풍력 발전용 풍차가 거대한 이유

풍차와 직결된 터빈을 돌려 발전하는 풍력 발전은 기후 변화 원인이 되는 이산화탄소나 메탄가스 등을 배출하지 않는 신재생에너지로 기대를 모으고 있다. 하지만 풍력 발전에 사용되는 풍차는 거대하고 설치할 수 있는 장소가 한정되어 있는 게 풍력 발전의 단점 가운데 하나로 지적된다. 왜 풍력 발전용 풍차는 거대해야 할까.

풍력 발전은 19세기말 등장했다. 초기 풍차는 날개 매수가 많고 직경이 20m 미만 등 크기였다. 하지만 시대 흐름과 함께 풍차는 거대화, 지금은 날개 직경이 100m를 초과한다. 또 날개 매수도 2∼3개 줄어 날개 자체 모양도 길쭉한 형태로 바뀌었다.

날개에 대한 전체 거대화, 매수 감소, 장당 예각화라는 3가지 진화는 물리학에 이유가 있다. 먼저 풍차 전체가 거대화하는 이유는 단순히 풍차 직경이 클수록 풍차를 돌리는 힘이 증가해 전력이 증가하기 때문이다. 또 지상에 가까운 부분은 건물과 지형 등에 바람이 막혀 버리기 때문에 효율적으로 바람을 받기 위해선 풍차를 높은 곳에 설치해야 한다. 더 효율이 좋은 풍력 발전을 목표로 하기에 풍차는 더 높고 더 커질 필요가 있다는 것이다.

또 풍력 발전을 말하는데 있어서 피할 수 없는 게 베츠의 법칙이라는 물리 법칙이다. 베츠의 법칙은 풍차와 물레방아 유체 운동 에너지로부터 꺼낼 수 있는 최대 에너지를 계산하기 위한 공식 풍력 발전의 이론적 최대 에너지 변환 효율이 59.3%라는 걸 수학적으로 요구하고 있다.

59.3%라는 변환 효율에 접근하려면 많은 바람을 받으면서 풍차를 빨리 돌리는 일을 해야 한다. 공기 저항을 가능한 한 적게 하면서도 바람 힘을 회전 에너지로 바꾸기 위해서는 좁은 날개로 빨리 풍차를 돌리거나 넓은 날개로 천천히 풍차를 돌리는 2가지 방법이 존재한다.

풍차는 직선적 바람 에너지를 회전으로 변환하는 것이며 이는 공기에 트위스트를 추가한다는 걸 의미한다. 풍차 뒤에 공기는 소용돌이치는 기류가 발생하지만 풍차가 바람 에너지를 100% 얻을 수 있다면 기류가 발생하지 않는다고 생각되기 때문에 이 기류 회전 에너지 그러니까 풍차에서 흡수할 수 없는 에너지라는 것이다. 다시 말해 풍차 뒤에서 발생하는 기류 소용돌이가 적을수록 풍차 변환 효율이 뛰어나다는 걸 의미한다.

또 풍차 속도도 에너지 변환 효율에 큰 영향을 미친다. 예를 들어 이동하는 삼각형 대사면에 볼을 드롭했을 때 공은 튀어 올라 왼쪽으로 굴러간다. 그리고 대의 이동 속도가 빠를수록 왼쪽에 구르는 거리는 짧아진다. 이는 대의 이동 속도가 빠를수록 떨어지는 공 에너지를 많이 흡수하는 걸 의미한다.

따라서 풍차 날개는 빠르게 회전하는 게 회전 에너지 손실이 줄어든다는 것이다. 이론적으로 풍차 회전 속도는 풍속 5배 이상인 게 요구된다고 한다.

또 날개가 넓어지고 매수가 많아질수록 무거워 풍차 회전 속도가 떨어지고 비용도 늘어나 버리기 때문에 가늘고 좁은 날개가 2∼3장이라는 스타일이 현대 풍차에 채택됐다. 이런 이유로 더 효율적인 풍차를 실현하려면 좁은 날개 3장으로 빨리 풍차를 돌리는 접근 방식을 채택해야 한다는 게 현대 사고방식이다. 그 결과 현대 풍력 발전을 위한 풍차는 거대한 것이며 얇고 좁은 날개가 고속으로 회전하도록 설계되어 있다는 것이다.