풍력터빈(1) 풍력 에너지의 역사

 

 

오늘부터 풍력 에너지 주제를 시작하겠습니다.

아시다시피 풍력 에너지는 다양한 에너지원 중에서 가장 활용 가능한 재생 에너지 형태입니다. 기존 에너지원으로는 석탄을 이용한 화력 발전, 조력 발전, 원자력 발전 등이 있으며, 현재는 태양광 발전과 풍력 발전이 시장에 진출하고 있습니다. 따라서 풍력 에너지는 매우 중요한 문제입니다.

풍력 에너지의 역사

본론으로 들어가기 전에 풍력 에너지의 역사를 간략하게 살펴보겠습니다. 풍력 에너지는 최근에 등장한 것이 아니라 수세기 동안 활용되어 왔습니다. 특히 르네상스 시대 이후에는 풍차가 활용되었습니다. 당시 풍차는 오늘날 볼 수 있는 것과는 완전히 다른 구조를 가지고 있었습니다.
일반적으로 상단으로 갈수록 좁아지는 건물이 있고, 한 지점에서 축이 나와 4개의 날개가 사방으로 연결되어 있습니다. 이 날개는 보통 나무 판자로 만들어져 있으며, 틀을 만들어 나무 판자를 연결하고 전체를 회전면과 바람 방향 모두에 대해 기울였습니다. 바람이 불면 굴절되어 날개가 반대 방향으로 회전합니다.

이러한 풍차는 주로 물을 퍼올리거나 곡물을 빻는 데 사용되었습니다. 특히 곡물 빻기가 주요 사용 목적이었으며, 바람 방향에 맞춰 풍차 방향을 조정해야 했습니다. 풍차 방향은 수동 장치를 이용하여 조정했는데, 상단 전체를 턴테이블처럼 돌려 바람 방향에 맞췄습니다. 이것이 소위 네덜란드식 풍차의 기본적인 구조였습니다.

핵심은 바람이 주는 추력이 작동 원리였다는 것입니다. 증기 엔진이 등장하면서 풍차는 점차 쓸모 없어졌고, 산업 혁명 이후에는 풍차를 많이 볼 수 없게 되었습니다. 하지만 풍차가 발명된 네덜란드나 독일 같은 선진국에서는 풍차가 박물관이나 골동품처럼 보존되어 운영되기도 합니다.

또 다른 유형의 풍차는 구조가 매우 간단하여 농촌 지역에서 현지 재료로도 만들 수 있습니다. 예를 들어 드럼통을 반으로 잘라 반원통 두 개를 얻은 다음, 평면도에서 보면 한쪽 반원통을 다른 위치로 옮겨 재연결합니다.
바람이 불어오면 오목한 부분과 볼록한 부분의 압력 차이로 인해 축을 중심으로 회전하게 됩니다. 이러한 설계를 Savonius rotor 라고 합니다. 이 용어는 나중에 필요하므로 기억해 두십시오.

이 구조는 매우 간단하여 드럼통만 있으면 되고, 현장에서 농촌 지역에서도 쉽게 만들 수 있습니다. 효율은 높지 않으며 주로 물을 퍼올리는 데 사용됩니다. 이후에는 두 반원통을 대칭 위치에 연결하여 설계를 개선했습니다.

바람이 불면 바람을 굴절시켜 다른 쪽에 추가적인 압력을 가하게 됩니다. 반대편에서 바람이 불어오기 때문에 압력이 발생하지만, 일부 바람을 오목한 부분으로 굴절시켜 압력을 줄입니다. 그 결과 전체 토크가 증가합니다.

사보니우스 로터 전체 구조는 긴 축과 하단에 펌프가 있으며, 윗부분에는 세 방향으로 당기는 와이어가 연결된 경첩이 있어 전체가 수직으로 유지됩니다.

수평축 풍력 터빈과 수직축 풍력 터빈의 차이점은 축의 방향입니다. 사보니우스 로터는 수직축 풍력 터빈입니다. 또 다른 유형의 수직축 풍력 터빈이 있으며, 구조가 다소 복잡하지만 나중에 자세히 살펴보겠습니다.

이 두 가지 유형의 풍력 터빈은 모두 추력, 즉 바람의 힘으로 작동합니다. 하지만 나중에는 추력의 원리가 비효율적이라는 것을 깨달았습니다. 그 이유에 대해서는 나중에 설명하겠습니다.

저품질 에너지: 풍력

풍력 에너지는 저품질 에너지입니다. 그 이유는 회전축의 운동이나 전기 에너지와 같은 고품질 에너지 형태보다 훨씬 무질서하기 때문입니다. 이러한 무질서함은 개별 공기 분자의 무질서한 운동 때문입니다. 바람은 통계적으로 평균을 내면 한 방향으로 향하는 결과가 있을 뿐이며 매우 강한 바람이 한 방향으로 불어도 반대 방향으로 흐르는 분자가 없다는 의미가 아닙니다.

따라서 저품질 에너지에서 고품질 에너지로 변환할 때는 효율 한계가 있습니다. 열역학 수업에서는 열에너지에서 기계 에너지로의 변환에 대해서만 배우지만, 그 개념이 열에만 관련된 것이 아니라 모든 형태의 에너지에 적용 가능한 일반적인 개념이라는 것을 강조하고 싶습니다. 따라서 바람이 저품질 에너지라는 것을 깨닫는 순간, 제한이 있어야 한다는 것을 깨달아야 합니다.

그 제한이 무엇인지 계산해 봅시다. 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 것을 고려할 때 이상적인 카르노 엔진을 고려했습니다. 여기서도 마찬가지로 바람이 불어오고, 어떤 종류의 이상적인 엔진에 의해 에너지가 추출되고, 바람이 빠져나가는 상황을 고려합니다. 그 엔진이 무엇인지는 나중에 설명하겠지만, 초기에는 고려하지 않을 것입니다.