풍차의 날개는 4개인데, 왜 풍력발전기는 3개일까?

Dongshin Yang
16시간
[풍차의 날개는 4개인데, 왜 풍력발전기는 3개일까
퇴근길 잡상]
돌아가는 풍력발전기틀 보고 있노라면 괜스레
경이롭다. 그저 자연이 불어주는 바람에 따라
불레이드가 방글방글 도는데, 그 회전만으로 수
메가와트 단위의 전력이 만들어진다.
그렇게 생산된 전기는 승전망과 배전망올 타고
우리 집까지 오고 우리논 오늘도 별생각 없이
스마트혼올 충전하고 냉장고름 켜고 세탁기틀
돌린다:
풍력은 간철적이라는 단점이 있지만, 이것도 곧
ESS나 수소연료 기술이 해결해줄 가능성이 크다.
그보다 더 흥미로운 건, 전 세계 거의 모든
풍력발전기틀 보면 불레이드가 꼭 3개 달려 있다는
사실이다 왜 꼭 3개일까? 2개도 4개도 아난 딱
3개
문득 어린 시절 책에서 자주 보던 네덜란드 풍차가
떠오른다. 거기에는 날개가 네 개 달려 있없다:
중세부터 수백 년간 인류는 4개의 날개름 달아
풍차흘 돌려앉다. 물론 가끔은 6개, 8개짜리도
있없지만 일반적인 풍차는 대개 네 날개없다:
이건 당대 기술의 산물이없다: 당시 풍차는 대부분
목재로 만들어쨌논데 정말한 가공이 어렵고 균형
맞추기도 힘들없다. 이럴 때는 짝수 날개가
유리하다. 대칭 구조v 만들기 쉬월기 때문이다:
4개 날개는 공학적 최적화라기보다는, 제작과
유지보수틀 위한 관습적 균형이없다.
그렇다면 풍력발전기의 불레이드는 왜 굳이
3개일까? 우선 날개가 많으면 바람을 받는 면적이
넓어지므로 회전올 시작하는 최소 풍속(시동
풍속)이 낮아지는 장점이 있다 공학적으로
말하자면 시동 토크가 커진다. 즉 더 약한
바람에서도 터반이 돌아갈 수 있다는 말이다:

하지만 여기엔 치명적인 대가가 따른다 날개가
많아질수록 무게가 증가하고 회전체의 관성
모멘트도 커진다. 이러면 회전의 가속 감속이
어려워지고 제어와 제동에도 더 많은 에너지가
듣다. 불레이드가 무거워지면 타위와 하부
구조물도 더 강하게 설계해야 하여, 자연스럽게
제작비와 유지비가 증가하다. 결국 고속 회전과
경제성올 모두 고려하면 3개가 가장 이상적인
수치가 된다.
비행기름 떠올려보자. 오늘날 대부분의 비행기는
좌우에 딱 2개의 날개만 달려 있다. 과거에는 6개,
8개짜리 복엽기나 삼업기가 있없지만 거의
사라젓다. 왜냐하면 날개들 여러 개 붙이면 양력이
더 생길 것 같지만 실제로는 서로의 공기 흐름올
방해해버리기 때문이다:
풍력발전기도 마찬가지다. 불레이드 수가 많다고
무조건 좋은 게 아니다: 공기역학적 간섭과 구조적
부담이 늘어나는 만큼, 효율은 오히려 떨어질 수
있다:
여기서 가장 결정적인 변수는
공진(resonance)이다 풍력발전기의 구조는
가늘고 길줌하다: 이런 구조물은 고유진동수름
가지고 잇는데 불레이드가 회전하면서 특정
주파수(P 2P 3P 등)틀 만들어넘다: 이틀
불레이드 패성 주파수라고 부르다:
문제는 이 주파수가 타워나 하부 구조물의
고유진동수와 곁칠 경우다: 그때 눈에 보이지 안분
작은 진동이 반복되며 점점 커지고 결국엔
구조물이 흔들리거나 심치어 봉괴월 수도 잇게
된다:
불레이드틀 3개 쓰는 구조에서는 하중 주파수가
1P 3P 6P 9P 등으로 고차 하모늬 중심으로
분산되므로 공진올 피할 수 짓는 여지가 비교적
넓다 반면 2개짜리 터반은 1P 2P 3P 4P처럼
저차 하모늬이 몰려 있어 고유진동수와 경치기
쉽고 설계 리스크가 급격히 높아진다. 실제로
2불레이드 터반은 앞뒤로 진동이 심해서
불레이드가 타워에 가까이 흔들려 부딪할
리스크도 존재한다.

풍력발전기의 전력은 다음 공식올 따른다:
P = V2
V3
Cp
P: 전력(W)
p: 공기 밀도
A: 불레이드가 훨쓰는 면적
V: 풍속
전력계수 (에너지 변환 효율)
이 공식에서 전력올 높이려면 무엇보다 면적 A 즉
불레이드가 훨쓰는 원형 면을 넓혀야 한다
풍속이나 밀도; Cp는 이미 거의 상수에 가까워젓기
때문이다. 그래서 풍력업체들은 더 크고 높은
터반올 만들기 위해 경쟁하다:
예컨대 데마크 베스타스의 V236-15.OMW는
불레이드 팀 높이가 288m에l 달하고 중국 망양의
MySE 78.X-28X눈 무려 37Om틀 넘건다고 한다:
63빌딩(274m)보다도 더 높다:
위의 풍력발전 수식은 사실 낯선 것이 아니다:
우리가 중고등학교에서 배운 운동 에너지 식 E =
Va mV?에서 파생된 것이기 때문이다. 여기서 m올
단위 시간당 불레이드가 지나치는 공기 질량으로
바꾸면 전력 생산 식으로 확장되다.
흥미로운 것은 이 식 속의 전력계수(Cp)에 이론적
한계가 있다는 점이다. 1979년; 독일의 물리학자
알베로트 베즈는 풍력으로 회수할 수 짓는 최대
에너지 효율이 59.3%틀 넘울 수 없다고 밝혀다.
이것이 베추 한계 (Betz limit)다.
아무리 뛰어난 터반이라도 이론적으로는 바람의
60%도 회수할 수 없다는 의미다. 현재 상용 터반의
Cp논 약 0.4 즉 바람 에너지의 40% 정도만 전기로
바꾸고 있다: 덕분에(?I) 풍력발전기 뒤에는
후류(wake) 현상이 발생하는데 터반이 지나간
바람은 속도가 줄고 난류가 심해저 다른 터반의
효율올 떨어뜨린다. 그래서 터반은 대개 서로
간격올 두고 설치되다. 보통 로터 직경의 3~5배
이상 떨어저야 한다:
p . A
Cp:

이처럼 불레이드가 몇 개인지, 풍력터반이 얼마나
떨어저야 하느지 같은 사소해 보이는 것 하나메도
수많은 공학적 고민과 실험 실패와 수정의 역사가
담겨 있다. 그건 풍력만이 아니다. 반도체 원자력,
자동차 항공기 등 공학이 스며든 모든 분야가
마찬가지다 GPU가 탄생하고 SMR이I 개발되고,
날개 둘 달린 비행기가 하늘올 나는 데에는 이처럼
보이지 안는 수많은 ‘결정’들이 있없다:
“연단재 함부로 차지 마라. 너는 누구에게 한
번이라도 뜨거운 사람이/느나” 체크무늬 남방울
입고 어방방하게 공장 바닥올 누비는 그
공돌이들이 오늘도 아무도 신경 쓰지 안는 어떤
효율올 위해, 뜨겁게 일하고 잇는 것이다:
2025.07.02 작성