풍력발전의 원리는 간단하다. 바람으로 날개를 돌리고, 그 회전력으로 발전기의 회전자를 돌려 전기를 생산한다. 풍차를 돌려 방아를 찧던 그 방식 그대로이다. 19세기 말 처음 등장했던 풍력발전기는 외양상 풍차와 크게 다르지 않았다. 지금 보는 날렵한 세 개의 날개로 돌아가는 풍력발전기는 1970년대 말 베스타스사가 만들었다. 본격 풍력발전의 시작을 알린 이것은 수평축 변속형 풍력발전기였다.
현대의 풍력발전기는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 바꾸는 날개, 날개를 연결하는 허브, 회전력을 증속기에 전달하는 주축, 저회전 고토크의 회전을 고회전 저토크의 회전으로 변환하는 증속기(기어박스), 회전력을 전력을 바꾸는 발전기, 풍력발전기를 지지하는 탑, 날개의 피치각을 조절하는 피치 장치, 나셀을 바람이 부는 방향으로 일치시키는 요잉 장치 그리고 풍력발전기를 제어하는 제어 장치로 이루어져 있다.
(그림 3-7) 풍력발전기의 종류 출처: Wikipedia, 'wind turbine'
풍력발전기의 구조에서 눈에 띄는 차이점으로는 날개가 바람을 받는 방식에 따라 나뉘는 수평축과 수직축이 있다. 수평축은 풍차와 같이 맞바람을 이용하는 방식이다. 바람이 불어오는 방향을 따라가며 날개가 돌아가고, 그 힘으로 발전기의 회전자를 돌린다. 반면 수직축은 바람의 방향과 상관없이 회전력을 얻을 수 있는 방식이다.
1920년대 핀란드의 사보니우스가 고안한 사보니우스 풍차는 마주보는 편심구조가 항력의 차이를 내어 돌아간다. 반면 1925년 프랑스의 다리우스가 개발한 다리우스 풍차는 활모양으로 배치된 날개의 양력에 의해 돌아가는 풍차이다. 양력이란 날개 양쪽으로 흐르는 바람의 속도 차이를 이용해 비행기를 띄우는 힘이다. 풍차의 날개도 이런 양력에 의해 돌아가는데, 항력에 의해 돌아가는 사보니우스 풍차보다 양력에 의한 다리우스 풍차가 세 배 이상 효율이 높다. 수평축 발전기의 날개를 돌리는 힘도 바람의 항력이 아니라 양력이다. 따라서 아주 강한 풍속의 바람이 불 때는 양력이 생기지 않도록 날개의 면을 조정함으로써 정지 상태를 유지할 수 있다.
수직축은 풍향에 영향을 받지 않는 장점이 있지만 효율이나 대형화에서 수평축에 미치지 못한다. 덴마크의 베스타스사가 1970년대 처음 실험한 기종도 수직축인 다리우스 풍차였다. 하지만 만족할만한 결과를 얻지 못한 베스타스사는 1978년 3개의 날개를 가진 수평축 발전기를 개발한 칼 요한센과 헨릭 스티스달을 영입하였다. 출력이 안정적이고 효율이 높은 수평축 발전기는 현재 대용량 풍력발전기의 주류로 자리잡았다. 반면 구조가 간단한 수직축은 소형 발전기에서 채택된다.
(그림 3-8) 수평축 풍력발전기의 구조 출처: 2012 신재생에너지 백서, ‘풍력’
수평축 발전기는 효율을 높이기 위해 날개가 바람의 방향에 따라 움직여야 하므로 날개와 나셀을 바람이 불어오는 방향으로 맞춰주는 요잉 장치가 필요하다. 방향 잡기만 고려하면 날개를 나셀의 뒤쪽에 두는 것이 낫다. 나셀을 통과하는 바람의 힘에 의한 요 모멘트를 이용할 수 있어 요잉 장치의 설계에 유리하기 때문이다. 하지만 나셀과 탑을 거쳐 바람을 받게 되므로 난류의 영향과 탑에 의한 피로 문제가 생긴다. 따라서 중대형 발전기에는 날개를 나셀의 앞부분에 두고, 요 드라이브를 통해 나셀을 회전시켜 풍향에 맞춘다.
또한 풍력발전기는 나셀 안에 들어 있어 눈에 띄지는 않지만 날개의 회전력을 발전기에 전달하는 방식에 따라 간접구동형과 직접구동형으로 나뉜다. 간접구동형은 날개의 저속 회전을 발전기의 구동에 적합한 회전 속도로 높이기 위하여 증속기를 사용한다. 소형의 경우에는 평행축 기어를 쓰기도 하지만 중대형의 경우에는 가볍고 크기가 작은 유성기어열을 주로 사용한다. 간접구동형은 견고하면서도 가격이 저렴한 유도발전기를 사용하기 때문에 현재까지 가장 많이 사용하고 있는 방식이다.
직접구동형은 날개의 회전축이 증속기 없이(기어리스 방식) 바로 발전기에 연결된다. 날개의 가변적인 저속 회전을 그대로 활용하므로 발전기는 다극형의 동기발전기를 사용한다. 이에 따라 간접구동형보다 발전기의 크기와 무게가 증가하고 가격도 높다. 그러나 증속기의 기계적 손실을 줄이고 나셀의 무게를 줄일 수 있는 장점이 있으므로 최근 활발한 기술 개발이 이루어지고 있다.
한편 육상을 벗어나 해상에 설치되는 풍력발전기의 용량이 점차 늘어나고 있다. 2009년 2GW의 이정표를 넘어선 해상풍력 누적설치용량은 2011년 3,552MW 규모로 전체 풍력 용량의 1.5%에 이르렀다. 해상풍력발전의 장점은 경관 훼손과 소음 등 설치 지역 주민들의 민원을 피해 대규모의 설치가 가능하다는 점이다. 사실 해상은 육상보다 바람 자원이 더 풍부할 뿐만 아니라 수면이 고르므로 풍력의 활용도 육상보다 유리하다. 다만 바다 위에 설치해야 하므로 건설비와 유지 관리비가 많이 들고, 육지로 전기를 가져오는 송전설비를 갖추어야 한다.
우리나라의 풍력에너지 부존 잠재량은 연간 약 466Mtoe로 현재 기술 수준으로 활용가능한 기술적 잠재량은 50Mtoe(설비용량 12.4GW)정도이다. 한편, 2000년 6MW였던 우리나라의 풍력발전 누적설치용량은 2012년 448MW까지 늘어났다. 이는 현재 기술적으로 활용할 수 있는 12.4GW의 3.6%에 불과한 양이다. 2011년 풍력발전량은 모두 858GWh로 전체 발전량의 0.186%를 공급하였다.
세계적인 풍력발전의 확대에도 불구하고 우리나라 풍력발전의 보급이 미미한 까닭은 우리나라의 에너지 정책이 재생가능에너지로 전환할 필요성을 느끼지 못하고 있다는 반증이다. 한편에서는 화석연료 기반 에너지 체제의 전환을 원자력에서 구하고 있는 정부의 대대적인 원자력 홍보가 작용한 결과이기도 하다.