풍력 발전 설비의 종류 및 특징
요즘 뉴딜 정책이니 뭐니 해서 풍력 발전이 뉴스에서 많이 보이는데, 간단하게 알아보자. 풍력 발전을 하기 위한 풍차는, 우리가 흔히 아는 프로펠러 모양이나, 수직으로 꼬인 모양 등, 발전량이나 소음의 따라, 여러 종류가 있다. 풍차의 형상은 여러 가지 프로펠러 형, 사보니우스 형, 다리우스 형, 네덜란드 형 등이 대표적이다. 이 중 실제로는 발전량 수치가 상대적으로 높은 프로펠러 형과 다리우스 형이 주로 사용되고 있다. 각각의 프로펠러 형상에 따라 발전 효율과 성능, 소음 등이 달라 설치 장소와 용도에 맞게 선정한다. 사실, 풍력발전이 많이 쓰이지 않는 이유는 많은 문제점이 있기 때문이다. 풍력 발전은 에너지의 발생이 안정되지 않고, 대용량의 발전을 기대하려면 , 매우 큰 로터나 블레이드를 설치해야만 한다. 즉 대용량의 발전은 기대하기 어렵다. 아직까지는. 바람이 불지 않는 시간은 전혀 발전하지 않기 때문에, 발전시간이 불규칙하고, 지역에 의해서 격차가 크기 때문에, 바람의 크기에 관계없이 안정된 방전을 하기 위해 축전지를 사용하는 방법이 필요하다. 프로펠러 회전음이 소음 문제가 되는 사례도 많아 프로펠러에서 나는 저주파음은 사람들에게 저주파로 인한 소음 공해를 줄 수 있다. 고속 회전하는 프로펠러는 새와 접촉할 수 있어 인근 생태계를 파괴하는 원인이 될 수 있다.
프로펠러 형
가장 많이 보급되어 있는 것은 프로펠러 형이다.우리가 흔히 생각하는 그 풍차의 형상이다. 3장의 블레이드에 의해 바람을 기반으로 회전 동력을 얻는다. 발전효율이 좋고 저 풍속에서도 자기 기동이 가능하며, 블레이드를 크게 하면 1,000kW를 넘는 대출력 발전장치를 계획할 수도 있다. 자연적으로 발생하는 바람은 지상에서 높을수록 강하게 부는 특성이 있기 때문에, 풍차의 설치 위치는 가급적 높여야 발전량이 유리하다. 당연한 것이지만 풍차를 통해 얻을 수 있는 에너지는 풍차의 수풍 면적에 비례한다. 즉, 큰 풍차일수록 더 큰 발전량을 기대할 수 있다. 500kW급 대형 발전기의 프로펠러 블레이드 폭은 30m 이상의 매우 큰 크기로, 타워 부분과 합하면 높이 100m가 넘는다. 프로펠러형 발전기는 몇 가지 단점이 있다. 수평 방향으로 흐르는 바람을 받아 프로펠러를 회전시키는 기구 때문에, 풍향 제어를 하지 않으면 효율적으로 발전하지 못한다. 그래서 제어 기구가 필요하다. 블레이드가 고속 회전하면 주변에 소음 피해를 줄 우려도 있다. 소음은 풍절음 외에 진동을 건물에 전달될 수도 있고, 옥상에 설치한 풍차의 진동이 건물 내부에 전해지는 것도 가능하다. 또한 발전장치가 블레이드의 중심 부분 부근에 있기 때문에 점검이 어렵다. 발전기 등 중요한 점검 대상이 높은 곳에 있기 때문에, 점검 비용이 비싼 점도 단점이다. 블레이드는 일정 속도로 회전하고 있어 날고 있는 조류가 접촉하는 사고도 우려된다.'버드 스트라이크'라 불리는 현상으로 풍차 하부에 다수의 조류가 낙하하고 있는 사안도 있어 환경단체로부터 비난을 받기도 한다.
사보니우스 형
사보니우스 형 풍력 발전 설비는 가로등 위에 설치된 소형 풍차로서, 넓게 보급되고 있다.놀라운 사실은 이 방식을 3500년 전에 페르시아인들이 사용했었다. 구동부를 수직축으로 하여, 풍향에 영향 없이 구동부를 회전시켜 발전할 수 있다. 굽은 원통에 바람이 닿으면 한쪽은 바람을 보충하고 다른 한쪽은 바람을 받아 흘려보내 한 방향의 회전에너지가 생긴다. 사보니우스 형 풍차는 바람 에너지의 항력을 전기에너지로 변환한다. 풍향 제어가 필요 없어 어떤 방향에서 바람이 불어도 안정적으로 발전할 수 있는 것이 이점으로도 심부 등 풍향이 변하기 쉬운 환경에 적합하다. 사보니우스 풍차는 회전 속도가 느리고 구동음이 거의 발생하지 않아 소음을 고려해야 하는 조건에서도 유리하다. 이것도 도심부에 설치하기 좋은 특성이다. 그러나 발전 효율은 그리 높지 않아 수십에서 수백 와트 정도 수준이다. 1대당 출력이 작아 큰 출력을 기대할 수 없지만, 미풍이라도 포착해 회전하는 기동성의 좋은 점, 어느 방향에서 불어와도 회전하기 때문에 풍향 제어가 필요 없는 점, 발전기가 지상 근처에 있는 유지관리성의 좋은 점 등의 이유로 환경 계발을 목적으로 가로등의 일부에 내장해 설치되는 사례가 많은 제품이다. 발전 효율이 나쁘고 수십 와트 밖에 발전하지 않기 때문에, 사보니우스 풍차로 발전한 전력으로 모터처럼 큰 부하를 운전시키는 것은 곤란하다. 부하가 소형 조명뿐이라면, 사보니우스 풍차에 의한 전력만으로 점등시키는 것도 가능하지만,대부분의 메이커들이 태양광 패널을 같이 축전지도 넣은 상품을 제공하고 있다. 풍력 발전만으로는, 바람이 불지 않는 날이 계속되면 조명의 점등이 어렵기 때문이다. 사보니우스 형 풍차를 채용할 경우 발전설비로서의 성능을 요구하는 것이 아니라, 환경 계발용 모니터링 용도로 보면 된다. 발전 설비로서의 성능을 요구한다면, 사보니우스 형이 아닌 프로펠러형이나 다리우스 형 풍차를 선정하는 것이 바람직하다.
다리우스 형
세로 방향으로 뻗는 날개가 바람을 이용해서 회전하는 풍차를 다리우스 풍차라고 부른다.설치비용이 작고 풍향에 관계없이 발전할 수 있기 때문에 풍향 제어 기구가 불필요하다. 발전기가 지상에 설치되기 때문에 발전기가 고장 났을 경우의 점검·수리가 용이하다는 운용상의 메리트가 있다. 설치 비용이 싸고, 강풍에도 소음이 작기 때문에, 도심부에서의 설치에도 적절하다. 사보니우스 풍차와 프로펠러형 풍차 사이의 중간 발전능력을 갖고 있다. 다리우스 풍차는 자력으로 회전에 시동을 걸 수 없기 때문에 다른 풍차를 이용해 전력을 공급하거나 별도의 전력 공급이 필요하다. 바람만으로 회전이 시작되지 않기 때문에 시동장치가 필요한 것이 결점이다. 장기간에 걸쳐 안정된 풍속을 얻을 수 있는 환경이 아니면 채용할 수 없다. 스스로 회전하지 못하고 전력을 소비할 뿐이기 때문이다.
