KISTI의 과학향기

온실가스로부터 지구를 지키지 못하면 인류의 미래를 보장할 수 없을지도 모른다는 위기감이 확산되면서 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 시대적인 필요성에 힘입어 여러 신재생에너지가 개발되고 있지만 가장 주목받는 것은 바로 풍력발전이다.

사실 인류가 바람을 에너지원으로 사용한 지 1만년, 풍차를 사용한 지 3000년이 넘었다. 풍력발전이 시작된 지도 100년이 넘었지만 그 동안 저렴하고 사용하기 편리한 화력발전에 밀려 그다지 빛을 보지 못했다. 그러나 이제 차세대 에너지로 주목받는 풍력발전은 변신을 거듭하고 있다. 풍력발전의 이모저모를 들여다보자.

풍력발전은 바람의 운동에너지를 회전에너지로 변환하고, 발전기를 통해 전기 에너지를 얻는 기술이다. 공학자들은 바람의 운동에너지를 조금이라도 더 얻기 위해 풍력 발전기를 발전시키고 있다. 먼저 ‘요우 시스템’(Yaw system)이 있다. 바람에 따라 풍력 발전기의 방향을 바꿔 회전날개(Blade)가 항상 바람의 정면으로 향하게 하는 것이다. 풍향계와 풍속계로 실시간으로 바람의 움직임을 측정해 발전기의 출력이 항상 최대가 되도록 한다.

또 비행기 날개와 같이 회전날개의 각도를 변화시키는 ‘피치 시스템’(Pitch system)이 있다. 로터의 회전날개는 비행기의 날개와 마찬가지로 에어포일 구조로 돼 있어 바람에 따라 회전날개의 각도를 바꾼다. 이 외에도 회전력을 잃지 않기 위해 기어 없이 직접 발전기에 연결하고, 복합재료를 이용해 발전기 통(나셀, nacelle)의 무게를 줄이는 등 다양한 방법을 쓴다. 무게가 줄어들면 보다 높은 위치에 풍력 발전기를 매달 수 있다.

풍력 발전기를 설치하는 위치도 중요하다. 풍력 발전기의 출력은 풍속의 3제곱과 프로펠러의 회전면적의 제곱에 비례한다. 풍속이 빠를수록, 프로펠러의 면적이 클수록 출력이 높아진다는 말이다. 지상에는 풍력 발전의 출력을 높이는데 한계가 있다. 지상의 바람은 빠르지 않고, 더욱이 바람이 항상 불지 않기 때문이다. 따라서 풍력 발전기는 최대 풍속에 맞춰 설계하지 않고, 최빈 풍속에 따라 설계한다.

높은 고도에서 바람은 일정한 풍속과 빈도로 분다. 즉 풍력 발전기는 높이 있을수록 좋다. 문제는 풍력 발전기를 높게 설치하기 위해서, 또 로터의 회전날개 길이를 수십m 이상 크게 만들기 위해서 막대한 비용이 든다는 점이다. 따라서 최근에는 고고도풍(High altitude wind)을 이용하려는 새로운 연구들이 진행 중이다. 즉 철탑을 세울 수 있는 높이보다 더 높은 곳에 있는 바람을 이용하자는 것이다.

어떻게 고고도풍을 이용할까? 방법은 비행선, 연 등에 발전기를 달아 하늘에 띄우는 것이다. 캐나다 마겐 파워사는 헬륨 가스 비행선에 발전기를 단 MARS(Magenn Power Air Rotor System)라는 공중에 떠 있는 발전기를 판매하고 있다. 이 발전기는 헬륨 풍선의 부력을 이용해 발전기를 띠우고 물레방아를 흐르는 물에 담그면 회전하듯 바람에 의해 풍선이 회전하도록 만들어져 있다. 이 회전하는 풍선은 발전기와 연결되어 있어 전기를 생산할 수 있다. 브리자 테크놀러지는 이 보다 작은 비행선 수 십 대를 뗏목처럼 연결하여 바다에서 띄우는 HWT(Hovering Wind Turbine)를 계획 중이다. HWT는 수 십 대의 작은 헬륨 비행선이 서로 묶여져 있는데, 각각의 헬륨 풍선 앞에 풍차가 붙어 있어 발전할 수 있도록 되어 있다.

연을 사다리처럼 생긴 풍차에 매달아 공중을 오르내리는 아이디어도 있다. 마치 에스컬레이터가 움직이는 것과 같이 사다리 모양으로 연결된 연이 오르락내리락 하는 것을 이용해 발전기를 돌린다는 것이다. 또 연을 회전목마처럼 둥근 판의 사방에 달아 연이 날아가면 그 힘으로 발전기를 회전시키는 장치도 연구 중이다. 이는 지상에 있는 둥근 판(이나 원형 팔)의 사방에 연을 매달아 이를 조종하면서 둥근 원판을 회전목마와 같이 회전시킨다는 것이다. 또한 미국의 스카이 윈드 파워사는 오토자이로(헬리콥터와 비슷한 비행체)처럼 생긴 프로펠러가 달린 하늘을 나는 발전기를 띠워 올리기 위해 연구 중이다.

고고도풍을 이용한 풍력 발전은 결국 제트기류를 이용하게 될 것이다. 제트기류는 대류권 상층부에 부는 초속 30m의 편서풍이다. 때로는 초속 100m가 넘는 경우도 종종 있다. 제트기류의 단 1% 만 이용해도 미국에서 사용하는 전기에너지를 모두 충당할 수 있다고 한다. 2차 세계대전 당시 일본은 미국 본토까지 폭탄을 실어 나르기 위해 이 바람을 사용했지만, 이제 제트기류는 인류를 구원할 막대한 에너지원이 됐다. 우리나라 상공도 이 제트기류가 지나가기 때문에 이를 이용하면 막대한 전기를 얻을 수 있을 것이다. (글 : 최원석 과학칼럼니스트)