블레이드가 1초( sec ) 동안 약 90도 이동하는 동안, 바람은 12m/sec (1초)속도로 통과 하므로, 바람의 9%만 동력으로 사용되고, 나머지 91%의 바람은 두개 의 블레이드 사이를 그냥 통과하여 사라지게 되는 손실에너지 이다.
( 이것은 블레이드 회전 속도 보다 바람이 12배 빨라서 생기는 현상으로 한 개의 블레이드 가 1초에 3회전을 해야만 모든 바람을 이용할 수 있지만 물리적으로 불가능 하다 )
반면, '저항식 풍력'은 바람을 모두 가두어서 저항력에 의한 회전에너지로 발전기를 가동하기 때문에 '블레이드 풍력방식' 보다 이론상 최대 5배 가량 전력 생산량이 높다. ( 참고, 풍속이 높아지면 3제곱배씩 출력량이 증가하는 것은 반영하지 않은 이해를 위한 단순 계산임.)
2. 블레이드로 인한 대형 폐기물 미발생
블레이드는 제조 시, '유리섬유' / '에폭시 수지' 등 화학 약품을 겹겹이 수 십밀리 두께로 반복적으로 겹쳐서 본드 접합 방식으로 생산하기 때문에 유해 화학 물질이 다량으로 사용 된다. ( 12메가 날개 한 개가 약 45톤이면, 경화제 20톤 소요 )
문제는? 사용 수명 20년 이후, '블레이드'는 해체 되며, 재사용이 불가능하기 때문에 매립 방식으로 처리 되어 지고 있다.
( 현재 미국은 매년 8,000개의 블레이드를 매립 중 이며, 장기적으로 수 만개씩의 블레이드를 처리해야 하는 환경 문제를 가지고 있다, 이와 같은 환경,공해물질 발생 문제는 풍력발전기 보급량 증가와 함께 대규모로 발생하여 환경문제를 유발할 것이다. )
대부분의 풍력 블레이드 파손은 타워 화재, 강풍에 의한 쓰러짐 또는 낙뢰에 의한 파손 등이다.
미국의 경우 6만개의 풍력 발전기가 설치될 예정으로, 18만개의 '블레이드'가 생산되면 20년 후 부터 매년 ( 개당 20톤 ~ 45톤 ) 짜리 수만개를 폐기 처리해야 하는 부담이 발생하게 된다.
( 이 문제는 앞으로 가장 중요한 환경 문제가 될 것이며, 각국의 풍력 발전기 선택에 있어서 가장 중요한 기준이 될 것으로 예상한다.
강풍에 파손된 블레이드
미국 와오밍주 캐스퍼에는 약 90m에 이르는 폐(廢)블레이드를 3조각으로 분해해 매립하는 부지가 광대하게 펼쳐져 있다. 1990년대 풍력 발전 용량을 대폭 확대한 미국에서는 최근 수명을 다한 블레이드가 쏟아지고 있다. 미국에서만 한 해 8000여개의 블레이드가 폐기되는 것으로 알려졌다. 풍력 터빈 블레이드의 주 재료는 유리섬유이고, 에폭시, 폴리에스테르 등 화학 소재도 사용된다.
3. 공해 발생
기존 블레이드 풍력 발전 방식이 해상으로 진출한 이유도 육상의 발전 장소 부족도 있었지만 결정적인 이유는? 민원문제가 가장 컸다. 바람을 가르는 '회전 소음'과 일정 회전수로 돌아가면서 발생시키는 블레이드의 '고주파 진동'은 회전운동 원리상 절대로 해결 불가능한 문제이다.
3점식 '블레이드'가 없는 발전기는 소음문제가 발생하지 않기 때문에, 육상 풍력 설치 시 민원 문제가 발생 하지 않는다. 특히, 블레이드의 회전 작동은 시각적으로 매우 큰 위압감을 주기 때문에 민원이 발생 하는 가장 큰 요인 중 에 하나였다.
4. 발전기 대형화
'블레이드 풍력 발전기'는 전력 생산량이 블레이드 지름에 제곱 배로 비례하여 전력이 생산되고, 풍속대비 3제곱 배수로 전력 생산량이 상승하게 된다.
이와 같은 이유로 현재 3메가와트 풍력보다 10메가 와트 풍력 발전기가 전력생산 비용이 1/7로 낮게 된다 이것이 풍력 발전기를 대형화하는 이유이다. ( 블레이드 제작 기술의 난이도가 매우 높아 대형화가 매우 어려운 상태 )
현재 국내 상용화 발전기는 3메가와트 급이 주이며, ( 국내에서 개발중 인 발전기는 최대 8메가와트 급 , 해외에서는 상용발전기 가 최대 8메가와트 이고, 최근 최대 크기인 15메가와트 급 발전기를 연구 중에 있다. ( 15메가의 경우, 타워 높이만 80층 높이 )
이와 같이 풍력 발전기는 크기를 늘리는데 일정규모 이상으로는 불가능한 한계를 갖고 있으며, 그 이유는? '원지름' 확대에 따른 타워 높이의 증가와 블레이드 길이를 130m 이상 늘리는데, 물리적 한계가 있기 때문이다 즉, 블레이드를 더 이상 크게 만들 수 없기 때문에 발전기를 대형화 할 수 없는 것이다.
그러나, 블레이드가 없는 발전 방식의 경우, 원지름 확대가 없이 일정 높이 이상에서부터 직사각형의 수평 확대 구조가 가능하여 발전기의 크기를 얼마든지 크게 만들 수 가 있다.
( 12메가와트 급 한 개의 '블레이드' 길이만 123 미터/무게는 45톤 가량으로 한 개 제작에도 수개월이 걸려 연간 수 만 개씩 대량 생산이 불가능하다. 반면, 에어튜브는 저비용으로 대량 생산이 가능하다. )
5. 안정성
해상 풍력의 경우, '3점 고정 방식'이 '1점 식 타워' 구조에 비해 훨씬 안정적이다.
부유식 해상 풍력 개발이 어려운 이유도 날개 크기가 커짐에 따라 원지름 확대로 타워 높이 가 증가하기 때문이다. 타워 높이가 높아질수록 부유체는 블레이드의 회전과 맞바람 저항에 의한 무게 중심 잡기가 어려워 진다.
반면, 3점 고정식 + 타워 높이가 낮은 수평 확대 구조로 발전기의 크기를 확대 하므로 부유체의 중량 분산에 유리하고, 블레이드가 없어 설치가 수월하다.
지상 설치용 풍력의 경우 풍량. 풍질. 문제로 인하여 보다 높은 곳에 블레이드를 설치해야 할 필요성이 있으나, 바다의 경우, 발전기의 높이를 50~60m 이내로 제한하여도 바람에 저항을 발생 시키는 물체가 없기 때문에 굳이 80~240m 까지 높은 타워방식으로 설치해야 할 필요가 없다.
'1점 고정방식 타워 블레이드 풍력'의 경우, 바람이 강하게 불어서 타워의 무게 중심이 흔들리면 부유체 내부의 평형수를 반대쪽으로 이동하여 중심을 잡아야 한다. 이유는? 날개 지름 때문에 타워 높이가 너무 높아 무게 중심을 잡기 어렵기 때문이다. ( 바람이 안 불면 다시 평형수를 원래 위치로 이동해줘야 한다. )
그러나 '3점 고정방식 블레이드 없는 풍력 발전기'의 경우 3점 고정방식이기 때문에 바람에 대한 저항 안정성이 높고 '바지선' 구조만으로도 설치가 가능하여 부유체 제작비용이 매우 낮다.
6. 비용 절감
'3점 고정식 NO블레이드 풍력발전기'의 경우, 전 부분을 분할 조립 후 현장 설치와 수리가 가능하다. ( 소형 크레인만으로도 작업이 가능 )
그러나, '1점식 타워 풍력 발전기'는 '대형 블레이드'가 일체형이라서 설치. 수리 시 대형 해상 크레인이 반드시 필요하다. 이것이 육상. 해상 등 모든 풍력에서 가장 어려운 부분으로 블레이드만 없으면 분할 조립이 가능해진다.
또한, 블레이드 손상 시 반드시 대형 크레인이 필요하며, 한 두대 의 풍력을 수리하기 위해서 해상 크레인을 투입하기가 쉽지 않기 때문에 해당 발전기의 운행 정지를 선택하는 경우가 많다.
해상 풍력 발전기의 경우 설치 시, 약 1,000톤급 해상 크레인이 필요하게 되며, 1일 사용료가 수억원에 달한다.
( 블레이드 1개 길이 3메가는 60미터 / 20톤, 12메가는 124미터 / 45톤 )비용적인 측면에서, 발전기 전체 가격 중 럿쎌. 제네레이터 비중이 40% / 블레이드, 타워 등 비용이 60%인 것을 감안하면 '블레이드 가 없는 발전기'는 전체 비용에서 약 30% 이상을 절약할 수 있다. )
( 3메가와트 해상 풍력 설치비용이 대당 180억인 것을 감안하면 대략 50억 정도의 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. / 발전량 증가에 따른 수익 증가를 제외한 순수 설치 비용절감분 )
7. 구조적 문제 해결
'블레이드'가 없어지면 1점식 타워가 필요 없게 된다. 또한 블레이드 이송을 위한 4차선 산악 도로가 필요 없어 대규모 산지 훼손이 필요 없다.
'블레이드'가 없으면 육상용 풍력 에서도 대용량의 8메가, 10메가 이상의 발전기도 설치가 가능하지만, 현재는 대부분 3메가 발전기가 최대 크기 이다. ( 산악 국가에서는 3메가급이상 설치가 블레이드 이송 때문에 불가능 하다 )
이것은 일체형 부품인 '대형 블레이드' 때문이다 .
또한, '블레이드 풍력' 발전 방식은 반드시 1점식 타워가 필요하고, 1점식 발전기 타워는 강한 바람 에 의한 쓰러짐을 막기 위해서 기초 기반공사를 사진과 같이 매우 넓게 해야 한다.
( 지상에서는 안보이지만 사진과 같이 하부 공사 규모가 매우 크게 해야 한다 / 그러나 가끔 태풍에 의해 타워가 쓰러지는 경우도 발생한다 )
이로 인한 기초 공사 비용이 매우 많이 들어가는 반면, 3점식 타워를 적용하면 타워 당 기초 기반 공사 면적이 매우 좁고, 비용도 낮으며, 안정성도 1점식에 비해 매우 높다.
