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가상 상현 현실 실기 기반 반 차 차량 량 시 시뮬 뮬레 레이 이터 터 개 개발 발

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가상 상현 현실 실기 기반 반 차 차량 량 시 시뮬 뮬레 레이 이터 터 개 개발 발

황병선, 박승범, 이정훈, 성백주 │한국기계연구원

1. 서 론

풍력터빈시장은 지난 10년간 매년 약 25%의 성장률을 나타내면서 급성장하고 있다. 2007년 3월에 발간된 BTM Consult ApS의 보고서

[1]

에 의하면, 2006년까지 설치된 풍력발전용량은 인상적인 수행을 기록하였다. 표 1 을 살펴보면 2005년 한 해 동안 설치된 풍력발전용량은 전년도 대비 42%가 증가하였다. 전체 풍력발전용량은 2006년까지 15,016 MW가 설치되었고 2006년 한 해 동안 30%가 성장하였다.

1980년 중반 미국 캘리포니아‘Wind Rush'로 풍력터빈시스템의 상업발전시대가 시작되어, 1990년대 들어 덴 마크, 독일, 영국 그리고 다시 2000년대에는 스페인, 아시아, 미국 등 대규모 풍력시장이 형성되면서 점차 풍력터 빈시스템의 규모도 자연스럽게 대형화되어 왔다. 이와 같은 추세는 그림 1에 잘 나타나있다.

풍력터빈시스템에 있어서 최근의 동향은 저비용, 고신뢰성이 미래 풍력터빈 성공의 요인으로 강조되고 있으며, 이러한 이유로 풍력터빈은 급속도로 대형화되는 추세이다. 현재 설치되고 있는 풍력터빈은 로터직경 60~90 m, 출력 1~3 MW 급이 주를 이루고 있으며, 그림 2와 같은 로터직경 125 m에 달하는 6 MW 풍력터빈 시험모델 (prototype)도 시험 운행되고 있다.

대형 풍력터빈의 국내외 기술 현황 및 발전 동향

표 1. 2001년부터 2006년까지의 세계시장 성장률 Year:

Average growth -5 years

Installed MW Increase % Cumulative MW Increase % 2001

2002 2003 2004 2005

2006

6,824 7,227 8,344 8,154 11,542 15,016

6%

15%

-2%

42%

30%

17.1%

24,927 32,037 40,301 47,912 59,399 74,306

29%

26%

19%

24%

25%

24.4%

Source : BTM Consult ApS - March 2007

) Note : 2005 installed MW is 135MW higher than last year’s edition. The reason is 135 MW additional reported by Enercon after publishing.

(2)

그간의 대형화 추이를 살펴보면 2000년 이전에는 750kW 미만이 주류였으나, 2001~2003년 750kW~1.5MW 가 주류를 이루었으며, 2003년 이후 육상용의 경우 1.5~2.5MW가 주를 이루고 있으며, 최근 대부분의 선진 제작 사들의 경우 주력 기종을 2MW급 이상으로 조정하였다. 현재 제작사별로 3~5MW급 풍력터빈시스템의 시제품 제 작 또는 실증 운전되고 있으며, 시장 동향, 선진 제작사들의 움직임으로 살펴볼 때 육상용은 2~2.5MW급, 해상용 은 3~5MW급이 앞으로의 시장 추세일 것으로 분석되고 있다.

본 특집에서는 풍력 터빈 기술, 터빈 부품 기술의 국내외 현황과 시장현황 및 분석 등 전반적인 사항을 개괄적으 로 다룰 것이다.

2. 풍력터빈 시스템

2.1 풍력터빈의 종류

풍력터빈은 바람의 방향에 대한 회전축의 방향에 따라 수직축과 수평축으로 분류할 수 있다. 수직축 풍력터빈

그림 1. 세계 풍력시장에서 풍력터빈 설비용량의 변화

그림 2. Cuxhaven 지역(독일)에 있는 세계 최대 6MW 급 해상용 실증 모델(독일 Enercon사)

(3)

(vertical axis wind turbine)은 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하기 때문에 요잉 장치가 불필요한 장점이 있 다. 그러나 대부분 항력(drag force)을 이용하기 때문에 풍속이상의 주속도로 회전할 수 없으므로 에너지 변환 효 율이 낮은 단점이 있다. 따라서 대부분 소형의 풍력터빈에서 사용되는 형식이다. 수직축 가운데 양력을 이용하는 다리우스형(Darrieus)은 풍속보다 높은 주속(tip speed)을 얻을 수 있으나, 블레이드의 피치제어가 불가능하기 때문에 출력 효율에 한계가 있다.

수평축 풍력터빈(horizontal axis wind turbine)은 로터 회전면을 풍향에 맞추기 위한 요잉 장치가 필요하고, 증 속기와 발전기를 포함하는 너셀(nacelle)의 중량물이 타워 상부에 설치되어 유지, 보수의 어려움이 있다. 그러나 블레이드에 발생하는 양력(lift force)을 이용하므로 풍속보다 높은 주속도로 회전하기 때문에 에너지 변환 효율이 가장 우수하다. 따라서 현재 대부분의 중형급 이상 풍력터빈에서 사용되고 있는 형식이다.

효율관련 그림 3에서 풍력터빈에 의하여 발생되는 출력(power)은 의 관계로 나타난다. 여기 서 ρ는 공기밀도, V는 풍속, A는 블레이드 회전면적, Cp는 출력계수(power coefficient)로써 효율을 나타낸다. 이 론적으로는 0.593의 값을 최대로 가진다[2]. 그림 3에서 전형적인 출력과 효율 곡선을 보여주고 있다. 그림 4는 풍 력터빈의 종류에 따른 효율을 주속비(TSR, tip speed ratio)에 따라서 비교한 것으로[3], 현재 대형 상업 발전기의 설계가 가야하는 방향을 제시하고 있다.

따라서 본 특집에서는 중대형 풍력터빈에 대하여 다루게 되므로 수평축 풍력터빈에 한하여 분석하였다. 그림 5 는 수평축 풍력터빈의 대표적인 구성품을 나타내고 있다. 허브를 포함한 로터 블레이드와 베어링, 너셀 내부의 드 라이브 트레인과 발전기 등 중요 부품과 관련된 세부 부품을 보여주고 있다.

그림 3. 출력곡선과 효율곡선 그림 4. 로터 종류에 따른 출력계수

그림 5. 수평축 풍력터빈의 구성품

P = ρV

3

AC

p

2

1

(4)

2.2 풍력터빈 시스템의 설계

풍력 터빈의 개발은 개념설계, 기본설계, 상세설계, 제작 및 시험, 인증의 단계를 거치는 오랜 경험과 시간을 요 구한다. 개념설계는 경제성이 있는 용량을 목표로 두고 터빈 시스템의 개략적 형상을 결정한다. 이 과정에서는 GH(Garrad Hassan) BladedTM와 같은 성능 및 하중 계산 S/W 등을 동원한 하중계산을 통하여, 블레이드의 기하 학적인 형상, 너셀의 무게, 타워의 높이 등이 결정된다. 이때 설계인자가 400여개에 이르므로 경험적인 요소로 예 측하여 얼마나 입력 파라미터를 줄이느냐가 관건이다. 그림 6은 BladedTMS/W를 이용한 설계과정의 일부를 도식 화한 것이다.

주요 구성기기간의 최적 조합을 찾고, 이들 간의 상호작용을 이해하는 시스템공학적인 기술이 필요하며, 전기 적, 기계적인 부품의 세부 설계는 시스템 공학에 근간을 둔 개발책임자의 지휘 하에 이루어진다.

2.3 풍력터빈 시스템의 성능시험

전체 시스템의 성능시험은 field에서 최종적으로 이루어지는데, 시스템 제어 시험, 출력의 측정, 시스템의 구조 적 거동 측정 등이 이때 이루어진다. 부분조립 단계에서 너셀 조립품은 현장에서 시험을 거치는 것이 일반적이며, 블레이드는 부품 단위로 필요한 정하중 및 피로하중 시험을 거친다.

2.4 풍력터빈 시스템의 인증

풍력시스템의 인증(certificate)이란, 최종 수요자가 풍력터빈의 성능, 신뢰성, 안전성을 확인하기 위한 방안으 로, 제조자가 풍력터빈을 제작함에 있어 제3자가 규정이나 추천방법에 따랐는지를 검증하는 절차를 말한다. 따라 서 제조자는 풍력시장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 인증절차를 거치는 것이 통례이다.

그 종류는 부품인증(components certification), 형식인증(type certification), 사업인증(project certification) 등으로 나누어진다. 구체적인 적합성 및 인증시험 절차는 국제전기기술협회(IEC, International Electrotechnical Commission)의 IEC WT-01 규정과 절차에 따라서 진행하게 된다[4]. 규정과 절차는 DEWI- OCC(Deutches Windenergie - Institut-Offshore and Certification Centre, GmbH), GL(Germanischer Lloyd), DNV(Det Norske Veritas) Guideline 등에도 제안되어 있으며, 육상과 해상 부분으로 나누어져 있다. 구체적으로 IEC

그림 6. Garrad Hassan의 BladedTM를 이용한 설계 과정

(5)

61400계열의 규정에는 안전요구사항, 출력성능시험, 출력품질 특성 평가시험 등이 있다.

세계적으로 인증절차를 수행하는 기관은 독일의 GL, 덴마크의 DNV, 독일의 DEWI-OCC 그리고 미국의 UL (Underwriter's Laboratory) 등이 있으며, 이들 기관과 연계하여 직접적으로 성능시험을 수행하는 시험기관은 독 일의 WINDTEST와 DEWI, 덴마크의 RISØ, 미국의 NREL, 네덜란드의 ECN, 스페인의 CENER 등이 있다. 국내 에서는 위의 IEC 규정을 KS 표준화 작업을 일부 진행하였고, 상호 인증을 위한 노력이 산업자원부 기술표준원을 중심으로 이루어지고 있다.

3. 로터블레이드

로터 블레이드는 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치로서 풍력발전시스템의 용량과 제어 방식을 선정하는데 있어서 우선적으로 고려하는 주요한 요소이다. 본 장에서는 풍력터빈에 사용되는 로터 블레이드의 재 료와 블레이드의 설계 및 시험에 대하여 다룬다.

3.1 블레이드 설계

블레이드의 단면은 익형(airfoil)의 형상이며, 공기역학적 해석을 통하여 최적의 효율을 가지는 익형을 설계한 다. 풍력터빈의 블레이드 익형은 기본적으로 항공기의 익형과 같이 높은 양항비의 기본적인 성능이 요구되기 때문 에 초기에는 항공기 날개용으로 개발된 익형을 그대로 사용하였다. 그러나 항공기에 비하여 낮은 레이놀즈 수에서 운전되고 실속영역에서의 특성이 요구되기 때문에 풍력터빈 전용의 블레이드 익형이 개발되었으며, 전용 익형을 사용하여 에너지 생산의 증가를 가져왔다[5].

전체 시스템의 설계와 동시에 부품단위로서의 블레이드 설계는 또 다른 큰 과제이다. 그림 7에는 시스템설계에 서 주어지는 하중을 시작으로 공력 설계 및 해석, 구조 설계 및 해석, 제작에 이르는 일련의 과정을 도식화하였다[6]. Blade element-momentum 이론에 근간을 두고 익형의 실험적 데이터를 결합시켜서 코드(chord) 길이와 비틀 림각 등을 구할 수 있다. 계산 기술의 발달로 ADAMS, FAST, DHAT, Aerodyn 등과 같은 aeroelastic code를 활 용함으로써 보다 정확한 설계를 할 수 있다. 또한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용함으로써 정 교한 익형을 설계하고 있다[7].

그림 7. 블레이드 설계 및 해석, 제조 절차

(6)

블레이드는 원심력과 풍압에 의한 지속적인 피로 굽힘하중 조건에 처해진다. 또한 요잉 작용에 의하여 진동이 증폭되기도 한다. 따라서 블레이드는 정하중과 동하중 특성을 고려한 구조설계가 필요하다. IEC 61400-1 규격에 따른 풍속조건을 고려하여 정하중해석, 고유진동수 해석, 좌굴해석 등을 상용 소프트웨어를 활용하여 수행한다.

블레이드는 루트부위에서 팁부위로 갈수록 전체적인 두께가 줄어드는 대변형이 발생하는 구조물이다. 구조해석 을 수행할 때 기하학적인 비선형을 고려한 비선형 해석을 수행할 경우 구조 변형 형상을 좀 더 정확하게 예측할 수

있다[8,9,10]. 이때 활용되는 code는 ANSYS/NuMAD, SAMCEF for Wind Turbines, ABAQUS 등이 대표적이다.

블레이드 및 시스템의 효율을 증가시키기 위한 노력으로 미국 DOE의 WindPACT(Wind Partnerships for Advanced Component Technologies) 프로그램의 일환인 Sandia Lab의 BSDS(Blade Swept Design Studies)프 로그램, STAR(Sweep Twist Adaptive Rotor) blade 프로그램 등이 대표적으로 참고할 만한 사항이다.

3.2 블레이드 제조

풍력터빈시스템의 주요 요소인 로터 블레이드의 재료 선택에 있어서 구조적 하중 특성, 재료 성능, 블레이드 설 계 및 수명을 고려한 재료의 선정이 중요하다. 점점 대형화 되어가는 블레이드의 무게를 최대한 낮추면서 제작비 를 고려하였을 때, 내식성이 우수하고 높은 강도를 가지는 유리섬유 강화 폴리에스터/비닐에스터(glass fiber reinforced polyester/vinylester)와 유리섬유 강화 에폭시(glass reinforced epoxy)가 현재까지 가장 적합한 재 료이다. 현재까지는 유리섬유 강화 폴리에스터를 사용한 블레이드가 가장 많이 판매 되었으며, 블레이드 제조사 중에는 덴마크의 LM사가 시장 점유율에서 우위를 점하고 있다. 대형 풍력발전기에서 점점 더 경량, 저수축 및 우 수한 노화특성, 고강도의 블레이드가 요구되면서 폴리에스터계 수지에서 에폭시 수지의 복합재료로 전환되고 있 는 상태이다.

또한 재료 측면에서 대형화에 따른 수명 및 최적 설계를 위한 정확한 복합재료의 특성을 산출하기 위하여 EU에 서는 2002년부터 3년간 440만 유로를 투입하여 17개 연구소와 기업 등이 참여하여 Materials Data를 구축한 바 있다. 앞에서 언급한 WindPACT 프로그램에서 복합재료의 시험관련 프로그램이 진행되고 있다.

최근에는 그림 8과 같이 블레이드가 대형화됨에 따라 큰 부하가 작용하는 spar 구조물에 탄소섬유 강화 에폭시 가 사용되는 경우도 있다. 재료비용이 높은 단점이 있으나 강도 및 강성이 우수하면서 가벼운 CFRP(Carbon fiber reinforced plastics)에 대한 관심이 증가하고 있다.

그림 8. 고성능 블레이드 단면 형상

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블레이드의 스파(spar)와 셀(shell)의 제조 공법면에서는 오픈 몰드를 사용하는 수적층(hand layup)법(Nordex 및 GE사), glass prepreg(Vestas사), VARTM법(TPI사), resin infusion 법(SIMENS사)등이 있다[11]. 점차적으로 폐쇄형 몰드를 사용하는 것으로 전환하고 있는데 이 방법은 품질을 향상시킬 뿐만 아니라, 2차 접착이 필요하지 않고, 작업환경의 개선 등이 있는 유용한 공법이다. 블레이드 제조자들은 장기적으로 품질 유지와 노동력 감소를 위하여 항공산업에 이용 중인 자동화된 제작법인 Automated tape laying 및 Automated fiber placement 법 등을 접목하기 위한 노력이 계속되고 있다.

3.3 블레이드 시험

블레이드는 20년 이상 운전 하중 하에서 견디도록 설계한다. 이러한 사용연한은 복합재료 구조물 중에서 매우 큰 변형을 가진 복합재료 구조물의 사용기간을 훨씬 초과하는 경우이다. 이러한 이유 때문에 축적된 경험과 기술 만으로 설계의 신뢰성을 보장하기에는 어려움이 있다. 따라서 블레이드는 풍력터빈의 설계 기준에 맞는지, 기계의 가격을 줄이는지, 실제 설치할 때의 경제적 관점 등을 고려하여 철저하게 시험할 필요가 있다. 더구나 풍력산업계 는 2009년까지 피로시험까지 요구할 것으로 예상하고 있다.

현재 구조 성능 시험을 위한 IEC 61400-23 규정[12]에 따라 시험을 실시한다. 정적하중은 집중 혹은 분포하중을 가하며, 분포하중의 경우 whipple tree 또는 winch방식으로 하중을 가한다. 정적강도는 flap 방향 및 edge 방향에 따라 측정하고 규정에는 블레이드의 상하 방향을 고려하여 시험을 수행한다. 시험하중은 IEC 61400-23에서는 설계하중의 1.1을 적용하도록 하고 있다. 그림 9는 winch방식에 의한 정적하중 시험의 한 장면이다.

4. 드라이브 트레인

현재 대부분 풍력터빈시스템의 드라이브트레인(drive train)은 저속축(main shaft, rotor shaft, low-speed shaft), 증속기(gearbox), 고속축(high-speed shaft)으로 구성이 되어 있다. 저속축은 로터 블레이드의 회전력과 추력을 증속기에 전달하는 부품으로 고강도 재료와 설계의 최적화가 중요한 사항이다.

증속기의 종류에 따라서 간접구동식(geared), 직접구동형(gearless), 혼합식(hybrid)의 세 가지 형태로 드라이 브트레인의 개념이 정리된다.

전통적으로 대다수를 차지하는 geared type의 증속기는 그림 10과 같이 로터 블레이드 축과 발전기 사이에 위

그림 9. 길이 45m 블레이드의 4점 분포 하중시험

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치하면서 저속으로 분당 15에서 40회전하는 저회전 고토크의 로터 블레이드 입력동력을 분당 약 1000에서 1800 회전 속도로 증속하여 고회전 저토크의 출력동력으로 변환하여 발전기에 전달한다.

대형의 풍력터빈에서는 블레이드의 회전속도를 낮추는 대신에 증속비를 높여 구조 및 안정성 문제를 해결하는 추세이기 때문에 현재 대형 풍력터빈에서는 기어드 형(geared type)이 주류를 이루고 있다.

일반적으로 중형 풍력시스템에서는 큰 증속비를 얻기 위해서 크기와 중량을 감소시킬 수 있는 1단의 유성기어 열과 2단의 평행축기어를 조합한 구조를 사용하고 있다. 기어의 강도 해석은 주로 이뿌리의 굽힘강도, 접촉면의 접촉응력, 스코링 강도의 3가지 항목으로 검토하며 계산의 결과 중에서 최소의 허용 응력값으로부터 전달마력을 결정한다. 일반적인 규격으로는 AGMA 2001, DIN 3990, BS 436, JGMA 401, IS6336 등이 있다[13].

풍력용 기어박스의 설계시에 전위계수는 소음진동과 밀접한 관계를 가지고 있으며 기어박스의 시험은 다이나 모메터(Dynamometer)에 의해서 수행된다. 다이나모메터는 부하를 재현하는 방식에 따라 전기식 유압식 등의 방 식이 있지만 전기식이 가장 적절하다. 증속기는 높은 타워위에 올려지게 되므로 설치 및 보수가 용이하지 않다. 이 와 함께 급격한 풍력 변화로 큰 부하 변동을 받아 기어 및 베어링 등에 동적 힘 변위로 영향을 받게 되고 기어박스 의 초기고장 및 수명단축의 원인이 된다. 기어박스는 풍력터빈의 심장에 해당하여 항상 유지보수의 중점대상이 되 며, 설치 조건상 다양한 상태 모니터링 기술이 필요하다.

하지만 증속기를 사용함으로써 드라이브트레인 길이의 증가에서 오는 시스템 설계부담, 회전 부품의 증가로 인 한 전달손실 및 효율문제, 유지보수 필요량의 증가, 소음 및 너셀부의 중량 증가 등이 증속기 사용에서 오는 단점 이다.

그림 10. 간접구동형 풍력발전기와 3단 기어 증속기

그림 11. 직접구동형 풍력발전기

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직접구동형(gearless type)은 그림 11과 같이 저속, 고토크의 로터가 증속기 없이 직접 발전기에 전달되는 형태 이며, 대부분 가변속 운전방식의 동기발전기를 사용하는 풍력발전시스템에 해당된다. 전력 계통에 연계하기 위해 서는 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 교류/직류/교류 전력변환이 필요하다. 장점으로는 위에서 언급한 증속 기 때문에 발생하는 대부분의 문제점을 제거할 수 있다. 그러나 대형의 동기발전기를 사용하여야 하기 때문에 고 출력 다극형 발전기의 개발이 필요하고, 발전기의 가격이 고가라는 단점이 있다. 또한 증속기의 무게가 발전기의 중량으로 전가되는 점이 좋지 않다.

혼합형(multibrid type)은 그림 12와 같이 로터와 영구자석 발전기 사이에 1단 기어를 사용하여 연결시키는 형 태이다. 고단의 증속기로부터 발생하는 기계손실과 너셀부의 중량 증가의 단점을 1단 기어로 대체하고 발전기의 극수와 크기를 감소시켜 간접구동형과 직접구동형의 문제점을 서로 보완하는 절충 형태이다. 사용되는 저출력의 영구자석 발전기는 고출력의 다극형 동기발전기보다 가격이 저렴하다는 장점이 있지만 아직까지 활성화되지 않 아서 신뢰성 문제가 있다. 이러한 개념을 최근에는 멀티브리드(MultibridTM)라는 명칭으로 상업화를 시도하고 있다.

증속기와 발전기를 연결하는 고속축은 대개 증속메카니즘에 의하여 주축과 어긋나게 설치되어 비대칭으로 인 한 시스템 설계에 부담을 주고 있는 부분이다. 주축과 마찬가지로 고CrNiMo강을 사용하며, 제조 측면보다는 설계 의 최적화에 중점을 두고 있는 부품이다.

직접구동형 풍력터빈은 Enercon 1개사가 시장을 주도하고 있고, 혼합형 풍력터빈은 Winwind사가 시장을 주도 하고 있는 상황이다. 신생 풍력터빈 제작회사들의 경우 기존 업체들과의 경쟁에서 기술적 우위를 선점할 수 있는 직접구동형과 하이브리드형에 많은 관심을 가지고 있다. 우리나라의 경우 유니슨(주)에서 750kW 기어리스형 풍 력발전기 국산화 개발에 직접구동형 모델을 채택하여 실증 단계까지 성공적으로 완료되었으며, 2MW multibrid 풍력터빈시스템 개발을 진행하고 있다.

증속장치에 사용되는 증속기는 풍력터빈의 기계적 소음과 고장을 일으키는 주원인으로 높은 신뢰성과 장기간 의 수명을 요구하는 풍력발전시스템의 핵심 요소 부품이다. 기어의 치형 설계에서 증속기 구조 설계에 이르기 까 지 동력 전달 효율, 소음 진동, 수명 및 강도를 고려한 설계 기술이 필요하다. 설계 기술과 함께 신뢰성을 확보하기

그림 12. 하이브리드형 풍력발전기

(10)

위한 원천 기술로 성능 검증 및 내구 수명 확보를 위하여 시험 및 평가 기술이 필수적이다. 증속기는 기어를 비롯 한 여러 가지 부품이 조립된 장치로서, 신뢰성을 확보하기 위해서는 각 부품에 대한 검사 및 시험 평가가 이루어져 야 하며, 조립된 증속기 자체에 대한 시험 및 평가뿐만 아니라 풍력발전시스템에 조립된 전체 실제 운전시험을 통 하여 평가되어야 한다.

5. 제어

5.1 제어 시스템

제어 시스템은 풍력발전기의 회전 속도와 출력 기동 및 정지, 계통연계 등을 위하여 인위적으로 조절하는 시스 템이다. 제어 시스템에는 속도 및 출력제어, 운전 상황 및 운전 모드 제어, 계통연계에 관한 제어, 운전 및 모니터링 시스템 등이 있으며, 기계적 특성과 전기적 특성 등을 잘 고려하여야 한다. 속도 및 출력제어에는 풍속에 따른 출 력, 피치각, 회전수(로터/발전기) 제어가 있으며, 제어방식에 따라 유압식과 전자식 제어 드라이브가 있다. 운전상 황 및 운전 모드 제어에는 풍향과 전선수 제어, 제동장치에 관한 제어와 회전방식에 관한 제어 등이 포함된다. 제 동장치에 관한 제어는 공기역학적 제동과 기계적 브레이크 제동이 있고, 회전 방식에 관한 제어에는 정속 회전과 가변속 회전이 있다. 개별 터빈의 감시 제어에 더하여 상업용 대형 풍력터빈은 풍력단지에서 동시에 운영된다. 따 라서 중앙 감시 제어 시스템이 기본적인 설비이며, 자동화 산업에서 널리 사용되고 있는 SCADA(Supervisory Control, and Data Aquisition)시스템을 활용함으로써 운영자는 원격지에서 터빈의 운영특성을 수정 및 명령을 하 달할 수 있다. 본 장에서는 출력 제어 시스템과 요 제어 시스템에 대해서만 다루어 보았다.

5.2 출력제어방식

풍력터빈의 정격출력에 로터의 공력출력이 정격출력에 도달하는 정격풍속이 있다. 풍속이 정격풍속을 초과하 면 공력출력을 제한하여 더 높은 풍속에서도 정격출력에 해당하는 일정한 공력출력이 로터에서 발생할 수 있도록 공력출력을 제어하여야 한다. 출력제어기술은 풍력발전시스템의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위한 중요한 기술 이다. 공력출력을 제어하는 방식에는 실속제어(stall control)와 피치제어(pitch control)가 있으며, 실속제어는 수 동형(passive stall)과 능동형(active stall)으로 나뉜다[14].

수동형 실속제어(passive stall control) 방식은 그림 13(a)와 같이 정격풍속을 초과하면 블레이드에 유입하는 바람의 상대적 받음각이 증가하여 블레이드 뒷면에서 유동의 박리가 발생하는 실속상태가 되어 양력이 감소하여 회전을 억제하는 방식이다. 이 방식은 블레이드가 허브에 단순히 직접 고정되는 매우 단순한 구조이다. 그러나 블 레이드의 익형 단면 형상이 실속 특성을 결정하므로 적절한 단면 형상의 설계가 매우 중요하며, 블레이드의 공력 설계에 많은 경험이 필요하다. 가격이 저렴하고 날개에 운전중에 가동부가 없어 고장율을 줄일 수 있는 장점이 있 으나, 이상 풍속에서 폭풍 시 대비에 한계가 있다. 출력을 최대한 유지하도록 정격출력 근처에서 약간의 오버스윙 을 허용하도록 설계한다.

능동형 실속제어(active stall control) 방식은 그림 13(b)와 같이 실속제어의 단점을 보완하고 피치제어의 이점 을 살릴 수 있도록 채택한 방식이다. 블레이드의 피치각을 조절하는 피치제어 기구를 두고 정격풍속 이상에서는 에너지 변환효율이 감소되도록 바람의 받음각을 증가시킴으로써 실속현상을 유발하여 출력계수를 감소시키는 방

(11)

식이다. 피치각을 조절한다는 방식은 유사하나 피치제어 방식이 받음각을 감소시키는 방향인데 반하여 능동형 실 속제어 방식은 받음각을 증가시키는 방향으로 제어하는 차이점이 있다. 이 방식은 단순하고 효율적인 장점을 있어 정속운전방식에 널리 적용되지만, 실속현상에 의한 양력계수의 감소와 함께 항력계수가 증가되어 블레이드에 작 용하는 공력하중이 증가하게 된다. 이로 인하여 블레이드의 굽힘이나 진동, 소음이 발생하는 문제가 있다.

피치제어(pitch control) 방식은 그림 13(c)와 같이 블레이드가 받는 바람의 상대적 받음각을 변화시키기 위하 여 블레이드를 길이방향 축을 중심으로 회전시키는 방식이다. 정격풍속이상의 모든 풍속에서는 받음각을 점진적 으로 감소시켜 발전기의 정격출력에 정확히 맞추도록 능동제어가 가능하며, 정격풍속보다 낮은 풍속에서는 공력 출력이 최대가 되도록 피치각을 조정할 수 있다. 피치제어는 운전중에 날개의 각도를 회전시켜 가장 효율적인 운 전을 할 수 있을 뿐 아니라, 필요에 따라 출력을 조정할 수 있고 고풍속 또는 이상 풍속 시 쉽게 정지시킬 수도 있 다. 피치제어는 중형기에서는 유압장치 또는 전동기를 사용하고, 대형기에서는 보통 유압장치를 사용한다.

대형기에서는 피치제어를 위한 비용이 차지하는 비율이 상대적으로 높지 않고 효율적인 설계와 운전이 가능하 고 비상시 대비능력이 우수한 점을 고려하여, 최근에 상용화되는 대부분의 풍력터빈시스템은 피치제어를 사용하 고 있으며, 극히 일부 모델에서만 실속제어를 사용하고 있다. 대형 해상풍력에서도 개별적인 피치제어와 가변속 제어가 결합된 출력제어 기술이 높은 점유율을 차지할 것으로 예상된다.

5.3 요 시스템

바람이 불어오는 방향이 로터의 회전면에 수직하지 않는 요 에러가 발생하면 출력이 저하되고 시스템에 불안정 한 하중이 작용하게 되어 수명 단축을 초래하는 요인이 된다. 이런 요 에러를 방지하기 위하여 로터의 회전면이 바 람의 방향에 수직이 되도록 제어 하는 시스템이다. 요 시스템은 요 드라이브, 요 베어링, 요 브레이크로 구성되어 있으며, 제어 방식은 수동제어 방식과 능동제어 방식이 있다.

수동제어 방식은 로터의 위치를 너셀의 풍하쪽에 장착하는 후풍향식(downwind) 배치 방식으로, 요 에러가 발 생하면 바람에 의하여 요잉 모멘트가 발생하여 바람의 방향을 회전면에 수직하게 만들어 준다. 시스템이 단순하고 비용이 저렴하나, 정밀한 제어가 불가능하고 큰 요잉 모멘트가 필요한 대형 시스템에서는 부적합하기 때문에 중소 형 풍력발전기에 주로 사용되었다.

능동제어 방식은 로터의 위치를 풍상쪽에 배치하는 선풍향식(upwind) 배치 방식으로, 너셀 뒷부분에 설치된 풍 향계의 신호에 따라 요잉 모멘트를 유압 또는 전기에 의해 구동시키는 요 시스템이다. 유압식은 가격이 저렴하고

그림 13. 실속 제어와 피치 제어

(12)

설치 공간이 작으면서 제어가 용이하며 상대적으로 출력이 높은 반면, 정확한 동역학적 해석이 필요하며 유지 보 수 비용이 높다는 단점이 있다. 전기식은 속도 조절과 보다 세밀한 제어가 가능하며 유지 보수 비용이 낮은 반면 에, 가격이 높고 설치공간이 많이 필요하고 중량이 무거워지는 단점이 있다.

대형의 육상 풍력과 더불어 해상 풍력에서는 태풍과 염분 등의 해상 기후조건에 대한 내구성이 요구되고 원거리 제어 및 모니터링이 가능해야 하기 때문에 유지 보수의 관점에서 전기식 제어 시스템이 채택되고 있다.

6. 타워 및 구조 안전설비

타워(tower)의 역할은 형상면에서 주요부품인 로터 블레이드와 너셀을 지지하는 기능을 지니고 있다. 풍력터빈 이 작동 중일 때 풍하중과 블레이드를 통하여 전달되는 추력을 받는다. 격자형(lattice)과 원통형 철 구조물이 대부 분이다. 대형화되면서, 피로 및 좌굴현상 등을 고려한 구조적인 안정성, 부품의 배치 및 유지 보수 인력의 이동 등 을 고려하여 테이퍼 원통형(tapered tube)이 주류를 이룬다.

설계할 때 피로 및 좌굴을 고려한 구조설계 뿐 아니라 로터추력의 fluctuation에 의한 타워의 1차 모드의 고유진 동수와 관련된 공진현상을 회피해야한다.

특히 해상용에서 대형화에서 오는 너셀의 무게의 증가는 타워의 설계 및 제작에도 큰 영향을 미친다. 폭풍이나 풍랑에 대비하여 더욱 안정적이며, 강성이 높고, 무거운 타워를 설계해야하기 때문이다. 타워의 형상과 역할은 비 교적 간단하지만 타워가 차지하는 부품으로써의 가격이 주요 부품 중에서는 가장 높아서 육상용 2MW형의 경우 26% 정도의 가격을 차지하고 있다. 수송에 상당한 비용이 소요되므로 국내에서 설치할 경우 국내의 타워 제조자 의 기술력을 활용함으로써 풍력터빈의 경제성을 맞추고 있다.

기계식 브레이크(Mechanical brake)는 보수 목적으로 정지했을 때와 높은 풍속에서 시스템이 정지할 때 축의 움직임을 막기 위하여 사용하며, aerodynamic braking으로 속도가 매우 낮아졌을 때 완전정지를 위한 장치이다.

일반적인 풍력터빈 브레이크는 디스크와 캘리퍼(calipper)의 구조이며, 브레이크 패드는 소결금속소재 (sintered metal)를 주로 사용한다. 일반적으로 600℃에서 마찰계수가 0.4정도가 유지되는 소재가 바람직하다. 브 레이크 설계의 가장 중요한 인자는 design braking torque이다. GL guideline 등에는 관련된 재료계수, 공력학적인 계수 등을 규정하고 있다. 브레이크는 장착 위치에 따라서 high speed shaft-mounted brake와 low-speed shaft-mounted brake로 나눠진다. High-speed shaft-mounted brake의 경우에는 gearbox에 피로하중을 덜 주 게 되는 장점이 있고, 주축(main shaft)에 장착되는 경우에는 비교적 대형이면서 설계가 비교적 용이하다[7].

브레이크와 동시에 필요한 안전장치로써 rotor locking device 가 있는데, 너셀의 이송, 설치, 유지와 보수를 위 하여 필요한 장치이다. 대개 주축의 플랜지에 구멍이 있는 locking 플레이트를 장착하고 locking pin을 적용시키는 형태이다.

7. 발전기

풍력터빈의 방식에는, 변동하는 입력인 풍속에 대하여 회전속도가 일정한 정속회전 제어방식과 회전속도를 제 어하고 풍속에 대한 효율 향상을 위한 가변속 회전 제어방식이 있다. 발전 방식에 따라 사용 발전기의 종류가 결정

(13)

되는데, 풍력발전기로는 교류발전기인 동기발전기와 유도발전기만이 사용되고 있고, 직류발전기는 특유의 구조적 결함 때문에 사용하지 않는다.

7.1 대용량 풍력발전기

소용량 풍력터빈에 주력하던 시대에는, 효율보다는 보다 안정적인 전기에너지 생산이 발전의 주목적이었다. 하 지만 현대에는 인버터 기술의 눈부신 발전에 힘입어 발전기의 고 효율화를 위한 가변속 제어가 가능해짐에 따라 저 풍속 고 효율의 대용량 발전이 가능하게 되었다. 대용량 풍력터빈에는, 가장 일반적 방식인 이중여자 유도발전 기, 직접 구동형 드라이브 트레인에 적용되는 다극형 저속 동기발전기, 하이브리드형 드라이브 트레인에 적용되는 다극형 동기발전기 등 크게 3가지 종류가 있다[15].

(1) 이중여자 유도발전기

이중여자 유도 발전기는 그림 14와 같이 고속 증속기와 전력 변환장치가 결합되어 사용되며 회전자와 고정자 모두 권선으로 구성되며, 회전자와 고정자 모두에서 자계가 발생된다. +슬립시 회전자측에서 출력측으로 슬립 전 력이 공급되며 -슬립시 출력측에서 회전자측으로 슬립 전력이 공급된다. 어떤 역률 조건에서도 운전이 가능하며 유, 무효전력을 분리 제어 할 수 있다. 동기 발전기보다 인버터 용량이 작아져도 되는 큰 장점이 있지만, 시스템이 복잡해지고 비용이 증가되며 기어박스로 인한 문제가 존재하게 된다[16,17].

(2) 기어리스 다극형 저속 동기발전기

그림 15에 나타낸 기어리스 다극형 동기 발전기는 기어가 없이 전력 변환장치와 결합되어 사용된다. 인버터 기 술의 발달로 이중여자 발전기와 효율이 비슷하며 기어박스에 따른 문제점도 없다. 하지만, 사용하는 인버터의 가 격이 비싸고 효율이 낮으며, 시스템에서 발생하는 무효전력이 크고, 구조가 복잡해짐에 따라 제조원가가 증가하게 되는 문제가 있다.

그림 14. 이중여자 유도발전 시스템

그림 15. 다극형 동기발전기의 개략도

(14)

(3) 하이브리드형 다극형 동기발전기

하이브리드형 다극형 동기 발전기는 1단의 소형기어(WinWind 5.7:1)와 전력 변환장치가 결합되어 사용된다.

이중여자 유도 발전기와 기어리스 다극형 동기 발전기의 중간 형태로 너셀 중량과 발전기 및 주변기기의 비용을 최적화 할 수 있다는 장점이 있다.

(4) 다중 발전기

다중 발전기는 위의 세 가지 경우 이외의 발전기로서, 여러 개의 발전기를 병렬로 연결하여 사용하는 형태이다 (그림 16)[16,17].

7.2 풍력터빈 시스템과 전력계통의 연계 방식

풍력터빈 시스템을 전력계통에 연계하는 방식에는 다음의 세 방식이 주로 사용되고 있다.

(1) 정속운전 유도발전 방식

정속운전 유도발전 방식은 발전기가 변압기를 통하여 전력계통에 직접 연결되어 여자전류를 받으므로 역률 개 선을 위한 전력 콘덴서가 필요하고, 전력계통에 투입될 때 발생하는 돌입전류(In-Rush Current)를 줄이기 위하 여 소프트 스타터(Soft Starter)를 사용해야 한다(그림 17). 이는 전통적인 풍력발전의 전력계통 연계방식으로서 좋은 전력 품질의 유지는 어려우나 단순하고 저렴하다는 장점이 있고, 회전자를 정속으로 운전하여야 하므로 공력 성능의 향상에는 한계가 있고 동력전달체계에 무리를 줄 수 있다는 단점이 있다.

(2) 가변속운전 이중여자 유도발전 방식

가변속운전 이중여자 유도발전(Double-Fed Induction Generator)방식은 전력 변환장치(Inverter)를 통하여

그림 16. 다중 발전기 시스템

그림 17. 정속운전 유도발전기의 계통연결도

(15)

여자권선에 가해지는 전압과 주파수를 조절하여 공급함으로써 가변속 운전이 가능하고 역률의 개선과 공력성능 의 향상이 가능하다. 풍력발전의 설비용량이 대형화됨에 따라 전통적인 유도발전방식은 대부분 이중여자방식으 로 전환되고 있다(그림 18).

(3) 가변속운전 동기발전 방식

가변속운전 동기발전 방식은 유도식 보다는 오히려 일찍 채택되어 적용되어 왔고, 소형 풍력에서는 여전히 이 방식이 선호되고 있다. 그림 19와 같이 회전자의 구동력을 증속기 없이 직결형으로 전달하고 가변속운전이 가능 하도록 전력변환장치를 통하여 전력계통에 연결하기 위한 것이다. 이 방식은 신뢰성과 전력품질 면에서 우수한 반 면 고도의 기술이 요구되고 고가인 단점이 있지만 MW급까지도 상용화 되고 있다. 그러나 4~5MW 이상에서는 동 기발전기의 중량과 크기가 지나치게 증가되는 문제가 있으므로 이를 완화하기 위하여 단순한 증속장치를 부가하 여 사용하기도 한다.

2MW 발전기의 경우 대부분의 주요 회사는 이중여자 유도발전기(DFIG)를 사용하고 있으며 Enercon사만 영구 자석형 동기발전기를 사용하고 있다. 유도 발전기를 채택할 경우 계통연계를 위해 IGBT 소자를 사용한 정류기를 사용하고 있으며 Enercon은 자체 인버터를 사용하는 것이 특징이다. 3MW 발전기는 Enercon사와 핀란드계 회 사인 WinWind사가 동기식 발전기를 사용하고 있으며 나머지 Vestas, GE 등은 유도발전기를 사용하고 있다. 앞으 로 해상용 대형 풍력발전기는 이중 여자 유도 발전기(DFIG)와 영구 자석 동기 발전기가 발전기 공급과 개발면에 서 두 축을 이룰 것으로 보인다[17,18].

그림 18. 이중여자 유도발전기의 계통연결도

그림 19. 가변속 동기발전기의 계통연결도

(16)

8. 세계 풍력발전 시장의 현황

8.1 국가별 풍력발전 현황

2006년 동안 미국이 풍력시장에서는 세계에서 가장 최대 규모인 2,454 MW가 설치되었고, 다음으로 독일이 2,233 MW로 두 번째로 규모가 크지만 점차적으로 독일 시장의 규모가 줄어들 것이라 예상하고 있다. 미국, 독일, 인도 이 세 나라의 설치 용량을 합치면 2005년 설치 용량은 64%를 차지하였고, 반면 2006년의 경우 세계 전체 풍 력발전용량의 43%를 차지했기 때문이다. 가장 성장이 빠른 국가는 유럽의 포르투갈과 프랑스이다. 또 다른 관심 지역은 중국을 중심으로 하는 아시아 시장이다. 아시아 풍력발전시장은 2006년 중국의 성장률은 66%이고 인도 는 42%로 성장을 하였다. 아시아 지역은 세계 시장에서 24.8%를 차지하며 이는 미국시장의 비중과 비슷하다. 세 계시장을 주도하는 10국가를 표 2에 년도 별로 비교하여 나타내었다[1].

8.2 세계 주요 풍력터빈 제조업체

표 3은 2006년 10대 제조업체를 보여준다. 표 3에서 보면 Vestas(DK), Gamesa(ES), GE Wind(US), Enercon(GE) 사 순으로 2006년 한 해 동안 풍력시장에 가장 많은 발전기를 공급하였다.

8.3 시장 점유율

그림 20을 보면 2006년 한 해 동안 10대 제조업체에서 풍력시장에 공급한 발전용량은 15,016 MW이다. 총 발 전용량 15,016 MW에서 Vestas(DK,덴마크)가 28.2%, Gamesa(ES, 스페인)가 15.6%, GE Wind(US, 미국)가 15.5%, Enercon(GE, 독일)이 15.4%의 시장 공급을 하였다.

표 2. 2004~2006년 세계 10대 국가 설치 용량

Country 2004 2005 2006 Share % Cum. Share % USA

Germany India Spain P.R. China

France Canada

UK Portugal

Italy Total Percent of World

389 2.054

875 2.064

198 138 123 253 274 357 6.725 82.5%

2,431 1,808 1,388 1,764 498 389 239 447 502 452 9,918 85.9%

2,454 2,233 1,840 1,587 1,334 810 776 631 629 417 12,711

84.7%

16.3%

14.9%

12.3%

10.6%

8.9%

5.4%

5.2%

4.2%

4.2%

2.8%

16%

31%

43%

54%

63%

68%

73%

78%

82%

85%

Source : BTM Consult ApS - March 2007

(17)

9. 국내 기술 현황

국내에 설치되는 중대형 풍력터빈은 전량 외국에서 수입하고 있으며, 국내에서는 타워만 제작하여 공급하고 있 는 실정이다. 우리나라에서 최초의 전력계통연계 풍력터빈시스템은 한국에너지기술연구원이 한국관광공사의 요 청으로 1992년 2월 제주도 중문에 설치한 HSW 250 kW 1기이다. 이후 90년 말까지는 커다란 진전이 없었고 2000년 초부터 현재에 이르기까지, 정부의 보급정책과 풍력발전 사업자의 관심에 따라서 급속한 보급이 이루어 지고 있다.

2006년에 설치한 풍력터빈은 대관령 풍력발전단지(강원풍력주식회사)에 2 MW 35기(70 MW) 추가 설치로 그 전까지 28 MW와 합쳐서 총 시설용량 98 MW로 완공되어 국내 풍력에너지 보급량의 약 55%를 담당하고 있으 며, 대부분의 풍력발전 단지는 풍황(wind resource)이 좋은 강원 산간 지역과 제주도에 설치되었다. 현재 전국적 으로 150여기가 보급되어 발전시설용량 176 MW가 설치되었고, 시설용량별 발전량은 1 MW 이상이 60여기로 발전량의 대부분을 차지하고 있다(그림 21).

표 3. 2006년 10대 공급업체 현황[1]

Accu.

MW 2005

Supplied MW 2006

Share 2006

%

Accu.

MW 2006

Share accu.

%

Source : BTM Consult ApS - March 2007 VESTAS (DK)

GAMESA (ES) GE WIND (US) ENERCON (GE)

SUZLON (Ind) SIEMENS (DK) NORDEX (GE) PEPOWER (GE)

ACCIONA (ES) GOLDWIND (PRC)

Others Total

20,766 7,912 7,370 8,685 1,485 4,502 2,704 1,522 372 211 6,578 62,108

4,239 2,346 2,326 2,316 1,157 1,103 505 480 426 416 689 16,003

28.2%

15.6%

15.5%

15.4%

7.7%

7.3%

3.4%

3.2%

2.8%

2.8%

4.6%

107%

25,006 10,259 9,696 11,001

2,641 5,605 3,209 2,002 798 627 7,267 78,110

33.7%

13.8%

13.0%

14.8%

3.6%

7.5%

4.3%

2.7%

1.1%

0.8%

9.8%

105%

그림 20. 2006년 10대 제조업체의 시장 점유율[1]

(18)

현재 정부에서 중/장기적으로 풍력발전기를 설치 예정인 곳은 그림 21과 같으며, 권역별로는 약 20개의 사업이 계획 중 이거나 진행 중으로 보도되고 있고, 사업계획이 발표되었거나 진행중인 사업규모는 총 1,388 MW 이다.

2000년 초 이후 750kW급 풍력발전기의 국산화를 추진하여 블레이드, 발전기 등 요소기술의 설계, 제작 능력을 확보하였으며, 현재 전체시스템의 신뢰도 향상을 위한 실증연구가 완료단계에 있다. 이어서 국내에서 개발되고 있 는 풍력발전기는 1.5MW에서 2MW급의 중대형 풍력발전기가 2004년에서 2007년에 걸쳐서 개발되었거나 개발 중에 있으며, 풍력발전의 경제성 증가를 위한 세계적인 추세에 따라 3MW급 해상 풍력발전시스템의 개발(2006년

~ 2009년)을 추진 중에 있다.

우리나라는 풍력터빈에 필요한 중공업 및 부품산업 기반이 우수하므로 기술 개발을 적극 추진하면 내수시장을 거쳐 수출산업화하고 차세대 성장동력이 될 수 있다. 현재에도 부품별로는 저속축(main shaft), 타워 및 플렌지, 발전기 등은 외국기업에 공급하고 있는 정도로 기술력을 지니고 있다.

10. 미래 기술 동향

10.1 대형화

풍력터빈의 평균설비용량은 시장, 지역, 기술 수준 등에 따라 차이를 보이고 있으나, 1999년에 729kW, 2001년 에 915kW, 2005년에 1282kW, 2006년 현재 1419kW로 지속적으로 증가하고 있다. 풍력발전설비의 정격출력 은 1980년대 25kW, 1990년대 초반 500~600kW, 1990년대 후반 1.5MW, 2006년 현재 해상용을 주목표로 하고 있는 5~6MW급의 시제품, Enercon E112, Repower 5M, MultibridTMM5000, 이 제작되어 실증 운전 중에 있다.

그리고 대형화에 따라 1990년도 100~200kW용량의 블레이드 직경은 20~30m 정도였으나, 현재 설치되고 있 는 풍력터빈은 출력 1~3MW급에서 블레이드 직경이 60~90m가 주를 이루고 있다. 또한 2005년 5MW의 시제품 의 경우 블레이드 직경은 126m까지 도달하였으며, 추후 8~10MW급에서는 블레이드 직경이 160m까지 도달할 것으로 예상된다.

이런 풍력터빈 대형화의 주된 이유는 대형화에 따른 발전단가 감소효과를 얻을 수 있다는 점이다. 블레이드 및 시스템이 대형화에 따른 비용 증가보다 대형화에 의한 에너지 생산량이 더 크기 때문이다.

그림 21. 국내 풍력발전 시스템 기설치 현황(2006년 12월 기준)

(19)

10.2 용량의 증가에 따른 적용 기술 조합의 추이

1.5~2.5MW급 육상 풍력터빈의 경우 간접구동형과 직접구동형이 대등하게 경쟁하고 있으나 시장점유율은 간 접구동형이 약 80%를 차지하고 있다. 3~5MW급 해상용은 간접구동형과 직접구동형 및 멀티브리드형 기술이 경 쟁하고 있다. 기술적인 신뢰성은 입증되지 않았으나 대형화와 함께 하이브리드 기술인 멀티브리드형이 수 MW급 대용량에서 바람직한 대안으로 부상하고 있는 상황이다.

출력제어 방식은 블레이드 직경이 45~64m 범위에서는 피치제어와 실속제어가 비슷한 비율이나, 64~80m 범 위에서는 피치제어가 주종을 이루고 있으며, 80m 이상에서도 피치제어가 주종을 이루고 있다. 또한 속도제어방식 에서도 블레이드 직경이 64m 이상에서는 가변속운전방식이 주를 이루고 있다.

1MW급 이하의 중대형 풍력터빈시스템에서는 지금까지 가격이 저렴한 농형 유도발전기가 널리 사용되었으나, 정속운전 특성과 더불어 전력계통 연계시 과도상태 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 권선형 유도발전기를 사용한 이중여자 발전방식은 시스템의 가격 대비 성능면에서 우수하기 때문에 최근에 상용화된 1MW급 이상의 대용량 발전시스템에 널리 채택되고 있다. 최근에는 모델의 다양화, 영구자석 발전기의 채택, 새로운 개념의 발전 기 개발 등 다양한 시도가 진행되고 있다.

피치 및 요잉 구동장치에서는 3MW급 이상의 중대형 및 해상용 풍력터빈시스템에는 유압식보다는 전기식 모터 를 사용하고 있다. 표 4에는 90년 초부터 현재까지의 풍력터빈 핵심 부품별 발전 및 변화 추이를 보여주고 있다.

10.3 단지화 및 해상풍력

1990년대 중반까지는 5MW~100MW 사이의 대형 풍력발전단지가 급증하고, 5MW의 소형 단지 및 분산 설치 는 급감하는 경향을 보이다가 2000년대 들어서면서 풍력발전 도입 지역이 전 세계적으로 확산되면서 비슷한 비 율로 보급되고 있다. 대형 단지화의 추세는 풍력의 경쟁력 확보, 해상 풍력발전의 증가와 함께 지속적으로 증가될 전망이다.

유럽의 육상 풍력 단지의 포화에 따른 건설부지 부족현상과 소음, 조망권 침해 문제로 인해 풍력단지가 육상풍 표 4. 풍력터빈 핵심 부품별 발전 경향[19]

Year Newly Built Turbines Number of

Blades Rotor Position Aerodynamic

Control Generator

Type Rotational

Type

Two Blades Three Blades

Down Wind Up Wind

Stall Pitch Induction Doubly Fed Induction

Synchronous Constant Speed

Variable Speed

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 257

16 82 5 95 57 43 72 0 28 65 35

517 9 90

2 98 70 30 81 0 19 75 25

901 3 97

0 100

62 38 66 0 34 63 37

724 0 100

0 100

49 51 52 2 46 51 49

1527 0 100

0 100

41 59 50 15 34 50 50

1971 0 100

0 100

31 69 38 34 29 34 66

1639 0 100

0 100

14 86 20 49 31 15 85

(20)

력에서 해상풍력으로 전환되고 있다. 해상풍력발전 기술은 아직 초기 응용 단계이며, 설치, 유지보수의 편리성을 고려하여 조립 및 분해가 편리한 구조의 증속기 및 드라이브 트레인, 크레인의 설치 등과 관련한 기술개발이 추진 되고 있다. 현재 최대 이안거리 15km, 수심 20m까지 조성 중에 있으며, 2010년까지 이안거리 40km, 수심 35m까 지 조성 가능할 것으로 전망된다.

10.4 응용성의 확대

풍력터빈시스템으로부터 얻어진 에너지의 효율적 이용을 위하여 상업용 계통, micro grid와 연계, 담수화 설비, 수소제조장치등을 포함하는 분산전원과의 연계, IT기반으로 기존의 발전설비, 분산발전 및 에너지 저장 장치 등을 포함하는 분산전원 등과 연계한 hybrid 전력공급장치 및 virtual utility의 실현을 위한 연구를 진행하고 있다.

11. 맺음말

풍력분야의 경제성이 서서히 나타남에 따라 세계적인 풍력발전 분야에의 관심은 기술개발에 힘을 실어주고 있 다. 유럽에서는 2020년까지 신재생에너지로서 전력생산의 20%를 담당하겠다는 자신감을 나타내고 있다. 이것은 풍력터빈의 기술의 발전에 상당한 기대를 포함하고 있다. 유럽, 미국, 중국 및 인도의 3대 시장이 2010년까지는 구 체적인 계획에 따라 움직이고 있다.

핵심주기기의 기술도 점차적으로 경제성을 찾아서 최적화의 방향으로 가고 있으며, 육상은 repowering 이라는 개념으로 중소형에서 대형으로 교체하고, 해상풍력으로 진입하기 위한 핵심기술들을 개발 중에 있다. 국내에서도 풍력분야의 후발국이지만 중공업기술 잠재력을 활용하여 세계의 major급 제조사와 부품사로 두각을 나타내기 위 하여 산학연관이 노력을 하고 있다.

특히 동북아에 위치한 우리나라의 경우 우리의 풍황에 맞는 극한 자연조건, 태풍, 낙뢰, 저온, 산지 지형 등에 대 비한 설계요건에 따른 기술개발은 세계 다른 지역에서 시장 생존율이 높을 것이다. 우리보다 앞서가고 있는 일본 의 경우 태풍 및 낙뢰에 대비한 설계, 사례 모음, 규정도입을 위하여 노력 중이며 국내에서도 고려해야 할 사항이 다.

후기

본 결과물은 산업자원부의 출연금으로 수행한 풍력핵심기술연구센터사업의 연구결과입니다.

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황 병 선

·한국기계연구원 풍력핵심기술연구센터 사업책임자

·관심분야 : 풍력발전시스템, 복합재료 블레이드 제조 및 시험

·E-mail : hbs@kmail.kimm.re.kr

이 정 훈

·한국기계연구원 풍력핵심기술연구센터 연구원

·관심분야 : 풍력발전시스템, 복합재료 블레이드 제조 및 시험

·E-mail : terry7912@kmail.kimm.re.kr

성 백 주

·한국기계연구원 기계신뢰성연구센터 선임연구원

·관심분야 : 전기식 액츄에이터, 솔레노이드 밸브, 전기·기계류 부품의 신뢰성평가

·E-mail : sbj682@kimm.re.kr 박 승 범

·한국기계연구원 풍력핵심기술연구센터 기술실장

·관심분야 : 풍력발전시스템, 블레이드 구조 설계 및 시험

·E-mail : psb3882@kmail.kimm.re.kr

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