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저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ

STEEL Talk 18

저렇게 큰 바람개비는 어떻게 돌아가나요? 쓰러질까 걱정돼요 ㅠㅠ

2020/02/11

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

풍력발전기가 바람에도 쓰러지지 않는 원인에 대한 궁금증을 물어보고 있다. 좌측에는 하르방아이콘이 있고 우측에는 풍력발전기 아이콘이 있다. 가족들이랑 제주도에 여행을 다녀왔는데요. 저 멀리 푸른 바다 위에 커다란 바람개비가 있는 걸 봤어요! 그런데 바람이 많이 불면 쓰러지지 않을까요? 걱정돼요ㅠㅠ

가족들과 제주도 여행을 다녀왔군요~! 맛있는 것도 많이 먹고, 경치 좋은 곳에 가서 구경도 많이 했나요? 부러워요!! >_< 제주도는 흔히 바람, 돌, 여자가 많다고 해서 ‘삼다도(三多島)’라 부르는데요. 바람이 많이 부는 특성을 활용해서 곳곳에 풍력발전기가 설치되어 있어요. 질문을 보내준 어린이가 본 커다란 바람개비는 풍력발전기입니다.

풍력발전기는 바람의 힘으로 발전기를 돌려 전기를 만들어내는 건데요. 청정 에너지 생산 방법으로 요즘에는 그 사용 범위가 넓어지고 있어요. 그 원리와 숨겨진 과학 이야기를 포스코 뉴스룸이 설명해드릴게요.


l 바람아~ 멈추지 마오~ 전기로 만들어 줄게!

풍력발전기는 어떻게 전기를 만들어낼까요?

풍력발전기가 어떻게 전기를 만들어 내는지 설명하고 있다. 왼쪽부터 풍력발전기, 변전소, 집전구 아이콘이 있다. 풍력발전기 아이콘과 함께 풍력발전기의 구성요소들이 있다. 블레이드(Blads), 발전기(Generator), 증속기(Gearbox), 타워(Tower)의 구성요소로 되어있다. 풍력발전기가 전기를 만드는 과정은 왼쪽부터 블레이드(Blads)>>증속기(Gearbox)>>발전기(Generator)>>변전소 및 소비자로 블레이드가 회전하면서 만들어진 회전 운동 에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 만들어요!

풍력발전기 위에 달린 거대한 날개를 블레이드라고 부르는데요. 이 블레이드가 바람을 받아 바람개비처럼 회전하면 회전 운동 에너지가 만들어져요. 이 회전 운동 에너지는 증속기로 전해져서 회전 운동의 속도가 높아지고, 고속으로 바뀐 이 회전력은 발전기에서 전기 에너지가 돼요. 생각보다 간단하죠? 이렇게 만들어진 전기 에너지는 소비자에게 적절한 전압과 전류로 보내지기 위해, 변전소를 거친 후 우리가 살고 있는 집까지 오게 됩니다. 한국풍력산업협회에 따르면 풍력발전기는 1대 당 평균적으로 2MW(메가와트)의 전기를 만들어내는데요. 약 700가구가 1년 동안 사용할 수 있는 양이에요.

l 바람에 쓰러질 걱정은 NO NO! 풍력발전기 타워에 숨은 비밀!

양떼 목장이 있는 대관령에 가본 적 있나요? 제주도 바다 위에서 봤던 풍력발전기를 강원도 대관령에서도 볼 수 있어요. 산은 고도가 높아질수록 바람이 빠르고 강하게 불기 때문에, 산 꼭대기에 풍력발전기를 만드는 거랍니다. 그런데, 이렇게 산이나 바다에 만든 커다란 풍력발전기가 강한 바람에 휘청거리거나 쓰러지면 어떡하냐구요? 걱정하지 않아도 돼요! 풍력발전기는 스틸로 만들어진 원형 기둥의 타워 덕분에 튼튼하거든요! 그 이유에 대해 지금부터 살펴볼게요.

 바람 많기로 유명한 ‘삼다도’ 제주의 해상풍력발전기! 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도의 영향을 받기 때문에 여러 외부 압력으로부터 견딜 수 있어야 해요.

▲ 바람 많기로 유명한 ‘삼다도’ 제주의 해상풍력발전기! 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도의 영향을 받기 때문에 여러 외부 압력으로부터 견딜 수 있어야 해요.

일반적으로 풍력발전기는 20~25년의 수명을 갖도록 설계되는데, 그 특성상 수명 기간 동안 반복적으로 다양한 방향으로, 다양한 크기의 바람과 조류 및 파도에 노출돼요. 그렇기 때문에 반복적인 외부 압력으로 파괴되지 않도록 적절한 피로강도(Fatigue Strength)*좌굴강도(Buckling Strength)**를 가지고 있어야 합니다.

여기서 잠깐! 용어를 알아볼까요?

*피로강도(Fatigue Strength): 외부로부터 힘을 반복하여 받아 파괴되기까지 견디는 힘
**좌굴강도(Buckling Strength): 기둥이나 판이 외부에서 압력을 받았을 때 어떤 한계까지 굴절되지 않고 안정성을 유지할 수 있는 힘

스틸은 높은 피로강도를 가지고 있어서 풍력발전기는 대부분 스틸로 만들어져요. 같은 힘을 스틸과 콘크리트에 반복해서 가한다고 가정했을 때, 스틸은 콘크리트보다 힘을 5배 더 반복해서 가할 때까지 버텨내거든요.

풍력발전기는 꼭대기에 큰 날개 모양의 블레이드와 발전기가 달려 있는데, 그 무게 때문에 위에서 아래로 수직방향의 압력을 받아요. 그리고 풍력발전기를 향해 부는 바람이나 블레이드 회전 때문에 가로방향에서도 압력을 받죠. 이렇게 외부에서 다양한 압력을 받으면 모양이 변형될 수 있는데, 특히 단면 크기에 비해 길이가 길면 물체가 압력에 의해 꺾이는 현상(좌굴)이 일어나기 쉬워요. 마치 나무젓가락을 세워놓고 위에서 누르거나 옆에서 강한 충격을 주면 쉽게 휘고 부러지는 것처럼요. 그래서 풍력발전기의 타워는 좌굴강도가 높은, 원형 모양으로 생겼답니다. 원형이 삼각형, 사각형, 다각형보다 압력에 효율적이고, 유선형으로 바람의 영향을 가장 적게 받기 때문이에요!

풍력발전기가 강한 바람에도 쓰러지지 않는 원인에 대하여 설명하고 있다. 가운데 풍력발전기 아이콘이 있으며 풍력발전기는 커다란 높이의 타워가 기계무게와 압력에도 꺾이지 않는 적절한 좌굴강도(Buckling Strength)와 강한 바람과 파도에 견디는 적절한 피로강도(Fatigue Strength)를 갖도록 설계해야 한다고 한다. 일반적으로 육상 풍력발전기는 높이가 100미터, 타워 하단부의 둘레는 13미터에 달하는 타워에는 무려 200톤의 스틸이 들어가 있어 풍력발전기를 튼튼하게 지켜준다고 한다. 태풍에도 끄떡없는 풍력발전기의 비결은 바로, 좌굴강도가 높은‘원형’모양과 피로강도가 높은 ‘스틸’타워!

가장 적절한 피로강도와 좌굴강도를 갖도록 설계된 ‘원형’ 모양의 ‘스틸’ 타워 덕분에, 풍력발전기는 강한 바람에도 굳건히 서있을 수 있어요. 지난 수십 년 간 풍력발전 산업이 발전해오면서 풍력타워 및 하부구조물만을 전문적으로 제작하는 업체가 생겨났는데, 이들 업체 모두 스틸로 만든 원형 모양의 강관을 전문적으로 다루는 회사라는 것도 이를 뒷받침합니다.

일반적으로 육상 풍력발전기는 높이가 100미터, 타워 하단부의 둘레는 13미터에 달하는 어마어마한 크기인데요. 타워에는 무려 200톤의 스틸이 들어가 있어 풍력발전기를 튼튼하게 지켜준답니다. 이제 쓰러질까 걱정 안 해도 되겠죠?

l 1,400만 그루의 소나무를 심는 것과 같다고요? 포스코그룹이 만드는 친환경 에너지

포스코는 풍력발전기가 거센 바람에도 버틸 수 있도록 타워에 쓰이는 고강도 풍력용강을 만들고 있는데요. 포스코의 풍력용강은 육지 또는 바다 위의 풍력 타워에 사용되며, 바람이나 파도에 의한 진동, 충돌, 낮은 온도 등 거친 환경에서도 견딜 수 있도록 만들어졌어요. 특히, 초대형 해상 풍력 타워는 더욱 두껍고 강한 강재로 만들어서 태풍이 불어도 끄떡없죠.

뿐만 아니라, 포스코의 스틸은 모터에도 쓰여요. 블레이더의 회전 속도를 높이는 증속기에 PosWIND가, 회전력을 전기로 바꾸는 발전기에 포스코의 무방향성 전기강판인 Hyper NO가 사용되는데요. PosWIND는 오랜 시간 회전해도 마모, 균열, 변형이 일어나지 않고, Hyper NO는 모터의 전력 손실을 감소시켜 에너지 효율을 높이는 장점이 있답니다.

포스코에너지에서 3월 준공 예정인 전남 신안군 육상풍력 발전단지의 모습

▲포스코에너지에서 3월 준공 예정인 전남 신안군 육상풍력 발전단지의 모습

포스코가 풍력발전기에 사용되는 스틸을 생산해낸다면, 포스코에너지는 풍력발전을 활용해 직접 신재생에너지를 만들어내고 있어요. 포스코에너지가 전남 신안군 자은면 일대에 만든 육상풍력 발전단지가 3월 준공을 앞두고 있는데요. 총 62.7MW 규모로, 연간 12만 MWh의 전력을 생산해 지역사회에 공급할 수 있어요. 연간 4만 9,000톤의 이산화탄소를 저감하고 1,400만 그루의 소나무를 심은 것과 같은 효과를 기대할 수 있다니, 정말 대단하죠?


풍력 발전은 청정 에너지원으로, 환경오염을 유발하는 화석 연료를 대신하여 자원 고갈에 대비할 수 있는 아주 고마운 기술이에요. 청정에너지를 만드는 데에도 스틸은 꼭 필요하다는 점! 포스코그룹도 풍력 발전과 같은 친환경 에너지를 얻기 위해 많은 노력을 기울이고 있답니다. 오늘의 궁금증이 해결되었기를 바라면서, 다음에 다시 돌아올게요~!

* 도움말 주신 분: 포스코 기술연구원 김종민 수석연구원, 포스코에너지 고승현 과장

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