1. 연구 배경
풍력발전은 신·재생에너지의 한 종류로 1970년 세계적인 오일쇼크로 인하여 미국과 유럽에서 각광받기 시작하였다. 특히 1990년대 이후로 활발한 연구가 이 루어지고 있으며 국내의 대학, 기업 및 연구소에서 다양한 연구가 이루어지고 있 다.
풍력발전기는 풍황조건이 좋은 위치에 설치되기 때문에 평야지대 혹은 민가와 독립된 지역에 건설한다. 또한 풍력발전기의 대형화를 통해 더 많은 전기를 생산 할 수 있기 때문에 발전기의 타워 높이가 높아지고 있다. 이러한 특성에 의하여 풍력발전기는 필연적으로 낙뢰에 노출될 가능성이 높아지게 된다.
Fig. 1은 풍력발전기의 타워 높이에 따른 피뢰확률을 나타낸다.[1] 타워의 높이 가 높아질수록 피뢰확률 또한 높아지는 것을 알 수 있다.
Fig. 1 Rate of lightning strike to tower.[1]
국제 표준 제정 작업을 통해 2002년에는 TR(Technical Report) 61400-24를, 2010년에는 정식으로 IS IEC 61400-24를 발간하였다.[2] 또한 추가적인 신규 표 준 제정 작업을 위해 꾸준한 활동을 하고 있다. 해외 각국에서도 낙뢰에 대한 연 구를 통해 그 지역의 낙뢰특성을 분석하고 그 대책에 대해 지속적인 연구를 진 행하고 있다. 우리나라에서도 2001년부터 기상청에서 도입한 최첨단 신 낙뢰관측 시스템(TLDS, Total Lightning Detection System)을 운영하기 시작했으며[3] 이 로 인하여 낙뢰특성을 연구한 바[4] 있다. 특히 풍력발전사업이 활발하게 이루어
Fig. 2 Occurrence of thundercloud and lightning.[7]
방전 중에서 낙뢰는 특히 지면에 접촉하는 것이기 때문에 전자기기의 고장, 시 설물의 파손, 나아가 동물, 사람의 생명에도 영향을 미칠 수 있으며 낙뢰피해의
전사고, 가옥과 산림화재, 건축물과 설비의 파괴 등이 있고 국소적으로 발생하므 로 피해확산의 우려는 없다. 피뢰침을 설치하거나 낙뢰발생 영역내의 사람이 스 스로 주의하면 피해경감이 가능하다. 간접적 피해는 낙뢰에 의해 발생하는 2차적 피해로 전력설비의 정전, 통신설비의 두절, 철도 등 교통시설의 불통, 공장과 빌 딩의 조업중단 등으로 시설의 기능상실로 인한 피해, 그 여파가 광범위한 지역, 막대한 사회․경제적 손실, 사회혼란, 치안붕괴도 야기될 수 있다.
Fig. 3은 낙뢰가 발생하였을 때 그 주위에 발생하는 간접적인 영향을 보여준 다.[8] 낙뢰강도에 따라 다르지만 낙뢰가 발생할 경우에는 10㎞까지도 낙뢰의 영 향력이 미칠 수 있음을 나타낸다. 낙뢰가 떨어진 지점의 반경 20m이내는 일반적 으로 순간적으로 높은 전압 및 고온의 열이 발생하므로 심각한 인명피해 및 시 설손상도 예상할 수 있다. 또한 유도뢰로 인한 전기적인 문제가 발생할 수 있다.
Fig. 3 Effect of lightning strike.[8]
낙뢰의 종류로는 여름철 바람이 약하고 일사량이 강한 날 지면 부근이 습한 오후~저녁사이에 자주 발생하는 열뢰, 따뜻한 공기 밑으로 찬 공기가 스며드는
부터 불어드는 기류가 강한 상승기류를 일으켜 발생하는 와뢰, 그리고 열뢰와 계 뢰가 같이 발생하는 열계뢰가 있다.
2. 연구목적
Fig. 4는 2001년도에 미국 NASA에서 작성한 세계 낙뢰밀도 분포를 나타낸 다.[9] 적도 지역에서 높은 낙뢰밀도를 보이고 있고, 우리나라는 낙뢰밀도가 비교 적 높지 않음을 알 수 있다. 그러나 우리나라에서 낙뢰로 인한 풍력발전기의 피 해가 꾸준히 보고되고 있음을 감안한다면 낙뢰피해 대책은 중요한 연구 분야라 고 할 수 있다. 또한 해외에서는 풍력발전기의 낙뢰피해 및 그 대책에 대한 연구 가 많이 이루어지고 있다.
Fig. 4 Would wide lightning strikes.[9]
우리나라의 경우는 풍력단지를 운영하면서 비로소 낙뢰문제를 인식하고 그 대 책을 세우고 있다. 영월 풍력단지에서 2009년 8월과 2010년 11월 두 차례 낙뢰피 해가 발생하여 가동 중지 및 보수를 실시하고 대형 피뢰침 설치 등의 낙뢰 예방 공사를 추진하였다. 그러나 낙뢰에 대한 연구가 매우 중요함에도 불구하고, 해외
에 비해서 우리나라의 낙뢰 연구성과는 아직 미미한 수준이라고 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 해외의 풍력발전에 관한 낙뢰연구 성과를 IEC, 유럽, 미 국, 일본 및 우리나라로 구분하여 파악하고 우리나라 풍력발전의 낙뢰대책 연구 방향을 제안함과 동시에 10년간(2003~2012)제주도의 낙뢰자료를 바탕으로 제주 도의 낙뢰 현황 및 기존 풍력단지와 건설 예정인 풍력단지의 낙뢰 특성을 조사 및 평가하고자 한다. 또한 제주도 풍력단지에 낙뢰가 미치는 영향을 파악하기 위 하여 가시리 풍력발전단지에 낙뢰카운터를 설치하고 풍력발전기의 접지선에서 발생하는 서지를 측정하였다.