바람으로부터 얻는 에너지
바람의 힘은 오래 전부터 이용되어 왔다. 지금도 드물기는 하지만 바람의 힘은 풍차를 통해 기계적인 힘으로 변형되어서 물을 끌어올리거나 곡식을 가공하는 데 이용되기도 한다. 그러나 현재 전세계적으로 바람의 힘은 풍력발전기를 돌려서 전기에너지를 만드는 데 가장 활발하게 이용되고 있다.
풍력발전기는 발전용량이 10와트밖에 안되는 마이크로급에서부터 5메가와트에 이르는 대형 발전기까지 아주 다양한 종류가 개발되어 있다. 마이크로급의 발전기는 손으로 들고다닐 수 있을 정도로 작고, 3-5메가와트급은 날개의 지름만 100여 미터, 지지대의 높이가 100미터가 넘는 엄청난 규모의 것이다. 마이크로급의 발전기는 전기가 들어오지 않는 외딴 집에서 사용하기에 적당하고, 대형 풍력발전기는 많은 양의 전기를 생산해서 주위의 주택들에 전기를 공급할 목적으로 세워진다. 유럽과 미국에서는 대형 풍력발전기들이 한곳에 수십개 이상 들어서 있는 풍력발전 단지를 드물지 않게 찾아볼 수 있다. 이들 단지 중에는 전체 발전용량이 100메가와트(10만 킬로와트)에 달하는 것도 있다.
풍력발전기는 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 나뉜다. 수직축 발전기는 땅 위에 세워진 기둥 주위에 볼록한 형태의 큰 날개가 붙어서 서서히 도는 형태를 하고 있다. 그러나 수직축 발전기는 수평축에 비해 바람의 힘을 전기로 바꾸는 능력(변환 효율)이 떨어지기 때문에, 현재 풍력발전기 시장에서 판매되는 것은 거의 모두 수평축 발전기이다. 수평축 풍력발전기도 날개의 수가 세 개, 두 개, 한 개인 것으로 나눌 수 있다. 그러나 현재 시판되는 대형 풍력발전기는 대부분 세 개의 날개를 가지고 있다. 날개의 도는 힘이 발전기에 전달될 때 기어라는 중개장치를 이용하는가 또는 그 힘이 아무런 매개체도 거치지 않고 직접 전달되는가에 따라서도 두가지로 갈라진다. 날개의 도는 힘이 직접 발전기를 돌리는 형태는 독일의 에너콘(Enercon)이라는 회사에서 개발한 것으로, 기어를 거치면서 에너지가 상실되는 과정이 생략되기 때문에 효율이 조금 높아진다는 이점을 가지고 있다.
풍력발전기는 아주 강한 폭풍도 견뎌야 한다. 그래서 기둥은 두꺼운 강철이나 콘크리트로 만든다. 기둥은 콘크리트로 된 깊고 견고한 기초 위에 서 있다. 기둥의 안쪽은 비어 있기 때문에, 그 속의 계단이나 사다리 또는 엘리베이터를 통해서 발전기 통까지 올라갈 수 있게 되어 있다. 기둥 위에는 커다란 럭비공처럼 생긴 통이 놓여있고, 그 속에서 회전축이라고 불리는 긴 돌대가 돌아간다. 통은 영어로 나쎌(nacell)이라 부르고 우리나라에서도 영어를 그대로 사용하지만, 발전기 통이라고 부르는 것이 적합할 것이다. 통속의 회전축에는 바깥을 향해 날개가 연결되어 있고, 안에서는 발전기와 연결되어 있다.
날개는 바람을 가장 잘 받아서 전기로 바꿀 수 있도록 특수한 형태로 휘어져 있다. 바람은 어떤 때는 강하게 불다가 곧 약하게 불고, 계속해서 방향이 바뀌기도 한다. 그래서 통 위의 뒤쪽에 작은 풍향계와 측정기기가 붙어 있는데, 이것들은 바람이 어떤 방향에서 불어오고 얼마나 강한지를 감지해서 통 속의 컴퓨터에 전달한다. 그러면 컴퓨터는 이 데이터들을 처리해서, 발전기 통이 항상 바람부는 방향을 향하도록 하고, 날개가 바람의 에너지를 가장 잘 전기로 변환할 수 있도록 날개의 위치를 조종한다. 날개는 바람의 세기에 따라 평평한 부분이 앞뒤로 돌 수 있도록 되어 있다. 이렇게 해서 바람 속 공기의 흐름으로부터 힘을 최대한 끌어내는 것이다. 바람이 아주 강하게 불면 날개의 평평한 부분은 바람 방향과 수평으로 서게 되는데, 이때는 날개가 바람을 조금도 받지 않기 때문에 돌지 않고 정지한다. 태풍이 불 때 날개가 계속해서 돌아가면 날개가 부서져나간다. 이를 막기 위해서 날개가 바람을 받지 않도록 조정해서 풍력발전기의 회전을 정지시키는 것이다.
풍력발전기 꼭대기에서는 날개와 함께 거대한 발전기가 회전한다. 이것은 자전거 발전기와 비슷한 원리에 따라 작동한다. 그런데 자전거 발전기는 어떻게 작동하는 걸까? 자전거의 발전기 위쪽에는 작은 구동 바퀴가 붙어 있다. 이것은 거기에 붙은 막대를 돌게 만드는데, 이 막대는 발전기 통 속까지 뻗어 있다. 막대에는 코일이 달려 있고, 코일에는 구리선이 감겨 있다. 이 코일 둘레를 자석이 빙 둘러싸고 있는데, 코일은 이 자석 외피 속에서 회전하게 된다. 자석은 고정되어 있다. 움직이지 않는 것이다. 그런데 자석은 철로 된 물체를 끌어당기는 힘을 가지고 있을 뿐만 아니라, 금속선이 자석 위에서 평행으로 움직이면 금속선 속에서 전자라고 하는 작은 입자가 운동을 하게 만들 수 있다. 이 운동이 바로 전류이다. 발전기 속에서는 바로 이런 일이 일어난다. 코일을 둘러싼 자석 외피는 감긴 구리선 속의 전자들을 움직이게 만든다. 그러면 전기가 발생한다. 아 전기의 힘으로 자전거의 앞등과 뒷등이 반짝거린다. 풍력발전기 속에 들어있는 발전기는 자전거 발전기보다 훨씬 더 크고 강하다. 그렇기 때문에 훨씬 많은 전기를 만들어낼 수 있다.
풍력발전기를 세우려면 먼저 발전기를 세우려 하는 후보 지역에서 부는 바람의 세기와 성질을 조사해야 한다. 이것은 풍력자원 측정기기를 이용해서 1년 동안 실시한다. 보통 20미터 높이에 세우지만, 더 정확한 결과를 얻기 위해 풍력발전기 기둥높이까지 측정기기를 올리는 경우도 있다. 1년 동안 조사한 결과 풍향이나 풍속이 적합한 것으로 나오면, 이에 따라 그곳에 가장 적합한 풍력발전기의 형태와 크기 그리고 여러개를 설치할 경우에는 어떻게 배치할 것인가를 결정한다. 일반적으로 바람의 세기가 연평균 약 4m/s 이상인 곳에는 풍력발전기를 세울 수 있다. 바람은 공중으로 올라갈수록 강하게 불기 때문에, 바람이 강하지 않은 곳에도 풍력발전기를 높게 세우면 전기를 생산하기에 충분한 바람을 얻을 수 있다. 풍력발전기가 내는 힘(전기)은 바람 속도의 3제곱에 비례한다. 풍속이 4미터인 경우와 6미터인 경우 바람의 세기는 6미터가 1.5배지만, 여기서 얻어지는 전기의 양은 5배 가까이 된다. 그러므로 풍력발전기를 세울 때 1년간 풍속을 측정하는 등 가능한 한 적합한 입지를 선정하기 위해서 노력하는 것이다.
풍력발전기는 날개와 기둥의 길이가 매우 길기 때문에, 설치하는 장소까지 대형 트레일러와 크레인이 통과할 수 있는 도로가 있어야 한다. 산간지방의 경우 산등성이에서 바람이 강하게 불기 때문에 이곳이 풍력발전의 적지이긴 하지만, 보통 도로가 제대로 나있지 않기 때문에 이곳에 풍력발전기를 세우기는 쉽지 않다. 일반적으로 바람이 강한 곳은 산 정상이나 해안 그리고 바다이다. 산 정상은 산을 타고 밑에서 올라오는 바람과 산 위에서 부는 바람이 합쳐지기 때문에 바람의 세기가 강해진다. 반면에 산중턱은 바람이 부딪치기 때문에 바람도 약할뿐더러 와류 등의 불규칙한 바람이 생겨서 풍력발전에는 적합하지 않다. 바다에서는 바람을 방해하는 장애물이 없기 때문에 바람이 강하게 일어난다. 그렇기 때문에 최근에는 바다에 풍력발전기를 세우는 작업이 추진되고 있다. 이미 덴마크 연안에서는 상당수의 풍력발전기가 돌아가고 있는데, 훨씬 더 큰 규모의 해양 풍력단지가 독일 북해와 동해에 계획되고 있다. 바다에 세우는 풍력발전기는 육지에 세우는 것보다 규모가 크다. 독일에서는 보통 5메가와트급이 해양 풍력단지에 적합한 것으로 여겨지고 있다. 그 이유는 수송이 쉽고 작은 것을 여러개 설치한 경우보다 점검이 더 쉽기 때문이다.
풍력발전기를 세우는 작업에서 처음에 하는 일은 콘크리트 기초를 놓고 기둥을 세우는 일이다. 그 다음에 발전기 통을 기둥 위에 올리고, 통에 날개를 붙이는 작업을 한다. 날개를 올릴 때 일꾼들은 긴 줄에다 날개를 단단히 붙들어매고 흔들리지 않게 잡아당긴다. 날개가 들려올라가면서 기둥에 부딪치면 안되기 때문이다. 날개는 산들바람만 불어도 원을 그리면서 돌아갈 수 있는데, 날개는 특별하게 휘어져 있기 때문에, 아주 약한 바람도 붙잡을 수 있다. 풍력발전기가 자신의 최고발전능력을 가지려면 최고 속도로 힘차게 돌아야만 한다. 그럴려면 바람이 강하게 불어야 하는데, 이때 풍속은 초속 13-15미터 쯤 된다. 바람이 더 강해지면 풍력발전기는 정지된다. 풍력발전을 비판하는 사람들은 태풍이 불 때 풍력발전기가 바람을 맞아서 쓰러진다는 이야기를 하지만 정지 상태이기 때문에 커다란 집채를 날려버릴 정도의 바람이 불지 않으면 그런 일은 일어나지 않는다.
풍력발전기를 세우는 데 들어가는 비용은 1메가와트급의 경우 약 15억원이 든다. 여러개를 한꺼번에 세울 경우에는 13억원 이하로 떨어진다. 소형 풍력발전기는 형태에 따라서 가격 차이가 크게 난다. 1kW급의 경우는 5백만원에서 1000만원, 10kW급은 2000만원부터 4000만원까지 편차가 크다.
전세계 육지에서의 풍력발전 잠재량 - 기술적으로 개발가능한 - 은 연간 2만-5만 테라와트시에 달하는 것으로 추정된다. 그러나 1999년 현재 풍력발전기의 전체 용량은 13600메가와트였고, 발전량은 24테라와트시에 지나지 않았다. 잠재량의 1000분의 1도 이용하지 못한 셈이다. 이와 같이 엄청난 풍력발전 잠재량이 존재하고 생산비용도 시간이 갈수록 내려가고 있기 때문에, 전세계의 풍력발전기 시장은 급속하게 확대되고 있다. 1994년부터 1999년까지의 연간 증가율은 약 30% 이상이었는데, 이러한 증가추세는 앞으로도 상당 기간 계속될 것으로 전망된다. 현재와 같은 추세대로 풍력발전 시장이 확대되면 20여년 후면 전세계 전기수요의 10% 이상이 풍력발전으로 충당될 것이 예상된다.
좀더 적극적으로 풍력발전이 확대되면 2015년 경에 10%를 넘을 것이고, 2030년 경에는 전체 발전용량이 1.9테라와트로 더 이상 성장할 수 없는 포화상태에 달할 것으로 예측된다. 풍력발전의 경제성은 80년대에 처음 보급될 때에는 화력발전이나 원자력발전에 비해서 상당히 낮았지만, 지난 20년간 기술개발과 대형화에 힘입어 풍력전기의 생산비용은 85%나 떨어졌다. 현재 풍력발전은 화력발전과도 어느 정도 경쟁을 할 수 있을 정도의 경제성을 가지고 있다. 생산비는 앞으로도 계속 떨어져서 10년 후에는 킬로와트시당 약 50원 정도로 줄어들 것으로 전망된다. 유연탄 화력발전이나 원자력발전의 발전원가가 약 50원에 달하므로 환경비용을 고려하지 않고도 화력발전과 충분히 경쟁할 정도가 되는 것이다. 물론 풍력발전의 전기 생산 비용은 바람의 세기에 따라서 달라진다. 바람이 잘 부는 곳에서는 발전원가가 40원이 될 수도 있겠지만, 바람이 덜 부는 곳에서는 발전원가가 100원이 될 수도 있는 것이다. 풍력발전 산업계에서는 2004년까지 전세계의 풍력발전기 시장이 2000년의 3배로 성장할 것으로 보고 있고, 2010년까지 10년 동안의 새로운 풍력발전기의 수요가 10만 메가와트(1000메가와트급 원자로 100기에 해당)에 달할 것으로 예측한다.
풍력발전기를 생산하고 운반하고 설치하는 데 들어간 에너지의 양이 상쇄되는 기간은 발전기의 크기와 바람의 세기에 따라 달라진다. 대형의 경우는 3-4개월, 바람이 6.5m/s 로 불 경우에는 소형으로도 2-8개월이면 투입된 에너지가 상쇄된다. 배출되는 이산화탄소의 양도 바람의 세기에 따라 달라지는데, 1킬로와트시의 전기를 생산할 때의 이산화탄소 배출량은 평균 19그램, 이산화황 배출량은 0.014그램 정도이다.
| 풍속 4.5m/s | 5.5m/s | 6.5m/s | |
| 상쇄기간(월) | 6-20 | 4-13 | 2-8 |
| 이산화황(kg/GWh) | 18-32 | 13-20 | 10-16 |
| 산화질소(kg/GWh) | 26-43 | 18-27 | 14-22 |
| 이산화탄소(g/kWh) | 19-34 | 13-22 | 10-17 |
풍력발전은 환경적인 측면에서 소음이나 경관의 손상 등의 문제를 유발할 가능성도 있다. 그러나 풍력발전기의 소음은 기술의 발달로 이제는 크게 신경쓸 것이 못된다. 주택가 바로 옆에서 규모가 작은 풍력발전기의 날개가 바람이 불 때마다 빠르게 돌아간다면 소음이 약간 문제될 수가 있다. 그러나 요즈음 생산되는 발전기는 날개 지름이 수십미터에다 높이도 백미터에 달하는 것들로서 주택가로부터 멀리 떨어진 넓은 들판이나 밭 한가운데에 세워지기 때문에, 소음 피해를 주는 경우는 거의 없다. 게다가 날개가 커지면 돌아가는 속도도 느려지고 바람을 가르는 소리도 약해진다. 그렇기 때문에 이러한 대형풍력발전기의 경우는 가까이 다가가도 시끄럽게 돌아가는 소리는 전혀 들리지 않는다.
풍력발전기가 시각에 따라서는 자연경관을 변형하는 것으로 보일 수도 있다. 철저한 환경보존주의자들은 다른 발전시설과 마찬가지로 환경을 파괴하는 것으로 보기도 한다. 그러나 풍력발전기가 가져오는 손상은 화력발전소나 원자력발전소의 건설로 파괴되는 것과 비교하면 결코 심한 것이 아니다. 이들 발전소는 땅을 뒤엎고 그 위의 자연을 모조리 없앰으로써 환경을 손상하고 자연경관을 완전히 바꾸어버린다. 갈탄광산의 경우에는 수십킬로미터의 숲과 마을을 뒤엎는다. 그리고 땅속으로 300미터 가까이 파들어가기 때문에, 광산이 차지한 면적보다 훨씬 넓은 땅의 지하수를 고갈시켜 생태계를 파괴한다. 화력발전소는 많은 양의 온실기체와 오염물질을 방출하고 원자력발전소는 끊임없이 핵폐기물을 내놓는다. 반면에 풍력발전기 몇대를 밭 가운데나 언덕 위의 좁은 땅 위에 세울 경우 이로 인해 파괴되는 것은 거의 없다. 풍력발전기가 세워지면 나무 몇그루 정도만 손상을 입을 뿐이다.
풍력발전을 비판하는 사람들은 풍력으로 필요한 전기를 얻어 쓰려면 우리나라 땅 전체에 풍력발전기를 세워야 할 것이라고 주장한다. 풍력단지를 조성해서 전기를 생산할 때 단지의 면적 전체를 계산하면 그런 주장도 나올 수 있다. 그러나 단지 안의 땅은 쓸모없는 땅이 되는 것이 아니다. 그 땅 위에다 얼마든지 가축을 방목하거나 작물을 재배할 수 있다. 풍력발전기를 서너개만 세울 때는 밭이나 논 가운데에도 세울 수 있다. 농사짓는 땅은 그대로 두고 그 중에서 약간의 면적만을 풍력발전기가 차지하는 것이다. 그러므로 풍력발전을 하기 위해서는 아주 넓은 땅이 필요하다는 주장은 터무니없이 과정된 것이다.
풍력발전기가 새들의 이동을 방해하는 일은 대형 풍력발전기가 철새 이동로에 대단위로 들어선 경우에 일어날 수도 있다. 그러나 그렇지 않은 지형에 들어선 풍력단지는 규모가 크더라도 새들의 비행에 아무런 장애물도 되지 않는다. 한두개 세워져 있는 경우는 대다수의 풍력발전기가 새들에게 조금도 장애물로 작용하지 않았다. 조사에 의하면 풍력발전기 날개가 움직이기 때문에 새들이 발전기를 피하게 된다고 한다. 오히려 정지해 있는 대형 건물이 새들에게는 더 큰 장애물로 작용한다는 것이 밝혀졌다. 해마다 매우 많은 수의 새가 대형 건물에 부딪쳐서 죽는다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 풍력발전기가 경관을 해친다는 주장은 송전탑과 비교하면 너무 과장이라는 것을 알 수 있다. 송전탑이야말로 숲을 해치고 경관을 크게 해친다. 이것에 비하면 적당하게 들어선 풍력발전기는 경관을 보기좋게 만드는 데 기여한다고까지 말할 수 있다.
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