자체, 개발사업자가 함께 일구고 있다. 풍력발전시스템 제조업은 구성품을 조립하여 풍력발전기를 제작하는 것으로, 풍력산업의 핵심분야다. 부품 및 기자재 제조업은 풍력발전에 필요한 구성품과 발전소 건립에 필요한 기자재를 생산한다.

 

발전사업은 풍력발전기를 이용해 전력을 생산한다. 개발사업은 풍력단지의 적합한 입지를 개발하고 발전단지를 조성한다. 이밖에도 중전기 산업, 정밀가공산업, 철강산업, 조선·중공업, 해양플랜트, 유지보수 등 다양한 분야를 포괄하고 있다. 

 

풍력발전 관련주는 씨에스윈드를 필두로 유니슨, 동국 S&C, 삼강엠엔티, 두산중공업, 스페코, 삼영엠텍 등이 있다. 특히 씨에스윈드는 씨에스 베어링을 자회사로 두면서 풍력타워를 만들어 전 세계에 공급하고 있다. 터키, 유럽, 동남아뿐만 아니라 최근에는 미국에도 진출해 매출이 급상승하고 있다. 

 

 

풍력발전의 장점

풍력발전의 장점은 고갈될 걱정 없는 풍력으로 전기에너지를 만드는 데 있다. 또 전기를 만들면서 발생하는 환경오염도 크게 줄일 수 있다. 현재 대표적인 전기원인 석탄, 석유, 원자력 등은 전기 에너지를 만들며 많은 환경오염과 위험을 유발한다. 

 

풍력발전은 바람을 통해 전기 에너지를 만들어, 별도의 연료가 필요하지 않다. 또 폐기물이 발생하지 않고, 온실 효과도 유발하지 않는다. 바람이 강한 곳이라면 큰 블레이드를 통해 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 또 전 세계적으로 탄소배출을 절감하자는 노력이 계속되고 있어, 신재생 에너지로서 풍력이 큰 주목을 받고 있다.

 

우리나라는 현재 6.5%에 불과한 신재생 에너지 비중을 2050년까지 50%까지 끌어올릴 계획을 갖고 있다. 2050년 탄소중립 시나리오는 일조량이 부족하고, 국토가 좁은 우리나라에 최적화된 무탄소 에너지원으로 꼽히고 있다. 

 

특히 해안가는 풍력 발전의 입지 조건에 최적화 된 곳이다. 바다는 육지와의 온도 차이 때문에 강력한 바람이 발생하고, 이를 막는 장애물도 없다. 따라서 해상풍력 발전은 육상풍력 발전보다 더 높은 에너지 효율로 각광받고 있다. 

 

풍력발전의 단점

풍력발전의 단점은 자연환경에 영향을 끼친다는 것이다. 해상풍력은 고정식과 부유식으로 나뉜다. 고정식은 해저에 깊은 구멍을 내고 풍력발전 설비를 고정시키는데, 이 과정에서 해양생태계가 파괴될 수 있다. 또 거대한 블레이드가 돌아가는 과정에서 발생하는 진동과 소음은 해양동물은 물론 인근 주민에게도 큰 고통을 준다.

 

더불어 하늘을 나는 새에게도 치명적이다. 풍력발전기 블레이드에 부딪혀 죽는 새가 빈번하게 발생하고, 풍력단지가 철새 도래지에 위치할 경우 심각한 생태계 파괴를 유발할 수 있다. 또 어업으로 생활하는 어민들의 어획량에도 큰 영향을 미치는 등 주민들의 반발도 만만치 않다.

 

해상풍력의 경우 설치 자체가 큰 공사로, 한번 설치하면 약 20여 년간 유지할 수 있다. 한번 설치하면 다시 해체하거나 이동하는 게 어려워 설치에 앞서 신중하고도 다양한 검토가 필요하다. 친환경 에너지로 각광받고 있는 풍력발전이지만 이처럼 생태계를 파괴하고 어민들에게 피해를 준다면 친환경이라 부르기 어려울 것이다. 

 

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