풍력 터빈은 왜 그렇게 천천히 돌까?

느려 보이는 회전

풍력 터빈은 바람을 받아 돌도록 만듭니다. 그런데 이 날개는 왜 이렇게 느려 보일까요? 더 빨리 돌면 전기가 더 나오지 않을까요? 의외지만, 느려 보여도 날개 끝은 공기를 가르며 질주할 수 있습니다.

그리고 빠르다고 늘 좋은 것도 아닙니다. 적절한 회전 속도는 바람과 날개 설계, 기계가 안전하게 견딜 한계에 달려 있습니다.

느린 로터의 빠른 날개 끝

같은 날개의 두 점을 보세요. 하나는 허브 근처, 하나는 날개 끝입니다. 두 점은 함께 한 바퀴를 돌지만 같은 시간에 날개 끝이 훨씬 먼 거리를 이동합니다. 구체적인 예로, 2020년에 발표된 연구용 설계인 아이이에이 15메가와트 참조 터빈을 봅시다. 로터 지름은 240미터이고 정격 회전 속도는 분당 약 7바퀴 반입니다.

반지름이 120미터이므로 이 속도로 돌면 날개 끝은 초속 약 95미터로 움직입니다. 회전수는 낮아도 한 바퀴가 워낙 커서 날개 끝은 보기보다 빠르게 움직입니다. 이제 날개의 작은 한 부분을 따라 움직이며 그곳에 부딪히는 공기 흐름을 봅시다. 불어오는 바람에 날개 자체의 움직임이 더해져, 날개에서 본 공기 흐름은 비스듬히 들어옵니다.

날개 단면의 모양은 이 흐름에 수직인 양력을 만들고, 항력은 흐름을 따라 작용합니다. 이 공기역학적 힘의 일부는 회전 방향으로 작용해 날개를 밀고 허브를 돌립니다. 다른 성분은 로터를 축 방향으로 밀고, 구조물이 그 하중을 감당해야 합니다. 날개의 속도나 각도를 바꾸면 만나는 기류가 바뀌고, 그래서 회전력과 하중이 모두 바뀝니다.

쓸모 있는 속도 찾기

기술자는 날개 끝 속도를 풍속과 비교합니다. 두 속도의 비율을 주속비라고 합니다. 날개 끝이 들어오는 바람보다 9배 빠르면, 단위와 상관없이 주속비는 9입니다. 날개 설계와 날개 각도인 피치가 정해지면, 바람에서 에너지를 잘 얻는 운전 범위가 있습니다. 회전 속도를 높이면 로터가 그 범위에 다가갈 수 있지만 계속 높이면 다시 벗어날 수 있습니다.

주속비만으로 모든 터빈의 최적 설정이 정해지지는 않습니다. 아이이에이 참조 설계에서 선택한 운전점은 공기역학적 출력 계수가 가장 높은 설정과 다른데, 하중의 한계도 고려해야 하기 때문입니다. 정격 풍속 미만의 주 운전 구간에서는 발전기 토크를 제어해 회전 속도를 목표 주속비에 맞춥니다.

발전기가 회전을 방해하는 힘을 조절하면 제어기는 그 힘으로 로터 속도를 바꿀 수 있습니다. 더 낮은 풍속에서는 로터가 최소 속도 이상으로 돌아야 하므로 제어 방식도 달라집니다. 정격 출력에 이르기 전에도 실제 터빈에는 제약이 있어 모든 조건에서 이상적인 주속비 하나만 따를 수는 없습니다. 참조 터빈이 정격 조건에 이르면 날개 피치로 회전 속도를 정격 속도 근처에 맞춥니다.

날개를 길이 방향의 축을 중심으로 돌리면 바람을 받는 각도가 바뀌어 받아들이는 출력을 제한할 수 있습니다. 날개와 타워는 하중도 견뎌야 하고, 휘는 날개는 타워와 간격을 유지해야 합니다. 제어기는 이런 설계 한계 안에서 작동합니다. 바람이 강해져도 회전 속도와 전기 출력을 끝없이 높여서는 안 됩니다.

토크를 속도로 바꾸기

기어박스의 작동은 다른 기계로 살펴봅시다. 엔렐의 기어박스 신뢰성 공동 연구에 쓰인 750킬로와트 구동계입니다. 먼저 나온 이 참조 모델은 발전기의 기준 속도가 두 가지로, 가변 속도인 아이이에이 설계와는 별개입니다. 허브에서 기어박스로 주축을 따라가면 유성 기어 1단에 이어 평행축 기어 2단이 나옵니다. 이 시험 조건에서 주축은 분당 약 22바퀴, 발전기 축은 약 1800바퀴 돕니다.

기어박스 전체로는 입력축 한 바퀴에 출력축이 약 81바퀴 반을 돕니다. 마지막 한 쌍만으로 4배 빨라집니다. 톱니 88개 기어가 22개짜리 작은 기어를 돌립니다. 두 기어의 톱니가 맞물려 지나가려면 작은 기어가 더 많은 바퀴를 돌아야 합니다. 이 관계가 각 단계의 속도비를 정하고, 발전기까지 이어지는 단계들의 비율은 서로 곱해집니다.

기계적 출력은 토크에 각속도를 곱한 값입니다. 축이 빨라져도 기어박스 안에서 출력이 새로 생기는 건 아닙니다. 손실 없이 일정하게 동력을 전달한다면 속도가 높아진 비율만큼 토크는 줄고 전달되는 출력은 같습니다. 실제 기어박스에는 마찰 손실이 있어 출력축으로 나오는 기계적 출력이 들어온 출력보다 작습니다. 증속하면 로터를 고속 발전기에 맞출 수 있고, 이 발전기는 저속형보다 작게 만들 수 있습니다.

관찰하기 쉽게 장치를 느리게 보여 주되 연결된 축은 모두 같은 비율로 늦췄습니다. 기어비로 회전 속도가 다른 이유를 알았습니다. 그렇다면 발전기는 전달받은 기계적 출력을 어떻게 전력으로 바꿀까요?

전기로 넘겨주기

이제 자기장을 만드는 부분은 돌고 코일은 고정된 단순한 발전기 모형을 봅시다. 전자기 유도만 살펴보는 모형으로, 지알씨 발전기의 실제 구조를 그린 것은 아닙니다. 그 부분이 회전하며 지날 때 코일 하나를 지나는 자기장을 보세요. 코일을 지나는 자속이 변합니다. 패러데이 법칙은 변화 속도와 코일에 생기는 전압의 관계를 설명합니다.

이 단순한 회전 모델에서 자속은 한 바퀴 동안 오르내리고, 유도 전압은 방향이 바뀝니다. 전압은 자속이 얼마나 빨리 변하는지에 달려 있어, 전압과 자속이 최대가 되는 순간은 다릅니다. 회로를 열어 두어도, 변하는 자속은 단자에 전압을 유도할 수 있습니다. 이상적인 개방 회로에서는 부하에 전류가 흐르지 않습니다. 전압이 있어도 부하에 전력이 전달되는 것은 아닙니다.

부하를 연결해 회로를 닫으면 전류가 흐를 수 있고 발전기는 부하에 에너지를 전달합니다. 이 전류가 만드는 자기장은 전류를 일으킨 변화를 방해합니다. 그래서 발전기에는 회전을 막는 전자기력이 생깁니다. 전력을 계속 전달하려면 축이 그 저항을 이겨 내며 기계적인 일을 계속해야 합니다. 이것이 토크와 발전의 연결입니다. 로터의 회전력이 에너지를 공급하고,

발전기와 연결된 회로가 그 에너지를 받아들이는 방식을 정합니다.

발전기에서 전력망까지

전기 연결은 엔렐의 첨단 제어 연구 터빈인 카트 쓰리를 바탕으로 문헌에 제시된 전용량 컨버터 연구 모델로 살펴봅시다. 여기서는 전력 전자 장치가 운전 상태가 변하는 발전기와 교류 전력망을 이어 줍니다. 보고된 모델에서 정류기는 발전기의 교류를 직류로 바꾸고, 이 직류는 직류 링크를 지납니다. 그다음 인버터가 직류를 교류로 바꾸고 그 주파수를 전력망에 맞춥니다.

이 구성에서는 발전기 속도와 전기 주파수가 달라져도 전력망 주파수는 그에 따라 바뀔 필요가 없습니다. 기본 구성에서 전력망 쪽 컨버터는 직류 링크 전압과 전력망과 주고받는 전력을 조절합니다. 변압기는 역할이 다릅니다. 교류 전기의 전압을 바꿉니다. 송전 전압을 높이면 전력을 나르는 데 필요한 전류가 줄어, 풍력 발전소에서 전기를 내보내는 선로의 손실이 줄어듭니다.

발전소의 전기망은 터빈 출력을 모아, 변전소를 거쳐 더 넓은 전력망에 연결합니다. 바람이 공급한 기계적 에너지를 전력망으로 전달하는 과정에서 발전기와 컨버터, 변압기는 각자 다른 역할을 맡습니다.

기어박스를 없애면

이제 직접 구동 방식을 쓰는 아이이에이 15메가와트 참조 설계로 돌아갑니다. 로터가 증속 기어박스 없이 발전기에 연결되므로 발전기도 로터와 같은 낮은 회전 속도로 작동해야 합니다. 이 참조 발전기는 회전하는 바깥쪽에 영구 자석이 고리 모양으로 배치되어 코일이 달린 고정 구조물을 둘러쌉니다. 자극이 많아 천천히 한 바퀴를 돌아도 자극이 코일을 지날 때마다 자기장이 반복해서 변합니다.

기어박스를 없애면 로터와 발전기를 맞추는 방식은 바뀌지만, 날개의 공기역학적 역할은 그대로입니다. 이 직접 구동 설계도 토크와 피치 제어로, 로터의 운전 한계 안에서 에너지를 얻습니다. 기어박스 배치는 기계적 연결을, 컨버터 배치는 전기적 연결을 설명합니다. 두 배치는 서로 다른 연결을 보여 줍니다. 느리게 도는 로터만으로는 어떤 구동계와 전기 시스템을 쓰는지 알 수 없습니다.

로터를 다시 읽기

넓은 원을 도는 날개 끝을 다시 보세요. 로터가 분당 몇 바퀴만 돌아도 날개 끝은 빠르게 움직입니다. 한 바퀴마다 아주 먼 거리를 가기 때문입니다. 회전 속도를 높이는 건 설계 한계 안에서 더 적절한 운전 상태에 가까워질 때만 도움이 됩니다. 출력은 회전 토크와, 발전기와 전기 시스템이 그 에너지를 어떻게 전달하는지에도 달려 있습니다.

느려 보이는 이 회전으로 바람의 에너지가 제어를 거쳐 전력망에 전달됩니다. 제어기는 바람이 달라지면 날개 피치와 발전기 토크를 조절해 로터가 설계된 운전 범위를 지키도록 할 수 있습니다.