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- 평균 육상 풍력 터빈의 높이는 90~130m. 육상 풍력 터빈의 총 높이는 평균 약 150m
- 해상 풍력 터빈은 훨씬 더 크다. 로터 직경이 200m가 넘고 허브 높이가 170미터가 넘는다.
- 풍력 터빈의 전기 생산량은 높이 미터당 약 1% 증가
- 물리학자 Albert Betz 20세기 초 발견:풍력 터빈은 수학적 측면에서 풍력의 최대 59% 달성

풍력 터빈은 어떻게 작동하나요?

바람은 세계 거의 모든 곳에서 불며 엄청난 에너지를 가지고 있다. 풍력 터빈은 이 에너지를 전기로 변환한다. 태양전지와 달리 이 변환은 매우 간단한 물리적 원리를 따른다. 시스템의 로터 블레이드는 바람을 회전 운동으로 변환하고 발전기는 결과적인 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

전기를 생산하는 부력의 원리

풍력 터빈의 작동 방식은 비행기의 양력 원리와 비교할 수 있다. 고전적인 풍력 터빈에서는 3개의 긴 로터 블레이드가 풍력 터빈의 둥글고 점점 가늘어지는 중앙 부분인 소위 허브에 동일한 거리로 부착된다. 이 로터 블레이드는 비행기 날개와 유사한 방식으로 구부러져 있다. 즉, 로터 블레이드의 한쪽 면에서 바람이 더 먼 거리를 이동한다는 의미다. 이는 부압을 생성한다. 결과적인 부력은 바람 방향에 수직으로 작용하여 로터 블레이드를 회전 방향으로 구동하고 움직이게 한다.

로터 블레이드의 움직임으로 인해 풍력 터빈 중앙의 허브가 회전한다. 그 뒤에는 허브에 연결된 발전기가 있는 소위 나셀이 있다. 허브가 회전함에 따라 발전기는 결과적인 기계적 에너지를 전기로 변환한다. 전체 곤돌라도 회전할 수 있으며 풍속계에 연결된 제어 전자 장치 덕분에 항상 현재 풍향에 맞춰 정렬된다. 전체 장치는 지상보다 풍속이 더 높은 공중에 위치한다.

▲ 곤돌라 내부에는 발전기와 관련 기술이 있다. © Bundesstefan /CC-by 4.0

풍력발전기가 거대한 이유

이 마스트의 높이는 인상적이다. 평균 육상 풍력 터빈의 높이는 90~130m이다. 로터 블레이드도 거대하다. 단일 블레이드의 길이는 약 45m이므로 로터 직경은 90m이다. 육상 풍력 터빈의 총 높이는 평균 약 150m에 이른다. 비교해 보면 이것은 거의 쾰른 대성당만큼 높으며 기자 피라미드보다 훨씬 높다. 해상 풍력 터빈은 훨씬 더 크다. 로터 직경이 200m가 넘고 허브 높이가 170미터가 넘는다.

▲ 오랫동안 독일에서 가장 높은 풍력 터빈: 허브 높이가 155~178m에 달하며 슈투트가르트에서 멀지 않은 산등성이에 위치해 있다. © Reinhard Mederer/ Max Bögl Wind AG

이러한 마스트를 높게 건설한 이유는 다음과 같다. 풍력 터빈의 전기 생산량은 높이 미터당 약 1% 증가한다. 풍속도 지면까지의 거리에 따라 증가하기 때문이다. 풍력 터빈이 더 빨리 회전할수록 더 많은 전력을 생산한다. 바람은 숲이나 산 등 장애물과 접촉하면 소용돌이를 일으키며 속도와 에너지를 잃는다. 고도가 높을수록 바람이 더 일정하고 강해지기 때문에 더 많은 풍력 에너지가 발생한다.

최대 56% 효율성

로터 블레이드가 길수록 효율성이 높아져 풍력 터빈의 전기 생산량도 늘어난다. 로터가 길어지면 더 넓은 면적을 커버하여 더 많은 풍력 에너지를 "포획"할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 크기와 높이 최적화에는 한계가 있다. 왜냐하면 물리학자 Albert Betz가 20세기 초에 발견한 것처럼 풍력 터빈은 순전히 수학적인 측면에서 풍력의 최대 59%를 추출할 수 있기 때문이다. 현대식 풍력 터빈은 이미 평균 45%의 효율을 달성했다.

풍력 터빈의 효율성은 거의 향상될 수 없지만, 바람이 많이 부는 위치에서는 전력 생산량이 10배, 심지어 100배까지 증가할 수 있다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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