[과학을읽다]풍력발전기 날개가 3개인 이유

풍력발전기의 날개는 왜 3개일까요. 4~5개라면 발전효율이 더 높지 않을까요. [사진=GE 홈페이지]

[아시아경제 김종화 기자]풍력발전기의 블레이드(날개)는 왜 3개일까요? 4개이거나 5개면 발전 효율이 더 높지 않을까요?

풍력발전은 날개가 바람을 받아 회전하면서 날개의 회전으로 발생하는 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 것입니다. 풍력발전기는 바람에너지의 최대 60% 정도까지 전기로 변환할 수 있고, 온실가스 배출도 없으며, 자원이 풍부한데다 깨끗하고 끊임없이 재생된다는 장점까지 갖춰 태양광과 함께 가장 각광받는 대체 에너지원입니다.

요즘 설치되는 풍력발전기의 날개는 특수한 경우를 제외하고는 모두 3개입니다. 날개가 4개 이상 늘어나면 늘어난 날개 만큼 바람을 받는 면적과 발전량은 늘어나겠지만 무게 때문에 발전 효율은 오히려 떨어지기 때문이라고 합니다.

일반적으로 길이가 50m짜리 날개 하나의 무게는 약 10톤 정도인데 높이 100m 정도의 윈드타워(지지탑·기둥) 하나가 30톤의 무게를 떠받들고 있는 셈입니다. 날개가 많아지면 무게를 지탱하기도 힘들겠지만 바람이 많이 불어 날개가 쌩쌩 돌아갈 때 버틸 수 있는 힘도 약해져 윈드타워가 꺾일 수 있다고 합니다. 결국 비용을 많이 들여 날개 숫자를 더 달 필요가 없다는 말입니다.

그렇다면 날개가 2개 짜리를 달면 어떨까요? 날개 2개와 3개인 풍력발전기의 발전 효율은 동일하다고 합니다. 그러나 비용이 더 들어도 날개는 반드시 3개를 단다고 합니다. 날개가 2개보다 3개가 안정성이 높기 때문이라고 합니다.

풍력발전기의 날개는 날개는 축에서 멀어질수록 날개의 폭이 좁아집니다. 길이가 50m인 풍력발전기 날개는 일반적으로 축에서 가까운 부분은 폭이 5m, 끝 부분은 1m 이내입니다. 이는 비용과 안정성 때문이라고 합니다.

풍력 발전용 날개는 금속이 아닌 유리섬유나 탄소섬유를 접착제로 겹겹이 붙여서 만드는데 축, 기어박스, 발전기, 윈드타워 등으로 구성된 풍력발전기에서 가장 비싼 부품입니다. 날개가 전체 비용의 20%를 차지한다고 합니다.

고강도 유리섬유나 탄소섬유로 만들어도 강풍에 의해 날개가 부러질 수 있는데 끝부분으로 갈수록 폭을 좁게 하면 바람의 저항을 잘 흘릴 수 있어 보다 안전해 진다고 합니다. 실제로 풍력발전기는 태풍이 불면 가동하지 않는데 태풍이 불면 바람이 더 많이 불어 전력을 더 많이 생산할 수 있겠지만 그 보다 날개가 부러져 다시 설치하는 비용이 더 들기 때문입니다.

반면, 날개 길이가 길면 길수록 발전량은 더 증가한다고 합니다. 그래서 날개 숫자는 3개로 고정될지언정 길이는 자꾸 커지는 추세이지요. 현재 세계에서 가장 큰 풍력발전기는 덴마크 MHI 베스타스사의 V164-9.5로 용량 9.5ＭＷ, 로터 직경 164m 짜리입니다. 그러나 올해 3월 미국의 GE사 'Haliade-X'를 개발했습니다.

2021년이면 세계에서 가장 큰 날개를 가진 풍력발전기는 GE에서 만든 Haliade-X로 바뀝니다. 날개 길이 107m, 높이 260m로 런던아이즈보다 높고 크라이슬러빌딩보다 낮습니다. [사진=GE 홈페이지]

Haliade-X는 로터 직경 220m, 날개 길이가 107m입니다. 기초 부분에서 날개 끝 최상부까지의 높이가 무려 260m에 달합니다. Haliade-X의 상용화는 풍력발전기가 어디까지 커질 수 있는지에 대한 가능성도 같이 테스트하는 장이 될 것입니다. 성공적으로 가동된다면 안정성이 입증된 만큼 날개의 길이는 이 보다 더 커질 수 있겠지요. Haliade-X에는 발전용량이 12MW인 발전기가 설치돼 1대로 1만6000가구에 전력을 공급할 수 있다고 하니 엄청난 전력생산량입니다.

북해(北海)의 전형적인 바람의 특성을 고려하면 연간 67GWh의 전력을 생산할 것으로 추산됩니다. Haliade-X는 2021년 상용화할 계획이라고 합니다. 베스타스사의 날개가 세계 최고의 지위를 누릴 수 있는 기간은 이제 3년 남은 셈입니다.

2017년 기준으로 우리나라의 풍력 에너지 설비는 1.2GW이며, 1기당 용량은 1MW~3.3MW 정도입니다. 지난해 정부가 석탄과 원자력을 줄이는 대신 태양광, 풍력을 포함한 재생에너지 발전량 비율을 2030년까지 20%까지 늘린다는 에너지전환 포트폴리오를 발표했습니다. 풍력에너지 설비는 2030년까지 확보하게 될 신재생에너지 설비 48.7GW 중 34%인 16.5GW를 차지할 예정입니다.

세계 수준과의 격차는 전력 생산량만 비교해도 엄청납니다. 세계적으로 풍력발전기의 건설 대수를 줄이고 풍력발전기의 대형화를 추구하는 추세입니다. 우리나라도 추세에 따라 재생에너지 주요 생산국으로 자리매김할 수 있으면 좋겠습니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr