풍력이란 무엇인가요?

인간은 고대부터 단순한 풍차를 사용하여 물을 퍼올리는 등 기계적 목적으로 풍력 에너지를 사용해 왔습니다. 오늘날 풍력 발전은 풍력 터빈을 사용하여 바람에서 에너지를 얻습니다. 풍력 터빈은 소규모(단일 주택)부터 대규모(풍력 발전소) 규모까지 운영되며 육지 또는 호수나 바다와 같은 연안에 건설할 수 있습니다.

태양광 발전과 더불어 풍력 발전은 전 세계적으로 재생 에너지 용량 증가에 가장 큰 잠재력을 가진 것으로 여겨집니다. 2023년 신규 풍력 발전 설비의 상위 5대 시장은 중국, 미국, 유럽 연합, 인도, 브라질이었습니다.¹ 해상 풍력 기능을 발전시키고, 생산 비용을 절감하며, 풍력 터빈 발전 효율을 개선하기 위한 혁신이 산업 성장을 촉진하기 위해 진행 중입니다.

풍력의 초기 기계적 사용 중 일부는 중동 사람들이 풍차를 사용하여 곡물을 갈고 중국에서 물을 퍼올리기 위해 사용했던 기원전 200년으로 거슬러 올라갑니다. 이후 12세기 초에 풍차는 유럽의 호수와 연못을 배수하는 것과 같은 산업 목적으로 활용되었습니다.

19세기에는 풍력 에너지가 전력 생산의 원천이 되었습니다. 영국의 전기 엔지니어인 James Blyth는 1887년에 최초의 풍력 터빈을 제작한 것으로 알려져 있습니다. ^그뒤를 이어 풍력 에너지의 선구자인 미국인 Charles Brush와 Dane Poul la Cour가 뒤따랐는데, 이들은 풍력 에너지를 이용해 개별 건물에 전력을 공급했습니다.

그러나 20세기 후반이 되어서야 상업용 풍력 발전이 실행 가능한 에너지 옵션으로 부상했습니다. 최초의 유틸리티 규모 풍력 발전 단지(풍력 터빈 그룹이 포함된 프로젝트)는 1980년대 미국에서 설치되었습니다. 풍력 발전 산업은 2000년 이후 빠르게 성장하여 지난 20년 동안 전 세계적으로 설치된 풍력 발전 용량이 98배 증가했습니다.³ 오늘날 전 세계의 풍력 터빈은 연간 2,100테라와트시(TWh) 이상의 전기를 생산합니다.⁴

최신 풍력 터빈에는 바람에 의해 힘이 회전하면 로터를 회전시키는 프로펠러와 같은 블레이드(또는 로터 블레이드)가 있습니다. 로터는 터빈의 중심부에 있는 상자 모양의 컨테이너 안에 있는 발전기를 회전시키는데, 이 발전기는 나셀이라고 합니다. 로터가 회전하면 전력망에 공급하거나 개별 주택에 전력을 공급할 수 있는 깨끗한 전기가 생성됩니다. 이 과정은 운동 에너지가 회전 에너지로 변환된 다음 전기 에너지로 변환되는 것으로 설명할 수도 있습니다.

가장 일반적인 풍력 터빈은 수평축 풍력 터빈(HAWT)으로, 날개가 3개 달린 선풍기와 비슷합니다. 하지만 주방 스탠드 믹서처럼 회전하는 블레이드가 있는 수직축 풍력 터빈(VAWT)도 있습니다.

풍력으로 생산되는 전력의 양은 터빈 크기와 블레이드 길이에 따라 달라집니다. 풍력 터빈은 블레이드 로터 직경이 530피트 이상 확장되어 높이가 700피트 이상에 달할 수 있습니다. 이 거대한 터빈은 최대 9.5메가와트의 전력을 생산할 수 있습니다. 하지만 대부분의 풍력 터빈은 높이가 약 260피트이고 날개 길이는 130피트입니다. 최대 1.8메가와트의 전력을 생산합니다.⁵

풍력 발전은 크게 육상형, 분산형, 해상형의 세 가지 주요 응용 분야로 나눌 수 있습니다.

대부분의 풍력 터빈은 육지에 설치되기 때문에 육상 풍력 에너지가 가장 많이 활용되고 있습니다. 육상 풍력 발전의 일반적인 예는 유틸리티 규모의 풍력 발전 단지로, 종종 유틸리티 회사가 운영하고 전력을 판매합니다. 미국 에너지부(DOE)는 육상 기반의 유틸리티 규모의 풍력 에너지를 가장 저렴한 전기 공급원 중 하나로 간주합니다.

분산 풍력 에너지는 소규모로 전력을 생산합니다. 일반적으로 개별 주택, 제조 현장, 농업 지역 또는 농촌 지역 사회에 현장 풍력 발전을 제공하는 하나 또는 여러 개의 소형 풍력 터빈이 특징입니다. 분산 풍력 에너지는 현장 발전 외에도 마이크로그리드 및 하이브리드 에너지 시스템에 연결할 수 있습니다. 분산 풍력 에너지 설비는 일반적으로 20메가와트 미만의 규모입니다.

해상 풍력 에너지 발전은 터빈 규모와 수 모두에서 육지 풍력이나 육상 풍력보다 훨씬 더 클 수 있습니다. 일부 해상 풍력 터빈 블레이드의 길이는 축구장만큼 길고 타워 자체는 워싱턴 기념탑 높이의 1.5배에 달하기도 합니다.⁶

현재 가장 큰 것은 아일랜드해에 있으며 뉴욕 맨해튼 섬보다 큽니다. 해상 풍력 터빈은 '고정 바닥' 터빈으로 수중 바닥에 고정하거나 수상 플랫폼에 고정할 수 있습니다. 생성된 전기는 매설된 수중 케이블을 통해 육지로 다시 흐릅니다.

가장 빠르게 성장하는 에너지원 중 하나인 풍력은 많은 장점이 있습니다.

풍력 발전에는 단점이 많지 않으며, 이러한 단점을 해결할 수 있는 경우가 많습니다.

풍력 산업 전반에 걸쳐 몇 가지 풍력 에너지 기술이 발전하고 있습니다.

날씨와 기후는 풍력 및 태양 에너지와 같은 재생 에너지 자원의 생성에 영향을 미칩니다. 지속가능성과 기후 변화에 대한 우려가 커짐에 따라 풍력 발전소 전력 출력의 풍속을 정확하게 예측하는 새로운 기술이 중요해졌습니다. 오늘날의 재생 에너지 예측 솔루션은 고급 분석, 사물인터넷(IoT) 및 날씨 데이터를 사용하여 풍력 발전 단지의 에너지 생산량을 매우 정확하게  예측합니다.

더 깊은 수심에 설치할 수 있는 대규모 부유식 터빈은 풍력 발전 용량을 두 배 이상 늘릴 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 미국 정부는 2030년까지 30기가와트의 부유식 해상 풍력 발전 단지를 배치하여 미국 내 해상 풍력 에너지 생산을 확대하겠다는 계획을 발표했습니다.⁷ 현재 이러한 해상 풍력 자원을 활용하는 데 사용되는 부유식 플랫폼은 텐션 레그, 반잠수식, 바지선, 스파 부이 등 네 가지 유형이 있습니다.

터빈 블레이드의 공기역학적 프로파일은 효율적인 발전의 핵심입니다. 일부 회사는 제조 정확도를 보장하기 위해 컴퓨팅 비전, 머신 러닝, 엣지 컴퓨팅 및 IoT와 같은 여러 기술을 적용하고 있습니다. 또한 열가소성 플라스틱과 같은 첨단 소재에 대한 연구를 통해 재활용 가능한 풍력 터빈 블레이드의 미래가 만들어지고 있습니다.⁸

데이터 통합, 분석 및 시각화를 통해 풍력 발전 단지 운영자는 유지 관리 작업을 개선하기 위한 예측 솔루션을 포함하여 자산에 대한 상세하고 정확한 이해를 얻을 수 있습니다. 이러한 가시성은 전력 생산, 터빈 가용성, 풍력 전환율 및 터빈 상태에 대한 상황 인식을 높여 출력을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.