풍력 발전은, 바람의 흐름을 이용해 풍차를 돌리고, 그 동력으로
발전기를 회전시켜 발전합니다.
바람은, 대단히 가벼운 공기의 흐름이지만, 때로는 튼튼한 건물까지도 무너지게 해
버릴 만큼의 에너지를 가지고 있기 때문에 바람을 이용한 설비는 매우 신중하게 설계해야
합니다.
바람의 에너지는, 질량을 가지는 유체인 것이며 운동에너지입니다.
운동에너지의 법칙
바람의
운동에너지 = ( 1/2 ) x 바람의 질량( kg ) x 풍속( m/s )의 2승
상식에 기초하고, 풍력
발전에 이용할 때의 바람의 파워를 계산하려면, 단위 시간에 이용할 수 있는 바람의 분량을 정해야 합니다.
바람의 분량은, 바람이 통과하는
단면적, 바람의 빠름, 즉 풍속에 의해 구할 수 있습니다.
여기에서 말하는 단면적이란, 풍력 발전기의 Rotor가 바람을 받는
바람의 면적에 상당합니다. 상식에서의 바람의 질량은, 소정의 단면적을 단위 시간에 통과하는 공기의 질량이므로, 단면적(
m^2 ) 와
공기 밀도( kg/m^3 ) 및 풍속( m/s ) 의 합에 의하여 나타내집니다.
바람의 질량(
kg ) =단면적( m^2 ) ×공기
밀도( kg/m^3 ) ×풍속( m/s )
운동에너지의 법칙에 바람의 질량의 항목에 위에
공식을 대입하면, 아래와 같이 바람의
파워 공식이 얻어집니다.
(파워= 단위 시간의 에너지량을 의미합니다)
바람의
파워( W ) = ( 1/2 ) x 단면적( m^2 ) x 공기밀도( kg/m^3 ) x 풍속(
m/s )의 3승
이 식이, 풍력 발전을 아는 데 있어서 가장 중요한 식이고, 풍력
발전에 challenge하는 것이면, 이 식의 의미를 이해해 놓을 필요가 있습니다.
1.
바람의 파워는, 단면적에 비례한다.
단면적이란, 풍력 발전기의 바람의
면적이며, Rotor의 바람의 면적과 같은 것을
의미합니다. 또 바람의 면적은, Rotor 직경의 2승으로 비례하기 때문에, 풍력 발전기의 Rotor 직경이 2배가 되면, 얻어지는 바람의 파워가 4배가
된다, 다고 하 것을 압니다.
2. 바람의 파워는, 공기 밀도에 비례한다.
공기 밀도는, 그 자리의 기압이나 공기
중의
수분량에 의해 변화합니다. 예를 들면 높은 곳에서는, 기압이 작아지기 때문에, 공기 밀도도 작아집니다. 전문적으로는, 기압이 낮고
위치가 높은 곳에
풍력 발전 시스템을 계획할 때에는, 공기 밀도 저하에 동반하는 풍차 출력 감소를 고려에 넣지만, 일반적인 위치에
있어서는, 대부분 마음에 두지 않아도 좋을 것입니다. 통상, 평지에서의 공기의 밀도는, 대체로 1.2(
kg/m^3 ) 입니다.
3. 풍속의 3승으로 비례한다.
이 것은, 아주 중요합니다. 풍속의 3승으로 비례한다란, 풍속이 2배가 되면 바람의
파워는 8배로, 풍속이 3배가 되면 바람의 파워는 27배가 된다는 것을 의미하고 있습니다. 반대 생각하면 풍속이 절반으로
줄어들면
바람의 파워는 8분의 1이 된다는 것입니다.
따라서, 풍속 발생이 되는 즉시 바람의 파워가 크게 변동하고, 즉 풍력 발전기의 출력도 그것에
따라, 크게 변동한다고 하는 것을 이해할 수 있습니다.
결론
: 풍력 발전은 풍차의 직경에 2승에 비례하고, 풍속의 3승에 비례합니다.
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