로터 블레이드의 회전에 의한 터빈의 효율은 이론상으로는 최대 59.3%를 회수할 수 있다. 이후 증속기와 발전기 등이 구동할 때 발생하는 마찰에 의한 손실, 발전기의 효율 등을 고려하면 추가로 10~20%의 손실이 발생한다. 풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 회전자는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성되었다. 날개의 설계에 있어서 유체역학이 중요한 비중을 차지한다. 또한 풍력발전의 원리 중에 빠질 수 없는 것이 바람을 이용한 항력(drag)과 양력(lift)이다. 풍력발전에 있어서 항력 원리는 풍향계 돌리기, 블레이드 cut in 및 블레이드 회전수를 줄이는 등에 적용하며, 양력은 비행기가 뜨는 원리를 이용하여 블레이드에 회전속도를 높이는 데 적용된다. 풍력발전상의 양력을 간단히 설명하면, 블레이드 전단에서 출발한 바람은 곡면부와 편평한 부위로 분리되어 흐르게 된다. 곡면부를 통과한 바람은 편평한 부위를 지난 바람과 블레이드 후단에서 같은 시간에 만나기 위해 속도가 커지게 된다. 이와 같이 생성되는 블레이드 양면의 유속 차에 의해 양력이 발생하고, 이 힘으로 블레이드는 유속이 빠른 방향을 움직이게 된다. 비행기 날개의 설계와 같이 높은 양력 대 항력 비(LD ratio)가 효율적인 터빈 블레이드의 설계에 필수적이다. 터빈 블레이드는 각 단면에서 항상 이상적인 양-항력 비를 가지는 각도를 제공하도록 약간 비틀려있다. 항력은 바람의 속도에 다다를 수 없지만, 양력을 이용한 터빈에서는 바람의 속도보다 빠르게 회전할 수 있다. 현재까지 구현된 풍력 발전기는 회전자 축의 방향에 따라 수평축 방식과 수직축 방식으로 나뉜다. 이 밖에도 항력/양력을 이용한 여러 가지 풍력발전 방법이 개발되었다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

지구의 기후는 산업 근대화 및 현대에 접어들어 극심하게 변화하고 있다. 근대 산업혁명 이후 지난 140년간 약 0.6℃ 상승하여 평균 해수면은 20세기 중 10cm 이상 상승하였다. 금세기말 기준으로 하면 최고 6.4℃ 상승이 예상된다. 한반도는 지난 100년간 1.7℃가 상승하였다. 지난 40년간 제주도 해수면은 22cm 상승하여 세계 평균의 2배 이상에 이른다. 전 세계적으로 1960년대 이후 적설 면적은 10% 이상 감소하고 있으며, 지구 온난화로 인한 기상 관련 경제손실은 과거 40년 동안 10배 이상 증가하고 있다.

지구 온난화의 심각성에 대해 상기와 같은 수치적인 비교보다 더 실감 나는 사진을 소개한다. 30년간 아프리카 대륙에서 벌어진 환경 파괴의 실상을 적나라하게 보여주는 위성사진이 공개됐다. <그림 3-2-2-3>은 1976년(왼쪽)과 2006년(오른쪽) 킬리만자로 산의 위성사진으로서 지구 온난화에 의해 산 중턱 및 산정 부근의 적설량이 현격하게 줄어든 충격적인 사실을 알 수 있다.

이러한 심각한 지구 온난화는 200년 전 근대화까지 거슬러 올라가지만 최근 1990년대까지 선진국들의 에너지 과다소비 및 2000년대 이후 신흥공업국 수요급격 증가 및 중국의 석유소비 2배 이상 급증 등이 원인이 되었다는 게 정설이다. 석탄, 석유 및 천연가스 등의 화석연료는 이제까지 인류의 삶을 윤택하게 만든 고마운 에너지원이기도 하지만 지구온난화의 주된 원인이기도 하다. 하지만 이러한 에너지 자원인 화석연료가 과다한 소비 때문에 고갈의 위기에 봉착하였다. 지구 온난화 및 에너지 고갈에 대해 우리나라 또한 다른 나라 탓할 처지가 아니다. 우리나라는 세계 10대 에너지 소비국으로서 1인당 에너지 소비로 보면 세계 5위 수준이나 된다. 또한 우리나라는 지금 환경위기와 에너지, 자원 위기에 동시 직면한 심각한 나라 중의 하나이기도 하다. 이런 상황을 극복하기 위해서는 인류가 범국가적인 관점에서 화석연료의 방탕한 낭비를 저지하고 에너지의 원천이라 할 수 있는 태양에너지 기원의 깨끗하고 재생 가능한 자연에너지로 돌아가지 않으면 안 된다는 관점에서 풍력발전도 최근 들어 주목을 받게 되었다. 풍력발전기술의 향상은 전 인류의 지속가능한 발전을 위한 필수불가결한 사명이자 중요한 과제가 되었다.

재생에너지(Renewable energy) 중에서도 풍력발전은 20세기 말에 10년 정도의 단기간에 설치 대수나 누적용량도 눈에 띌 정도의 신장을 나타내 풍력발전기의 초대형화 및 해상풍력발전 등 기술진전의 정도도 놀랄 정도이다. 그리고 풍황이 좋은 사이트에서는 발전단가 역시 화석연료를 사용한 재래식 발전시스템과 현재 충분히 경쟁할 수 있는 단계까지 이르게 되었다. 사실 인류는 수천 년에 걸쳐 여러 가지 형태로 바람에너지를 이용해 왔다. 가장 오래된 풍력의 이용은 돛에 의한 배의 추진이지만, 중국, 이집트 등의 문헌상에는 풍차(windmill)에 관하여 기술해 놓은 것이 있고, 이 문헌들에 의하면 풍차는 3000년 이전부터 사용되어온 것이 된다. 그 이후 풍차는 원동력으로서 유럽에서는 제분과 양수 등으로 700년 이상이나 이용됐다. 19세기 말에 각국에서 풍력발전이 탄생하고 그 후 덴마크를 중심으로 발전했고, 이것은 대형화 및 새로운 설계개념의 도입에 의한 고성능화의 걸음이었다. 특히 1970년대 석유 위기를 계기로 대형 풍력발전의 재개발이 시작되어 1980년대 이후 환경문제의 대두로 풍력발전 도입의 움직임은 세계적으로 활발해지고 있다.

앞으로 새로운 국가 비전의 축으로 신재생에너지 중에 풍력발전이 새로운 패러다임에의 중심에 섰다. 이제까지 주된 에너지 자원이었던 화석연료의 고갈 직면 및 오존층 파괴에 따른 온난화가 급속하게 진행되면서 전 세계적으로 친환경성의 중요성 증대, 신재생에너지 시장의 확대에 박차를 가하고 있다. 특히, 풍력발전은 신재생에너지 중에서도 발전단가가 저렴하며 기존의 화석연료나 원자력보다 에너지의 이용에 따른 환경 부담이 적으며 지역 내에서 자원의 고갈 없이 지속적인 재생산이 가능하다. 또한 에너지 수요가 발생하는 곳과 가까운 곳에 에너지 생산 설비를 갖춤으로써 분산적 이용이 가능하며 전력이송에 따른 손실을 줄일 수 있다.

■ 풍력발전기 핵심부품 중의 단조품 소개

풍력발전기에는 8천 개 이상의 부품으로 이루어져 있는데, 본서에서는 핵심부품 중 단조품 위주로 소개한다.

풍력발전기 부품 중 단조품은 <그림 3-2-2-4>와 같이 로터 블레이드의 회전 에너지를 증속기에 전달하는 핵심부품인 주축(Main shaft, Rotor shaft), 주축의 회전 및 지지 역할을 하는 주축베어링(Main bearing), 블레이드의 각도를 조절하는 장치인 피치시스템(Pitch system)내의 피치베어링(Pitch bearing), 블레이드와 연결된 너셀(Nacelle)정면을 바람이 불어오는 방향으로 향하게 하는 요시스템(Yaw system)내의 요베어링(Yaw bearing), 블레이드 회전수를 발전기용 고속회전으로 변환하는 역할을 하는 증속기(Gear box)내의 각종 Gear류, 주축과 증속기를 체결해주는 쉬링크 디스크(Shrink disc, low speed coupling) 및 Tower 이음새 역할을 하는 타워 플랜지(Tower flange) 등으로서 주로 높은 기계적 특성을 요구하는 핵심부품에 적용되고 있다. 상기 전체 단조부품을 열거하기에 지면이 부족한 관계로 그중에 핵심 단조부품인 타워 플랜지, 피치/요베어링, 주축 등의 소재, 용도, 제조방법, 기계적 특성 등을 기술하겠다. 하지만 8,000개가 넘는 구성품을 가진 풍력발전기 내의 몇 개 부품에 대한 국내외 동향은 큰 의미가 없는 관계로 3장에 풍력시장의 국내외 동향에 대해 기술한다.

▲ <그림 3-2-2-1>수평축형 풍력발전기 Nacelle 내부 핵심부품소개.

▲ <표 3-2-2-1>수평축형 풍력발전기 Nacelle 핵심부품의 명칭과 역할.

▲ <그림 3-2-2-2>풍력 발전기 원리.

▲ <그림 3-2-2-3>킬리만자로 산의 만년설 감소(1976년과 2006년 비교).

▲ <그림 3-2-2-4>풍력발전기 주요 구성부품 및 소재부품.