풍력발전

[그림 3.6] 태양전지 종류

태양전지는 발전 원가가 하락하는 유일한 전력원이다. 또한 발전소를 건설하 게 되면 무한한 자원인 태양광을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 유지 보수 비용 이외의 비용이 들지 않는다. 그리고 원자력 에너지와 다르게 안전한 에 너지이고, 친환경 에너지 이다.

이러한 태양전지를 이용하는 태양광발전의 특징은 에너지원이 청정·무제한 이고, 필요한 장소에서 필요량이 발전가능하고, 유지보수가 용이하며 무인화가 가능하고 20년 이상 사용이 가능한 장수명이라는 장점들이 있다. 그러나 전력 생산량이 지역별 일사량에 의존해야 하고, 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필 요하므로 설치장소가 한정적이며, 시스템 비용이 고가로 초기투자비와 발전단 가가 높아 사용할 때에 이러한 부분들이 고려되어져야 한다.

계통이나 수요자에게 공급하는 것으로서 풍력발전이 이에 해당한다. 즉 풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적인 에너지로 변환시키고, 이 기계적 인 에너지에 의해서 생성되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 이러한 과정에서 바람의 운동에너지를 날개(바람개비)를 사용해서 전기에너지로 바꾸는데, 이때 날개의 이론상 바람에너지 중에 59.5%만이 전기 에너지로 바뀔 수 있는데, 이것도 날개의 형상에 따른 효율과 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용가 능하다.

풍력발전시스템은 풍력이 가진 에너지를 흡수 변환하는 운동량 변환장치, 동 력전달장치, 동력변환장치 등으로 구성되어 있으며, 각 구성요소들은 독립적으 로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서의 기능 을 수행하게 되는 일체형 시스템이다.²³⁾

[그림 3.7] 풍력발전시스템의 구성 (출처: 한국 신·재생에너지협회)

풍력발전기는 날개의 회전축 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어있는 수직축 발전기와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기로 구분하며, 수직축은 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평 원에 많이 설치하여 이용 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율 이 떨어지는 단점이 있다. 수평축은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 따라서 중대형급 이상은 수평축을 사

23) 박종웅, 김석완 저(2010), 『에너지학 개론』, 동화기술, pp125~126

용하고, 100kW급 이하 소형은 수직축이 사용된다. 운전방식에 따라서는 기어 형과 기어리스형으로 구분한다.

구조상 분류(회전축 방향) -수평형 풍력시스템(HAWT) : 프로펠라형

-수직축 풍력시스템(VAWT) : 다리우스형, 사보니우스형 운전방식 -정속운전(fixed roter speed type) : 통상 기어

-가변속운전(variable roter speed type) : 통상 기어리스 구조상 분류 -Pitch(날개각) Controll

-Stall(失速) Controll

운전방식 -계통연계(유도발전기, 동기발전기)

-독립전원(동기발전기, 직류발전기)

[표 3.1] 풍력발전시스템의 분류 (출처: 에너지학 개론, p125)

또한 출력제어방식에 따라서 Pitch Control와 Stall Control으로 분류하고, Pitch Control 방식은 날개의 경사각(Pitch) 조절로 출력을 능동적 제어 하게 된다. 그리고 Stall Control 방식은 한계풍속 이상이 되었을 때 양력이 회전날 개에 작용하지 못하도록 날개의 공기역학적 형상에 의한 제어로 고효율 발전 이 가능하고, 기계적 링크가 없어 유지보수가 수월하다.

국내의 기술개발현황은 90년대 초에 대학과 연구원을 중심으로 기초연구 및 소형풍력시스템 연구를 시작한 이래 '90년대 중반부터 본격적으로 기술개발을 수행하였고, 수행과정과 개발현황은 다음과 같다.²⁴⁾

- 1단계('88∼'91) 사업으로 전국 64개 기상청 산하 기상관측소, 일부 지역 의 도서 및 내륙 일부 지역에서 관측된 풍속과 풍향자료를 이용한 풍력자원 특성분석 이루어짐

- 1단계 사업기간에 한국과학기술원이 20㎾ 소형 수평축 풍력발전기를 국산 화하려는 연구개발을 시도하였고, 2단계('92∼'96) 사업기간에는 복합재료 분

24) 한국 신 재생에너지협회 http://www.knrea.or.kr/energy/energy04_2.asp

야의 전문업체인 한국화이바가 한국형 중형급 수직축 300㎾ 풍력 발전기개발 - 한국화이바에서 중대형급(750㎾급) Gearless Type (Direct Drive Generation)수평축 풍력발전기(블레이드) 개발 완료(2001년)

- 현재 3대 중점기 술개발과제로 기어드타입, 기어리스타입에서 750kW급 풍력발전기의 개발 시제품에 대해 실증 연구수행

ㆍ실증기간 : 2004.9 ∼2006.8 (2년)

- 1∼2MW급 중대형 풍력발전 시스템 개발 수행 중(2004년∼ ) - 해상풍력 실증연구단지 조성연구 수행중

ㆍ실증기간 : 2005.12 ∼2009.12 (4년)

유럽에서는 1980년대 초부터 풍력발전의 제작기술이 급속히 발전하여 독일 의 독일선급협회(Germanischer Lloyd), 덴마크의 노르웨이 선급협회(DNV:

Det Norske Veritas) 및 덴마크 국립 에너지연구소(RISO) 등에서 설계인증ㆍ 검증, 성능평가기준을 제시하고 있으며 국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)에서는 풍력발전에 관한 국제규정을 마련하고 있는 단계이다.