풍력발전의 원리

쉽게 생각할 수 있는 풍력발전은 바람의 힘으로 선풍기 날개 같은 것(블레이드)을 돌리고, 그것이 전자기 유도를 통해 전기에너지를 생산하는 것입니다.  이번 포스팅에서는 풍력 발전의 원리와 발전 시설의 구성 요소 등을 알아보겠습니다.

 

전자기 유도

발전기에서 전기에너지를 생산하는 방법은 전자기 유도의 원리를 이용합니다. 

1831년 영국의 물리학자 마이클 페러데이는 자기 선속(magnetic flux)의 변화가 기전력을 발생시키는 것을 발견했는데요. 이것이 바로 페러데이의 전자기 유도 법칙입니다. 좀 더 쉽게 설명하면, 자기장 내에서 도체가 상대적인 운동을 하면 전압이 생겨 전기가 흐르는 것입니다. 

여기서 유도되는 전압(V)은 다음 식과 같이 도선의 감긴 수(N)와 도선 내의 자기장의 변화율(dɸ/dt)의 곱에 비례합니다:

이 법칙에 따라 영구 자석으로 둘러 쌓인 코일이 회전하면 전기가 생성이 됩니다.  

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풍력 발전기의 형태

위의 설명과 같이 발전기에서 코일을 회전시키면 전기가 만들어지는데, 이때 코일을 어떤 힘으로 움직이는 가에 따라 풍력, 수력, 화력, 원자력 발전 등으로 구분됩니다.

오늘의 주제인 풍력 발전은 바람의 힘으로 코일을 돌려 전기에너지를 만듭니다.
따라서 바람의 힘을 받기 위해서는 어떤 구조물이 있어야 하는데, 풍력 발전기는 다음 그림과 같은 형태들을 가집니다.

일반적으로 수평축 형태는 효율이 높지만 풍향의 영향을 많이 받고, 수직축 형태는 풍향의 영향은 적으나 효율이 떨어집니다.

또한 해상에 설치된 풍력발전기는 다음과 같이 부유식과 고정식으로 나눌 수 있습니다.

 

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풍력 발전기의 구성

풍력 발전기는 보통 다음과 같은 구성물을 가지고 있습니다.
블레이드: 선풍기 날개와 같이 바람을 이용해 회전 운동을 만들어주는 부분입니다.
타워: 풍력발전기를 지지해주고 블레이드를 높게 위치하도록 하여 바람을 잘 받게 해줍니다.
회전축: 블레이드의 회전 운동을 발전기 또는 증속기에 전달해 주는 축입니다.
발전기: 전달받은 운동에너지를 이용해 전기를 만드는 부분입니다.
증속기: 회전의 속도를 발전이 용이하도록 올려주는 부분입니다.

그리고 제동장치, 콘트롤 및 모니터링 시스템 등이 있습니다.