바람이 분다, 에너지가 쌓인다?!
바람의 재발견 ‘풍력에너지’
7월, 이제 본격적인 여름입니다. 한 줄기 청량한 바람이 절실해지는 계절이지요. 직접적으로 눈에 보이진 않지만 강력한 힘을 지닌 바람을 활용하여 에너지를 만드는 풍력에너지가 바로 이달의 주인공입니다. 풍력에너지는 이미 많은 사람이 알고 있지만, 풍차의 회전하는 날개에서 어떻게 에너지가 생산되는지에 대해서는 모르는 경우가 많습니다. 이번에는 바람과 풍력발전기의 원리를 알아보고 바람을 활용한 발전기의 무궁무진한 가능성을 이야기해보고자 합니다.
바람은 어떻게 만들어질까요? 우리가 인위적으로 만들어볼 수 있는 바람을 한번 생각해봅시다. 풍선에 공기를 가득 채우고 입구를 막고 있다가 놓게 되면 어떤 일이 벌어지나요? 공기가 풍선에서 배출되면서 풍선이 ‘슝~’ 날아가지요. 바람은 바로 공기의 흐름입니다. 그렇다면 공기의 흐름은 어떻게 생성될까요? 바로 압력의 차이로 발생합니다. 풍선 안에 모여 있던 공기는 일정한 공간 속에 있기에 공간에 제한이 없는 외부에 비해 압력이 높습니다. 공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 자연스럽게 이동하기 때문에 공기가 풍선 안에서 밖으로 밀고 나가는 것이지요.
이것은 더운 여름날 바닷가에서 더욱 명확히 확인할 수 있습니다. 여름철 바닷가에 가면 주로 낮에는 바다에서 모래사장으로 바람이 많이 불고 밤에는 모래사장에서 바다로 바람이 많이 부는 것을 경험해 본 적이 있으신가요? 이것은 바로 압력의 차이에 의한 것으로 바다의 열용량이 육지의 열용량보다 더 크기 때문에 압력 차가 발생하지요. ‘열용량’이란 어떤 물질 온도를 1°C 높이는데 필요한 열량을 말하는데요. 열용량이 작은 모래사장은 더 빨리 뜨거워지고 더 빨리 식기 때문에 낮에는 모래사장보다 바다 쪽의 온도가 낮고, 밤에는 덜 식은 바다가 모래사장 쪽 온도보다 더 높게 됩니다. 온도가 높으면 공기가 위로 상승하게 되는데요, 공기가 상승하게 되면 그곳은 공기가 부족하여 저기압이 되며 반대로 차가운 지역은 공기가 하강하여 고기압이 되게 됩니다. 이렇게 되면 공기가 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하게 되면서 자연스럽게 바람으로서 우리에게 느껴지는 것이지요.
그렇다면 공기의 흐름이 전기를 생산하는 원리는 무엇일까요? 풍력발전기는 바람이 발전기의 날개를 돌려 그 날개의 회전으로 발전을 하는 것이 기본적인 원리인데요, 먼저 날개가 돌아가는 원리를 알아봅시다. 풍력발전기의 날개를 돌게 하는 것은 양력이라는 물리적 현상으로 가능합니다. 이것은 비행기가 날 수 있게 하는 원리와 동일하지요. 풍력발전기의 날개를 잘라 단면을 살펴보면 위의 그림과 같은 형상이 나오는데요, 위와 같은 형상이 양력을 만들어내게 됩니다.
바람이 블레이드를 향해 불어오게 되면 날개의 윗면에 흐르는 공기보다 밑면에 흐르는 공기가 더 빠르게 움직이게 됩니다. 공기 속도의 차이는 압력의 차이를 만들어내는데요, 이것은 베르누이의 방정식에 의해서 발생하는 원리입니다. 윗면과 아랫면이 같은 에너지를 가질 때 더 빠른 속도로 움직이는 면은 더 낮은 압력을 가지게 되지요. 따라서 아랫면이 더 높은 압력을 가지게 되고 이에 따라 블레이드는 압력이 낮은 방향으로 미는 힘이 형성됩니다. 이 원리를 통해 비행기가 나는 것이고 풍력발전기처럼 옆으로 돌아가는 블레이드를 회전하게 되는 것입니다. 바람과 양력의 원리로 블레이드가 회전하게 되면 이 회전에너지를 활용하여 발전기를 돌립니다. 즉, 바람에너지가 회전에너지로, 회전에너지가 전기에너지로 전환되는 것이지요.
회전에너지는 전기에너지로 어떻게 변환되는 것일까요? 그것은 바로 패러데이의 전자기 유도 법칙입니다. 모두 고등학교 물리 시간에 한번은 들어보았을 물리 지식이지요. 자기장이 코일 사이를 움직이면 전자기 유도 법칙에 의해 전기가 생산된다는 원리인데요, 프로펠러, 즉 회전자에 자석이 부착되어 고정된 코일 사이에 자석이 회전하면 전기가 생산되는 것입니다. 간단하고도 이해하기 쉬운 물리 지식으로 신재생 에너지가 만들어지고 있다는 사실이 놀랍지요?
이제는 여기에서 더 나아가 더 효율적이며 어떤 조건에서도 전기 생산이 가능한 여러 신기술이 개발되고 있다고 합니다. 그중 몇 가지를 소개해보고자 하는데요, 이전에 잠깐 다루기도 했던 혹등고래 이야기입니다. 프로펠러는 혹등고래의 지느러미 구조를 활용했다고 했는데 풍력발전기에 비해 더 많은 회전 속도를 내어 발전기의 효율을 높일 수 있었다고 합니다.
모양이 완전히 달라진 풍력발전기들도 있습니다. 기존 풍력발전기의 큰 문제점 중 하나는 주변의 새들에게 피해를 주는 것이었는데요. 바람을 타고 이동하는 새들이 결국 풍력발전기와 동선이 겹칠 수밖에 없어 회전하는 프로펠러에 충돌하는 사례가 상당히 많았습니다. 하지만 이번에 스페인 스타트업 회사에서 개발된 독특한 형태의 풍력발전기는 이러한 문제를 시원히 해결해주었습니다. 그 비결은 바로 날개 없는 풍력발전기입니다. 보텍스(Vortex) 풍력발전기는 회전하는 날개 없이 전기를 생산합니다. 그것이 어떻게 가능할까요?
그림을 보면 그저 전신주 같이 길다란 모양의 기둥이 우뚝 서 있는 듯 보이는데요. 이 기둥이 바람에 의해 흔들흔들 움직이면서 전기를 생산하는 원리라고 합니다. 이것은 플러터 현상을 이용해 작동되는데요, 플러터 현상이란 비행기 날개와 같은 구조물과 공기 흐름이 상호작용하여 발생하는 현상을 말합니다. 플러터 현상이 발생하면서 생긴 진동의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 것이 보텍스 풍력발전기의 큰 특징이라고 할 수 있겠습니다.
영국의 스타트업 ‘알파 311’는 인위적 바람으로 전기를 생산하는 풍력발전기도 고안했습니다. 생김새가 물레방아를 닮은 이 장치는 자동차나 기차가 지나갈 때 생기는 바람을 활용해 전기를 생산합니다. 하루에 6㎾의 전력을 생산할 수 있는 ‘알파 311’은 24개의 태양열 전지가 생산하는 양과 동일하며, 이는 한 가정이 평균 2일 동안 사용하는 전력량에 달한다고 합니다. 잘만 활용한다면 새로운 에너지 생산방식으로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대됩니다.
우리나라에서도 공중 풍력발전이라는 새로운 형태의 풍력발전기 개발을 활발히 진행하고 있는데요, 한국전기연구원에서 개발하고 있는 이 제품은 붉은색 패러글라이딩 형태의 연으로 지상 100m까지 떠올라 연결된 실타래를 풀었다 감았다 하면서 전기를 생산하게 됩니다. 이것은 고도가 올라갈수록 바람이 균일하고 강력하게 부는 특징을 이용한 풍력발전기입니다. 실제로 미국 로렌스 리버모어 연구소는 2013년 국제 학술지에서 고고도 풍력발전의 큰 가능성에 대해 논한 바 있었는데요, 이를 통해 전 세계 에너지 수요의 90배에 이르는 에너지를 뽑아낼 수도 있다는 발표였습니다.
바람을 활용한 풍력발전의 가능성이 조금 보이시나요? 지역과 발전 시간이 약점이었던 발전기는 그 한계를 넘어 새로운 모습과 형태로 만들어지고 있습니다. 물론 아직은 생산 전력이 부족해 주력 발전기로 활용하기는 어려운 상황이지만, 계속해서 신기술이 개발되고 발전된다면 우리는 자연을 통해 무궁무진한 자원 하나를 더 얻게 되는 셈입니다. 종일 푹푹 찌는 여름, 기분 좋은 바람 이야기로 잠시나마 시원하셨나요?
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