차세대 풍력발전기

기어박스 없이 고리 형태의 자석과 53.6m짜리 블레이드 사용해 전력 생산

미국의 해안에 부는 바람의 에너지를 이용하면 미국에서 소비되는 전력량의 4배에 달하는 전력을 생산할 수 있다.

이로 인해 연근해에 풍력발전소를 짓는 경쟁에 불이 붙었다.

최근 전 세계의 풍력발전기 제작업체들은 2가지 기술을 시험하고 있다. 첫 번째는 바람을 더욱 잘 붙잡을 수 있는 대형 블레이드, 그리고 정비소요를 줄일 수 있는 단순화된 동력전달장치다.

GE의 신형 풍력발전기 오프-쇼는 2012년부터 전력을 공급할 예정이며, 이 모든 것을 하나의 패키지에 탑재할 예정이다. 오프-쇼는 로터의 직경이 109.7m며, 철탑의 높이는 91.4m다.

최대 출력은 4메가와트. GE가 만든 블레이드는 53.6m로 기존 제품의 평균치보다 무려 40%나 더 길다. 하지만 이 같은 길이에도 불구하고 경량이며, 공기역학적으로도 우수한 형상을 하고 있다.

이 블레이드가 연결된 동력전달장치는 기존 제품에 비해 작동 부위를 크게 생략했는데, 심지어는 고장과 에너지 손실을 많이 일으키는 기어박스도 없다. 한마디로 기어박스가 없는 직렬식 메커니즘을 사용하는 것.

블레이드는 현재 네덜란드에서 실험 중이며, 동력전달장치는 노르웨이에서 실험하고 있다. 이 같은 기술을 합친다면 새로운 풍력발전기는 기존 모델에 비해 25%나 많은 풍력을 붙잡을 수 있고, 최대 출력인 4메가와트를 채우는 경우도 늘어날 것이다. 4메가와트라면 1,000가구가 사용할 수 있는 전력량이다.

1.발전기: 이 90톤짜리 발전기에는 약 6m에 달하는 고리 형태의 자석이 있다. 이 자석은 회전하면서 전력을 생산한다. 지름이 크기 때문에 느리게 돌아도 많은 전력을 생산해낸다. 회전 속도는 블레이드의 회전 속도와 같으며, 분당 8~20회 사이다. 대부분의 메가와트 급 풍력발전기는 자석이 분당 수천 회는 돌아야 충분한 전력이 생산되기 때문에 기어박스가 필요하지만 이 발전기의 자석은 느리게 돌아도 많은 전력을 생산한다. GE의 엔지니어인 개리 머서는 이렇게 말한다. "기어박스가 없기 때문에 윤활유를 갈아줄 필요도 없습니다." 2.전기회로망: 전기회로망에 있는 변환기가 자꾸 변하는 전류의 주파수를 안정시켜준다. 또한 변압기는 전압을 690볼트에서 2만2,000볼트 이상으로 올려 전류가 멀리 떨어진 곳까지 잘 흐를 수 있게 한다. 3.피치 컨트롤러: 이 피치 컨트롤러는 블레이드의 각도를 초당 몇˚까지 변경할 수 있다. 변화하는 풍속에 맞춰 양력을 극대화하기 위해서다. 지나치게 바람이 세게 불어 발전기에 과부하가 걸리거나 장비 손상이 우려될 때는 블레이드가 돌지 못하게 할 수도 있다. 4.블레이드: 주요 부위에는 유리섬유 대신 가볍고 견고한 탄소섬유가 사용된다. 이로 인해 중량을 낮추면서도 강도는 높일 수 있다. 블레이드 끝단은 경사지지 않고 평평하기 때문에 그 만큼 많은 양력이 발생된다. 5.블레이드 조인트 6.로터 7.로터 샤프트 8.나셀: 직경 9m의 유리섬유 덮개. 9.요 드라이브: 나셀을 돌려 블레이드를 바람 방향에 맞춘다. 10.철탑: 해저 수십m 깊이까지 들어간 콘크리트 필론 위에 얹혀 있는 이철탑은 수면 위로 91.4m 가량 솟아있다.

HOW TO SPIN POWER

A. 블레이드 각도 조절
풍향센서에서 보내준 정보에 따라 요 드라이브가 나셀을 돌려 블레이드를 바람 방향에 맞게 한다. 피치 컨트롤러가 풍속에 가장 적합하도록 블레이드의 각도를 조절한다.

B. 로터의 에너지 전달
3엽 로터는 풍속 11.2~112km/h 사이의 바람을 받아야 돌아간다. 로터가 돌아가면서 그리는 면적은 풋볼구장만하다. 7m 길이의 로터 샤프트와 2개의 롤러 베어링이 로터가 돌아가면서 생긴 기계적 에너지를 발전기에 전달한다

C. 바람을 전력으로 전환
축이 고정된 구리코일 내의 자석을 돌려 코일 내에 전류를 생성시킨다. 전기회로망이 전류의 주파수와 전압을 조절해 전력망으로 보낸다.

휘어진 블레이드
풍력발전기의 블레이드가 길수록 더 많은 바람을 받아 그만큼 많은 전력을 생산할 수 있다. GE의 엔지니어인 머서는 이렇게 말한다. "할 수만 있다면 무한히 긴 블레이드도 만들고 싶습니다. 하지만 블레이드의 길이가 길어지면 그만큼 무게가 늘어나고 잘 구부러집니다." 다시 말해 블레이드가 강한 바람을 만나면 구부러지고, 기계에 심한 부담을 주거나 철탑을 파괴할 수도 있다는 것.

이에 따라 GE는 휘어진 블레이드를 설계했다. 기존의 블레이드가 쭉 뻗은 일자형이었던데 반해 이 블레이드는 뒤쪽으로 2.4m 정도 휘어져 있다. 바람이 블레이드 끝단을 밀어 올리면 블레이드는 자체 곡선을 따라 약간 휘어진다. 즉 바람의 힘을 최대한 에너지로 바꾸면서도 바람의 힘으로 망가지는 것은 최대한 피하는 것이다.