풍력발전기의 원리 및 장점, 단점을 알아보자 (feat. 전기 원리)

대관령 또는 제주도에 우뚝 서 있는 풍력발전기를 보신 적 있으시죠? 현대문명의 산물인데도 불구하고 어쩔 때는 낭만이 있는 풍경으로도 다가옵니다. 청정에너지 중 태양광 발전과 더불어 많은 관심을 받고 있는 풍력발전기 원리가 어떤 것인지 그리고 장점 및 단점은 무엇이 있는지 알아보겠습니다.

 

목차

 

전기 발생의 기본 원리

풍력발전기에 대한 원리를 알아보기 전에 먼저 우리는 전기을 만들어 내는 기본 원리에 대해 먼저 알아 볼 필요가 있습니다.  자세한 내용은 다음과 같습니다.

 

전기를 만드는 기본 원리는 전자기 유도라는 물리학적 원리에 근거합니다. 이 원리는 전도체(예를 들어, 전선 코일)가 자기장(자석의 주변 공간에서 발생) 내에서 움직일 때 전기가 발생하는 현상을 이용합니다.

이 원리를 이용한 대표적인 예가 발전기입니다. 발전기는 기계적 에너지(예를 들어, 풍력, 수력, 화력 등으로부터 변환된 회전 운동)를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 작동 과정은 아래와 같습니다.

• 발전기의 구조: 발전기는 크게 두 가지 주요 부품, 즉 자석과 전선 코일로 구성되어 있습니다. 자석은 주로 발전기의 외부 부분에 위치하고 있고, 전선 코일은 중앙에 위치합니다. 어릴 때 한 번쯤 가지고 놀던 작은 모터를 생각하시면 됩니다.
• 전기 에너지의 생성: 발전기의 작동 원리는 전선 코일이 자석의 자기장 내에서 움직임으로써 전기가 발생하는 것입니다. 즉, 발전기가 회전하여 전선 코일이 자석 주변에서 움직이게 되면, 이 움직임이 전선 코일에 전기를 발생시킵니다. 이렇게 생성된 전기는 그리드에 공급되어 다양한 전기 기기에서 사용됩니다.
• 전기 에너지의 변환과 전송: 발전기에서 생성된 전기는 일정한 전압과 주파수를 갖도록 조절되어야 합니다. 이를 위해 변압기와 정류기 등의 장치를 통해 적절한 전압과 주파수로 변환된 후, 전력 그리드로 전송됩니다.

이처럼, 전기는 기계적 에너지가 전자기 유도 원리를 통해 전기 에너지로 변환되는 과정을 통해 생성됩니다. 이 원리는 발전기뿐만 아니라, 모든 전기 생성 과정에 적용됩니다. 

좀 더 쉽게 설명드리면 전기모터에 전기를 공급하면 모터가 회전을 하면서 작동합니다. 반대로 외부의  힘을 이용하여 모터를 돌리면 전기를 공급하던 두 전극으로 발생한 전기가 나옵니다.

 

풍력발전기

 

풍력발전기의 원리

풍력 발전기의 작동 원리는 상당히 간단합니다. 바람의 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것이 그 핵심입니다.  즉 앞서 살펴본 전기 발생 원리에서 전도체를 회전시키는 힘을 풍력에서 얻어 전기를 발생시키는 것입니다. 다음은 풍력 발전기가 어떻게 작동하는지에 대한 단계별 설명입니다.

풍력발전기의 구조

풍력 발전기의 주요 부품 풍력 발전기는 크게 풍차(날개), 기계실(내부 메커니즘), 그리고 탑(기둥)으로 구성되어 있습니다.

• 풍차(날개): 바람의 힘을 받아 회전하는 부분으로, 보통 2~3개의 날개로 구성되어 있습니다. 이 날개들은 바람의 방향에 따라 회전하며, 바람의 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다.
• 기계실: 풍차가 회전함에 따라 회전력이 기계실로 전달되며, 여기에 있는 발전기가 작동합니다. 발전기는 회전력을 전기 에너지로 변환하는 역할을 합니다.
• 탑: 풍력 발전기를 지탱하는 역할을 합니다. 또한, 높은 곳에 위치하게 함으로써 풍차가 더 많은 바람을 받을 수 있게 해줍니다.

풍력발전기의 발전 원리

• 바람의 에너지 수집: 풍력 발전기의 날개는 바람의 에너지를 수집하는 역할을 합니다. 바람이 날개에 부딪히면, 날개는 이 에너지를 받아 회전하기 시작합니다. 일반적으로, 날개는 바람의 방향에 따라 자동으로 회전하여 최대한 많은 바람 에너지를 받을 수 있도록 설계되어 있습니다.
• 기계적 에너지로 변환: 날개가 회전하면, 이 회전력은 풍력 발전기 내부의 기계실로 전달됩니다. 기계실 내부에는 크랭크축이 있으며, 이 축이 회전하면서 기계적 에너지로 변환됩니다.
• 전기 에너지로 변환: 기계적 에너지가 발생하면, 이는 발전기로 전달됩니다. 발전기 내부에서는 이 기계적 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다. 이 변환 과정은 발전기 내부의 자석과 전선 코일의 상호 작용에 의해 이루어집니다. 기계적 에너지로 인해 자석이 움직이면, 전선 코일 주변에 전기장이 생기고, 이로 인해 전기가 생성됩니다.
• 전기 에너지의 전송: 최종적으로 생성된 전기 에너지는 변압기를 통해 전력 그리드로 전송됩니다. 변압기는 전기 에너지의 전압을 높여 전송 손실을 최소화하는 역할을 합니다.

요약하면, 풍력 발전기는 바람의 에너지를 기계적 에너지로, 그리고 다시 전기 에너지로 변환하는 과정을 거쳐 전기를 생산합니다. 이런 과정을 통해 자연의 에너지를 우리가 일상에서 사용하는 전기로 만들어내는 것이 가능해집니다.

 

풍력발전기 1

 

풍력발전기의 장점 및 단점

장점

• 재생 가능 에너지: 풍력 발전은 바람이라는 무한한 자원을 이용합니다. 이는 고갈 우려가 없으며, 지속 가능한 에너지 공급을 가능하게 합니다.
• 환경 친화적: 풍력 발전은 화석 연료를 사용하지 않기 때문에 이산화탄소나 기타 온실가스를 배출하지 않습니다. 따라서 기후 변화에 대한 영향이 거의 없습니다.
• 운영 비용 절감: 일단 설치가 완료되면, 풍력 발전은 비교적 저렴한 운영 비용만으로 전기를 생산할 수 있습니다.

단점

• 불규칙한 에너지 공급: 바람의 세기나 방향은 계절, 시간, 지리적 위치 등에 따라 변하기 때문에, 풍력 발전의 출력은 일정하지 않습니다. 이는 전력 공급의 안정성에 문제를 일으킬 수 있습니다.
• 초기 투자 비용이 높음: 풍력 발전기의 설치 비용은 상당히 높습니다. 이는 토지 확보, 설치, 그리고 초기 유지보수 비용을 포함합니다.
• 환경적 영향: 풍력 발전기는 소음을 발생시키며, 때때로 조류에게 해를 끼칠 수 있습니다. 또한, 풍력 발전소의 크기와 높이로 인해 주변 풍경에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

마무리

풍력발전기는 무공해 청정에너지로 각광을 받다가 날개가 회전할 때 나오는 일정한 주파수의 소음이 큰 문제로 대두되었습니다. 발전기 인근에 있는 주민들이 많은 고통을 호소했기 때문입니다.

 

이러한 문제를 슬기롭게 해결하고 위에서 나열된 단점들을 기술의 발전으로 해결해 나간다면 풍력발전 또한 태양광 발전과 같이 미래의 자연친화적 청정에너지로 자리매김할 수 있으리라 생각합니다.

인류의 현대문명의 시발점은 바로 전기의 발견이라 생각합니다. 이제는 우리가 살고 있는 현대문명에서 단 하루라도 전기가 없는 세상을 생각할 수 없고 또 그렇게 되면 엄청난 전 인류의 재앙이 되는 현실입니다.

 

모든 인류의 꿈인 무한동력이 만들어지는 날을 상상해 보며 이 포스팅을 마칩니다. 감사합니다.

 

 

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