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풍력발전 개요 및 국내외 기술개발 현황1. 개요최근들어 풍력에너지 이용기술이 급속히 발전됨에 따라 전세계적으로 설치된 풍력발전시스템은 1998년 기준 약 9,800MW에서 2000년에는 약 17,706MW로 그 보급이 확산 일로에 있다.이와 같이 풍력발전시스템이 전세계적으로 널리 보급된 이유는 화석연료의 지역적 편중 및 매장량 한계와 최근의 지구온난화방지를 위한 국제여건변화에 대처할 수 있는 가장 유망한 부존자원중 하나이기 때문이다.
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기술개요 |
풍력발전기는 발전용량이 수kW인 소형에서 2MW에 이르는 대형발전기까지 그 용도에 따라 아주 다양한 종류가 개발되고 있으며, 머지않아 날개지름이 80m가 넘고 높이가 100m가 넘는 3MW이상의 대형풍력발전기도 상용화될 전망이다.풍력발전기의 구분은 우선 발전기의 축이 바람의 방향과 수평이냐 수직이냐에 따라 수직축(Vertical Axis Wind Turbine)과 수평축(Horizontal Axis Wind Turbine)으로 분류된다. 수직축의 경우에는 다리우스(Darrieus)형과 H형이 있으며, 수평축의 경우에는 수직축과는 달리 바람에너지를 최대로 받기 위한 바람추적장치(Yawing System)등이 필요하여 시스템 구성이 다소 복잡하나 현재 가장 안정적인 고효율 풍력발전시스템으로 인정받고 있어 요즘에는 대부분 이를 설치하고 있는 추세이다.또한 풍력발전 시스템을 운전 방식에 의해 분류하면 발전기의 회전자를 적정속도로 변환시키는 증속기(Gear Box)가 있는 정속운전방식(Fixed rotor speed or Geared Type)과 증속장치없이 직접구동하는 가변속운전방식(Variable rotor speed or Gearless Type)으로 구분된다. 일반적으로 정속운전방식은 장치구성이 간단하고 발생전기를 전력계통과 연계하기 위한 별도장치가 필요치 않는 반면, 발전출력의 제어가 발전기 구조상 불가능하여 날개의 경사각 조절등에 의해서만 출력을 제어할 수 있다는 단점이 있다. 가변속운전방식은 풍속의 변화에 능동적으로 대처하여 에너지 변환이 큰 장점이 있는 반면, 전력계통과의 연계를 위한 별도의 장치가 필요한 단점이 있다.
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<수직축 발전기> |
<수평축 발전기> |
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기술현황 |
가) 해외현황
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덴마크 Tuno지역의 Off-shore Wind Farm의 전경 |
1980년대 초부터 풍력발전의 제작기술이 급속히 발전하고 있으며, 최근에는 유럽을 중심으로 시스템의 대형화에 초점을 두어 1.5MW급은 상용화 단계에 있다. 3MW는 시험중에 있으며 독일에서는 5MW의 슈퍼 터빈을 개발중에 있다. 미국은 DOE를 중심으로 첨단 풍력발전기 개발 및 1.5MW급 개발에 중점 지원하고 있으며, 제작기술의 발달로 풍력발전단가가 1980년도 52센트/kWh에서 현재 4센트/kWh 수준에 이르고 있다.독일의 Germanischer Lloyd, 덴마크의 Vesitas 및 RISO 등에서는 설계인증·검증, 성능평가기준을 제시하고 있는 실정이며 IEA에서는 풍력발전에 관한 국제규정을 마련하고 있는 단계이다.최근 덴마크, 네덜란드, 독일 및 영국 등 유럽은 내륙의 공간적 제약에서 벗어나 해상의 우수한 풍력자원을 이용하기 위해 해안에서 수 km 떨어져 수심이 5~20m 인 바다위에 설치하는 해양(Off-Shore)풍력발전기를 개발 및 설치 실용화중에 있으며, 이러한 해양풍력발전단지(Off-shore Wind Farm)의 발전기용량은 총 14MW로서 최근에 유럽 지역에서 가장 관심을 갖고 있는 개발분야이다.
나) 국내현황
국내에서의 풍력분야의 기술개발지원은 1988년부터 정부(산업자원부)와 에너지관리공단의 지원하에 2001년까지 11개 과제에 150억원을 투자하였으며 그중 정부지원금은 83억원으로서 이는 전체 대체에너지분야의 정부지원금 1,206억원의 6.9%에 해당한다.국내풍력발전기술은 1단계(1988~1991)사업으로 전국 64개 기상청 산하 기상관측소, 일부 지역의 도서 및 내륙 일부지역에서 관측된 풍속과 풍향자료를 이용한 풍력자원 특성분석으로 추진됐으며, 한국과학기술원이 20kW 소형 수평축 풍력발전기를 국산화하려는 연구개발을 시도하였다. 2단계(1992~1996) 사업기간에는 중·소형풍력발전기 개발기간으로서 복합재료 분야의 전문업체인 (주)한국화이바가 수직축 300kW 풍력발전기를 개발하였으며, 3단계(1997~2001) 사업기간에는 750kW급 중형급 풍력발전기 요소기술 개발기간으로서 2001년에는 (주)한국화이바가 750kW급 수평축 풍력발전기용 블레이드 국산 개발에 성공하였으며, (주)효성에서는 풍력발전 시스템용 증속기 및 유도발전기 개발을 완료하였다. 또한 한국전기연구원에서는 2002년말 목표로 750kW급 풍력발전기 제어 및 계통연계장치를 개발중에 있다.또한 2001년 말부터는 대체에너지 3대중점(풍력,태양광,연료전지) 기술개발사업의 일환으로 현재까지의 개발된 기술을 총합하여 750kW급 풍력발전 시스템개발의 국산화를 위해 (주)효성과 (주)유니슨산업에서 2004년을 목표로 각각 Geared Type과 Gearless Type을 개발중에 있다.
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<제주 행원풍력발전단지 전경> |
다) 향후기술개발
향후 풍력분야의 기술개발은 현재 추진중인 750kW급 풍력발전 시스템개발의 국산화와 연계하여 2단계로 풍력단지에 적합한 MW급 시스템 국산화 개발을 추진할 계획이다.아울러 우리나라의 조건에 맞는 시스템 효율향상 연구와 해양풍력발전 기술을 개발할 방침이다.
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풍력성능평가센터 지정 운영 및 싫증연구단지 조성 |
정부와 에너지관리공단에서는 상기와 같이 추진되고 있는 기술개발의 결과를 성공적으로 보급에 적용시키기 위해 2001년부터 성능평가센터를 지정하여 풍력발전기술의 표준화와 규격화 및 개발된 기술의 성능시험을 추진하고, 실증연구를 통한 실규모 제품의 내구성, 신뢰도 향상 및 엔지니어링 기술을 확보하여 개발에서 보급까지 일련의 과정을 체계화하여 풍력발전의 보급 활성화를 꾀하고 있다. 세부적으로 살펴보면 한국에너지기술연구원, 한국전기연구원, 포항공대 가속기연구소 등 3개 기관 공동으로 운영되는 풍력발전 성능평가센터에서는 각 기관의 특성에 따라 소형풍력발전기의 성능평가, 계통연계 방안, 회전익 등 기계장치부분을 담당하여 해당분야의 성능평가를 위한 기준(안) 마련과 소형(1~5kW급) 풍력발전기의 성능평가 등을 수행하고 있다. 한편 강원도 구 영동고속도로 대관령 휴게소 인근에 약 10,000평의 규모로 조성되는 풍력발전실증연구단지는 연구동, 풍향계측타워 등 실증연구를 위한 관련 인프라가 구축될 예정이다. 현재 강원대학교, (주)유니슨산업, 한국에너지기술연구원 공동으로 750kW급 풍력발전기의 부품국산화 실증연구가 진행 중이다. 이밖에도 정부와 에너지관리공단에서는 개발된 기술의 신뢰성 확보와 보급기반 마련을 위해 지속적으로 풍력발전 분야의 성능평가와 실증연구 및 관련 인프라 확충을 추진할 예정이다. |
