풍력발전기의 날개는 왜 대부분 3개일까?


 풍력발전기는 바람에 의해 날개가 회전하면서 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해주는 장치입니다. 별도의 연료 소비 없이 자연적으로 발생한 바람이 전기에너지를 생산하므로 고갈 중인 화석 연료의 대체 에너지원으로 주목받고 있습니다.


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 이런 풍력발전기를 보면 큰 날개와 이를 지탱해주는 윈드타워(지지탑·기둥 등)가 있습니다. 풍력발전기는 크면 클수록 더 많은 전기에너지를 생산할 수 있어서 더 크게 만들려고 노력하고 있는데, 날개 하나의 길이만 해도 약 50m로 매우 크고, 높을수록 바람이 세게 불므로 윈드타워도 높게 만듭니다.


풍력발전기 블레이드

(한국풍력산업협회)


 근데 풍력발전기는 크기 외의 전체적인 형태는 변하지 않는 듯싶습니다. 왜 풍력발전기 날개의 개수는 대부분 3개일까요? 날개를 더 많이 달면 더 많은 전기에너지를 생산할 수 있지 않을까요바람의 운동에너지를 구하는 공식은 1/2*바람의 질량(kg)*풍속(m/s)^2입니다. 바람의 질량을 구하는 공식은 단면적(m^2)*공기 밀도(kg/m^3)*풍속(m/s)이고, 이 공식들을 참고해서 발전량(W)을 구하는 공식을 보면 (1/2)*단면적(m^2)*공기밀도(kg/m^3)*풍속(m/s)^3와 같습니다.



 앞서 수학적인 공식을 통해 얻을 수 있는 해석은 단면적과 공기 밀도, 풍속에 발전량이 비례한다는 건데, 날개를 많이 달면 단면적이 넓어지므로 더 많은 전기 에너지를 생산할 수 있습니다. 하지만 간과하는 점이 있습니다.


풍력발전기 구조



 풍력발전기에서 가장 비싼 부품은 날개(블레이드)입니다. 선풍기 날개처럼 플라스틱으로 만드는 게 아니라 탄소섬유나 유리섬유 등의 특수섬유를 접착제(합성수지)로 겹겹이 붙여서 날개의 형태를 만듭니다. 날개 하나의 길이가 50m라고 했을 때 무게는 10톤 정도로 날개를 3개 달면 윈드타워가 30톤 이상의 무게를 견뎌야 합니다.


풍력발전기 날개 크기

(풍력발전기 날개 크기 체감 사진)


 근데 이 날개가 회전까지 하므로 윈드타워는 더 큰 무게를 견뎌야 합니다. 날개의 개수를 늘리면 윈드타워가 무게를 견디기 힘들뿐더러 바람이 항상 일정하게 부는 게 아니므로 바람이 강하게 불면 파손의 위험이 있습니다. 그래서 바람이 초속 25m 이상으로 불면 안전을 위해 풍력발전기는 가동을 멈춥니다.



 즉, 날개가 많아지면 파손의 우려가 있고, 파손으로 인해 날개를 교체해야 한다면 풍력발전기를 사용해서 얻을 가치보다 잃을 게 많아지므로 안정성을 위해 풍력발전기 날개의 개수는 항상 3개로 고정합니다.


풍력발전기 날개 파손


 근데 1888년에 처음 등장한 풍력발전기는 지금보다 크기도 많이 작고, 날개도 4개였습니다. 3개의 날개를 사용했을 때는 1954년으로 풍력발전기가 대형화되는 과정에서 안정성을 높이기 위해 날개의 개수가 줄어든 것으로 보입니다.


 글의 주제에 관해서 알아봤는데, 풍력발전기는 완벽한 전기에너지 생산 시스템이 아닙니다. 친환경적이긴 해도 바람이 항상 부는 게 아니고, 회전하는 날개가 외부에 노출되어 있어서 새들이 날아가다가 떼죽음을 당하기도 합니다그리고 높은 곳에서 강한 바람에 의해 회전하는 풍력발전기에서는 저주파 소음을 만드는데, 창문이나 벽을 뚫고 영향을 미쳐서 설치하고자 하는 지역의 인근 주민들은 거세게 반대합니다.


풍력기상자원지도

(연평균풍속 0~4m/s : 파란색 / 4~5m.s : 초록색 / 5~6m/s 노란색 등 ⓒ기상청)


 무엇보다 우리나라는 풍력 자원이 척박합니다. 최소 풍속이 4m/s는 나와야 하고, 항상 일정한 바람이 불어야 하는데, 풍력기상자원지도에 따르면 풍속이 5m/s를 넘기는 곳도 그렇게 많지 않다고 합니다.



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