제주도, 풍력발전 비중 높힌다
발전양을 공식으로 표기하면 F=1/2*바람의 밀도*단면적*풍속의 세제곱이다. 즉 발전양은 바람의 밀도와 단면적에 비례하고, 풍속의 세제곱에 비례한다는 뜻이다. 그만큼 풍속의 영향이 크다. 또 같은 풍속이라도 바람의 밀도가 더 높은 겨울의 발전효율이 여름보다 높다.
풍력발전기 회전자의 날개는 3개로 구성돼 있다. 날개는 꼭 3개여야 할까. 그렇지 않다. 초기에는 날개 1개로 된 회전자도 있었으며, 그후에 2개짜리를 거쳐 현재의 3개짜리로 발전했다. 물론 4～5개 이상도 이론적으로는 가능하지만, 경제성과 안전성, 소음 등을 고려할 때 3개짜리 날개가 가장 효율적인 것으로 입증돼 전세계적으로 모두 3개짜리를 쓴다.
바람이 셀수록 회전자가 빨리 돈다. 그렇다면 빨리 돌수록 좋을까. 그렇지 않다. 회전자의 회전속도(rpm-1분당 회전속도)는 18～22rpm 범위 안에 있어야 한다. 즉 회전자가 1분에 18～22회전만 해야 한다는 것이다. 이를 벗어나면 회전자끝의 속도가 초속 70～80m를 넘어 소음이 심해지기 때문이다. 제주도를 여행하면서 풍력발전기를 본 사람들은 무척 천천히 돌아간다고 느끼겠지만, 거의 대부분 최적의 속도로 회전하는 것이다.
이런 이유들 때문에 앞으로는 땅 위보다는 바다위에 풍력발전기를 건설하는 방법이 더 주목을 받을 것으로 보인다. 땅 위의 경우 토지 매입 가격의 부담과 소음에 따른 민원, 땅위 장애물에 의한 바람의 영향 등 변수가 많기 때문이다. 육상에서는 이런 문제점 때문에 앞으로 기술이 최고로 발달해도 1기당 발전용량이 최대 2～3MW를 넘지 못할 것으로 분석된다.
바다의 경우 초기 건설비가 다소 많이 드는 단점이 있나, 육상의 문제점을 해결할 수 있어 외국에서는 이미 실제로 건설되고 있다.
제주도라도 일년 내내 바람이 불지는 않는데...
제주대 기계에너지생산공학부 허종철 교수팀의 연구에 따르면 제주도 행원풍력단지의 지상 30m와 50m의 연평균 풍속은 각각 6.5m와 7m. 여기에 바람의 밀도를 고려한 ‘풍력에너지밀도의 등급’ 7단계 중 3번째에 해당하는 것으로 나왔다. 중급 정도의 바람 수준인 셈이다. 바람의 세기(풍속)가 중요하긴 하지만, 하루 중에 바람이 얼마나 고르게 불어주느냐도 중요하다. 이는 풍력이용률로 설명할 수 있다. 제주도 행원단지의 풍력이용률은 이론적으로는 30%. 실제로도 25～27%에 이른다. 세계적으로 잘 알려진 미국 캘리포니아주의 풍력이용률이 15～20%인 점을 고려하면 제주도의 바람자원은 효율성이 높은 편이다.
풍력발전에서는 발전기의 생산용량 자체가 발전량이 아니다. 발전기의 생산용량에 풍력이용률(통상 0.25)을 곱해야 실제 생산량이 나온다. 이는 필요한 전력을 순수하게 풍력발전만으로 생산하려면, 전력 수요의 최대 4배 용량을 건설해야 한다는 설명도 된다.
풍력발전기는 어떻게 발전하나
제주도에 있는 풍력발전기의 경우 행원단지는 높이 50m, 한경단지는 높이 62m의 거대한 탑 모양이다. 회전날개의 회전지름(가운데 날개 3개를 지탱하는 부분인 허브 포함)은 행원이 42～48.5m, 한경단지는 72m이다. 규모가 더 큰 한경단지를 기준으로 하면, 회전자의 날개 1개는 약 7톤. 날개 3개와 가운데 허브를 포함한 부분(ROTOR)이 40톤이다. 회전자의 재질은 나무 또는 강화 플래스틱이다.
회전자 뒤에 박스처럼 생긴 부분(이를 너셀이라고 한다)에 기어박스와 발전기가 들어 있다. 너셀의 무게만 43톤이다. 너셀 안에 든 기어박스는 17.3rpm으로 도는 회전자의 힘을 전달받아 1200rpm으로 바꿔 발전기를 돌린다. 그러면 600v, 1500KW의 전기가 생산된다. 이를 타워 아래로 내려 각각의 타워에서 모든 전기를 현장에 있는 변압기로 2만2900KV로 승압해 한전으로 보낸다.
※문 의: 허종철(제주대 기계에너지생산공학부 교수) 064-754-3623,
김태완(한국남부발전 풍력과장) 064-795-0216
김동성(제주도미래산업과이너지관리담당-계장) 064-710-2531
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2009년 10월 29일 09:58
