풍력발전에서는 풍력터빈(풍력원동기)이라는 장치를 이용해 풍력을 전기로 변환하고 있으며, 그 터빈의 날개(블레이드)는 '3장'인 것이 대부분인데... 도대체 왜 풍력발전 터빈에는 3장의 블레이드가 사용되고 있는지에 대해서, 물리학계 유튜브 채널의 minutephysics가 해설.
풍력 발전 터빈의 블레이드는 반드시 3장이어야 한다는 것은 아니고, 세상에는 블레이드가 2장이거나, 5장이거나, 그 중에는 1장이거나 하는 터빈도 존재한다.
그러나 현대의 터빈 블레이드는 대부분 3장으로, 터빈의 블레이드가 3장인 데는 「3가지 이유」가 있다고 하는데....
첫 번째는 '물리학적'인 이유.
다른 모든 조건이 같으면, 블레이드의 매수가 많을수록 더 큰 토크를 생성할 수 있지만, 다른 한편으로 터빈의 회전 속도가 빨라질수록 블레이드에 가해지는 항력도 빠르게 증대한다.
따라서, 많은 블레이드를 가진 터빈은 일반적으로 풍속에 비해 회전 속도가 느릴수록 효율적으로 기능하고, 반대로 블레이드가 적은 터빈은 회전 속도가 빠를수록 효율적으로 작동한다는 것.
이 그래프는, 다른 매수의 블레이드를 가진 터빈의 효율을 나타낸 것인데, 가로축이 바람에 대한 터빈의 회전 속도를, 세로축이 터빈의 효율성을 나타낸다.
블레이드 5장의 터빈은 회전 속도가 느릴 때 효율이 높아지고, 한편 블레이드 1장의 터빈은 회전 속도가 빠를 때 효율이 높아진다.
그리고 블레이드가 3장인 경우, 중간적인 속도로 최대한의 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있는데, 이것이 터빈 블레이드가 3장인 물리학적인 이유이다..
두 번째는 '공학적'인 이유이다.
터빈은 동작에 필요한 굽힘, 회전, 진동과 같은 힘에 견딜 수 있는 강도가 요구되는데, 만약 블레이드가 2장이었던 경우, 바람의 조건에 따라서는 불균형한 비틀림의 힘이 생길 수 있다. 이로 인해 폴이 전방 또는 후방으로 휘거나 좌우로 꼬일 위험이 있다는 것.
이 문제는 블레이드가 2장일 때 한정되지 않으며, 다른 짝수장의 블레이드에서도 동일한 위험이 있다. 또한 블레이드의 매수가 1장뿐인 경우, 블레이드의 반대쪽에는 카운터 웨이트밖에 존재하지 않아, 역시 불균형한 바람의 힘을 받아넘길 수 없어 같은 문제가 생긴다.
이에 비해 블레이드의 매수가 3장이나 5장인 경우, 블레이드가 쌍을 이루고 있지 않기 때문에, 바람의 힘이 표면 전체에서 고르게 분산되고, 이에 따라 휨력과 비틀림의 힘이 대폭 경감된다는 것.
블레이드가 2장인 경우에도, 폴과 허브, 블레이드의 재질과 설계를 보다 견고하게 하면, 불균형한 힘에 대처할 수 있지만, 여기에는 추가 비용이 든다. 이것은 블레이드의 매수를 줄임으로써 얻을 수 있는 비용상의 이점을 상쇄해 버린다.
또한, 블레이드가 3장 또는 5장인 경우 회전 속도도 느려지기 때문에, 가동 부품의 시간이 지남에 따라 마모가 적어지는 장점도 있다.
즉, 바람에 의한 바람직하지 않은 힘을 경감하려면 블레이드가 홀수매가 좋고, 더욱이 블레이드가 많을수록 비용도 비싸지기 때문에, 블레이드가 3매인 터빈이 공학적으로 가장 뛰어나다는 것이다.
세 번째는 '인간의 쾌적성'이 이유.
풍력 발전소를 건설할 때는, 인근 주민의 이해를 얻을 필요가 있다. 따라서 터빈의 외형과 소리도 중요한 요소가 된다. 일반적으로 블레이드가 3장인 터빈은 2장인 터빈보다 외형이 아름답다고 생각되어진다.
3장 블레이드의 터빈은 수평 방향과 수직 방향에서 차지하는 공간 비율의 변화가 적은 반면, 2장 블레이드의 터빈은 수평 방향과 수직 방향 사이를 오가며 어딘가 뚝뚝 움직이는 듯한 느낌을 준다는 것.
정지 상태에서도, 사람들은 2장 블레이드보다 3장 블레이드의 대칭성을 선호하는 경향이 있다고 하고, 또한 터빈이 내는 소음은 기본적으로 블레이드가 공기를 가르면서 생기는 난류가 원인. 따라서 터빈의 회전 속도가 느릴수록 소음도 적어진다.
터빈의 회전 속도와 효율성 그래프를 보면, 3장 블레이드의 터빈은 2장 블레이드의 터빈보다 낮은 회전 속도로, 동등하거나 그 이상의 효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
즉 특정 환경에서는, 3장 블레이드의 터빈은 보다 조용히 가동된다는 것이다.
이 세 가지 이유가 겹치면서, 세상의 풍력발전 터빈은 3개 블레이드의 것이 주류를 이루고 있다고....
