풍력 발전기

Wind turbine

풍력 발전기의 긴 날개는 바람의 힘을 어떻게 전기로 바꿀까요?

무슨 일이 일어났나

날개에 생기는 양력이 끌림보다 커서 회전자가 돌고, 축과 기어 상자가 느린 회전을 빠르게 바꿔 발전기에 전합니다. 발전기 안의 구리 코일이 자기장 속을 돌며 전기를 만듭니다(미국 에너지부).

요즘 육상 풍력 발전기의 날개는 52 m 를 넘습니다. 시뮬레이터에서 날개 길이 52 m · 바람 10 m/s 이면 날개 원을 지나는 바람의 일률이 5.22 MW 이고, 날개가 바람을 20 % 늦추면 그 가운데 51.2 % 인 2.67 MW 를 얻습니다.

바람을 3 분의 1 쯤 늦출 때 얻는 비율이 가장 커서 59.3 %(3.09 MW)가 한계입니다. 바람을 다 멈추면 뒤의 공기가 빠져나가지 못해 오히려 얻지 못합니다.

바람이 5 m/s 로 절반이 되면 얻는 일률은 8 분의 1 인 334 kW 로 줄어듭니다. 제어기는 약 3.1~4.9 m/s 에서 발전을 시작하고, 24.6~29.1 m/s 를 넘으면 멈춥니다.

📸 진짜 모습

나무숲 위로 높이 솟은, 날개 세 개짜리 큰 풍력 발전기를 올려다본 사진입니다. — 나무숲 위로 높이 솟은, 날개 세 개짜리 큰 풍력 발전기를 올려다본 사진입니다.
출처: USGS / Paul Cryan · 퍼블릭 도메인 · USGS 원본 ↗

💡 생활 속 예시

바람개비는 세게 불수록 빨리 도는데, 바람 빠르기가 두 배면 바람이 나르는 일률은 8 배가 됩니다.
바닷가나 높은 산등성이에 풍력 발전기를 세우는 것은, 바람이 조금만 세져도 얻는 전기가 크게 늘기 때문입니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

날개 · 회전자 — 바람에 생긴 양력으로 돕니다.
저속 축 — 회전자에 붙어 1 분에 8~20 바퀴쯤 천천히 돕니다.
기어 상자 — 느린 회전을 발전기에 알맞게 빠르게 바꿉니다.
발전기 — 구리 코일이 자기장 속을 돌며 전기를 만듭니다.
제어기 · 풍속계 — 바람을 재서 날개 각과 방향을 맞추고, 너무 세면 멈춥니다.
탑 — 센 바람이 부는 높은 곳까지 회전자를 들어 올립니다.

풍속계가 바람을 재고, 제어기가 회전자를 바람 쪽으로 돌립니다.
날개에 생긴 양력이 회전자와 저속 축을 돌립니다.
기어 상자가 회전을 빠르게 바꿔 발전기를 돌립니다.
발전기가 만든 전기가 탑 아래로 내려가 전력망으로 갑니다.

확인된 값

날개에 생기는 양력이 끌림보다 커서 회전자가 돈다: lift > drag 출처
축과 톱니바퀴 묶음(기어 상자)이 느린 회전을 빠르게 바꾼다: gearbox speeds up rotation 출처
발전기 안의 구리 코일이 자기장 속을 돌며 전기를 만든다: copper windings in magnetic field 출처
요즘 육상 풍력 발전기의 보통 날개 길이 — 52 m (170 ft) 넘음: 52 m 출처
회전자에 붙은 저속 축의 빠르기 — 1 분에 8~20 바퀴 (0.13~0.33 Hz): 0.13–0.33 Hz 출처
풍력 발전기 제어기가 발전기를 돌리기 시작하는 바람 — 약 3.1~4.9 m/s (7~11 mph): 3.1–4.9 m/s 출처
풍력 발전기 제어기가 멈추는 바람 — 24.6~29.1 m/s (55~65 mph) 를 넘을 때: 24.6–29.1 m/s 출처
2022 미국 발전량 가운데 풍력의 몫 — 약 10 %: 10 % 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 통합과학2 · 환경과 에너지 [10통과2-02-06]
한국 2022 · 과학(초등) · 자원과 에너지 [6과08-02]
잉글랜드 · KS4 Physics: Energy

출처

이어서 보기

같은 단원 · 에너지 기술

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