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대용량급 풍력발전용 부품 및 시스템 기술 동향_53

대용량급 풍력발전용 부품 및

시스템 기술 동향

충남대학교 | 정조순 교수

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 55

1. 풍력발전의 개요 ························································ 55

2. 대용량 풍력발전 ························································ 56

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 58

1. 국내 동향 ··································································· 58

2. 해외 동향 ··································································· 58

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 60

<참고문헌> ········································································· 61


대용량급 풍력발전용 부품 및 시스템 기술 동향

충남대학교 | 정조순 교수

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 풍력발전의 개요

최근 세계 각국은 화석연료의 고갈 우려, 지구 온난화 및 환경오염 문제 등의 해결을 통한 지속

가능한 발전을 위해 전통적인 에너지원을 체할 수 있는 새로운 에너지원의 개발 및 보급·확산에

제도적·재정적 뒷받침을 강화하고 있다. 우리나라의「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급

촉진법」에서는 “기존의 화석연료를 변환하여 이용하거나(新에너지), 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물

유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환하여 이용하는 에너지(再生에너지)”를 신재생

에너지로 정의하고, 풍력을 포함하여 11개 분야로 구분하고 있다.

<그림 1>에서 보는 바와 같이, 풍력발전은 자연의 바람이 가지고 있는 에너지1)를 활용하여

전기에너지를 생산한다. 풍력발전 기술은 단지개발 기술, 운영연계 기술 및 풍력발전시스템 기술로

구분할 수 있다.

자료: “Dual-Rotor 풍력발전시스템 개발 사업화”에 관한 ‘기술가치평가보고서’, 기술보증기금, 2006. 12

<그림 1> 풍력발전 원리

1) 여기서 에너지는 Total Enthalpy(=Static Enthalpy+Kinetic Energy)를 의미함.

56_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

에어포일(Airfoil) 형상 단면의 블레이드(Blade) 주위에 자연의 공기가 흐르면 항력(抗力)과 양력

(揚力)이 발생한다. 현재 풍력터빈 시장은 양력으로 회전력을 일으키는 프로펠러형 터빈이

주류를 이루고 있으며, 양력형 터빈 블레이드의 양항비(揚抗比)를 최 화하여 사용하고 있다. 풍속

로 면적 의 단면에 수직하게 흐르는 밀도 의 공기 에너지가 로터(Rotor)에 의해 기계적 에너지로

변환될 수 있는 최 치는 Betz식에 따르면 이므로 로터의 최 에너지변환

효율2)이 59%이다. 하지만, 동력전달장치, 전력변환장치 등에서의 비가역성(Irreversibility)에

따른 아너지(Anergy)3)가 증가하여 풍력발전시스템의 에너지변환 효율이 20~30% 수준에 머물러

있다.

1980년 에는 에너지획득 비용(COE; Cost of Energy)이 400원/kWh 수준이었으나, 현재

효율이 우수한 풍력발전의 경우 COE가 40원/kWh 수준으로 COE가 80~120원/kWh인 LNG

발전보다 낮은 것으로 나타났다. IWEA(International Wind Energy Association)에서는 2009년

발전소 운영비용으로 원자력발전의 COE가 1.82센트/kWh, 석탄발전의 COE가 2.13센트/kWh,

천연가스발전의 COE가 3.69센트/kWh인 반면에, 풍력발전의 COE는 1.00센트/kWh로 파악하

였다. EU에서는 2015년 석탄발전의 COE가 82€/MWh, LNG발전의 COE가 101€/MWh인데

비해 풍력발전의 COE는 75€/MWh로 전망하여 석탄발전보다 더 낮아질 것으로 추정하였으며,

2030년에는 68€/MWh까지 하락할 것으로 예상하였다. <그림 2>는 풍력터빈 블레이드 크기에

따른 풍력발전 원가(Levelized Cost of Energy) 추이를 나타내었다.

자료: 장문석, “풍력발전기술 현황 및 전망”, 풍력발전연구센터, KIER, 2009

<그림 2> 풍력터빈 블레이드 크기 변화에 따른 풍력발전의 경제성

2. 대용량 풍력발전

최근에는 규모의 경제를 실현하기 위해 100m 이상의 블레이드를 갖춘 시스템이 상용화되고

있다. 현재 풍력기술의 발전으로 2MW급 풍력발전이 상용화되고 있으며, 5MW급도 실증 단계에

있다. <그림 3>은 풍력터빈의 로터 직경에 따른 정격출력 변천을 보여준다.

2) 풍력터빈의 에너지변환 효율을 출력계수(Power Coefficient)라고도 함.

3) Energy = Exergy+Anergy


자료: “Global Wind 2008 Report”, GWEC (Global Wind Energy Council), 2009

<그림 3> 풍력터빈의 정격출력 및 로터 직경의 변천

풍력터빈을 형화하여, 풍속이 높은 지역에 풍력터빈을 설치하면 에너지획득 비용이 적게 든다.

육상 풍력발전 시스템은 운송이나 경관 등의 문제로 터빈의 형화가 어려워, 3MW 이상의 형

풍력발전 시스템이 해상에 설치되고 있다. 해상 풍력발전은 시스템을 근해에 설치하면 설치

비용이 높지만, 부지의 제한이 없다는 이점이 있다. 해상과 육상 풍력발전 시스템의 가장 큰 차이

점은 기초(基礎) 구조물에 있으며, 고정식과 부유식으로 구분할 수 있다. 육상 풍력터빈의 형

화에 따른 문제점과 해상 풍력발전의 장점을 <그림 4>에 나타냈다.

<그림 4> 해상 풍력발전의 장점


Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내에서는 (주)효성과 (주)유니슨이 2002년부터 750kW 풍력발전시스템 개발을 시작하였으며

최근 3MW급 시스템 개발을 완료하여 본격적인 수출을 위한 Track Record 확보에 주력하고 있다.

또한, 유니슨은 최근 3MW 육상용과 3.6MW 해상용 풍력발전시스템 개발에 착수했고, 효성은

해상용 5MW 발전시스템 개발에 주력하고 있다. 하지만 데이터와 경험의 부족으로 독자적인

시스템 설계 ․ 해석은 어려운 실정이다. 이런 문제를 해결하기 위해 유럽의 전문 엔지니어링사에

의존해 관련 기술을 습득하고 결과에 한 신뢰성과 효율성 확보를 모색하고 있다. 특히, 사람의

통제 없이도 외부환경에 처하며 안정적으로 시스템을 운영하고 환경이나 시스템 상태에 따라

최적의 제어환경을 만드는 역할을 하는 제어 알고리즘의 기술이전은 용이하지 않는 상황이다.

정부에서는 2020년까지 세계시장 5위권 진입을 위한 1단계로 2~3MW 규모의 육․해상 풍력발전

시스템 실증, 5MW 규모의 풍력발전시스템 개발 등을 추진 중이며, 특히, “WIND 2000 프로젝트”

를 추진하여 2020년까지 총 2,000MW를 공급할 계획이다. 이 프로젝트에서는 5MW 기준으로

400기가 건설될 예정이다. <그림 5>는 지식경제부(현 산업통상자원부)의 풍력발전 PD(Program

Director)실에서 작성한 국내 풍력발전 기술의 로드맵이다.

자료: 한경섭, “국내외 해상풍력 현황 및 전망”, 제5회 강관발전 세미나, 2009

<그림 5> 국내 풍력발전기술 로드맵

2. 해외 동향

풍력터빈 블레이드의 형화가 에너지획득 비용(COE) 면에서 유리하지만 형화가 이루어

지면 터빈 제작비용이 증가한다. 따라서 터빈의 용량화를 실현하기 위해서는 에너지획득 비용을


낮추는 터빈의 고효율화와 경량화 기술 개발이 중요하다. 터빈 블레이드의 재료로 그동안 표준

으로 사용해 온 유리섬유강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP) 신 탄소

섬유강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)의 사용이 점차 확 되고 있다.

용량 풍력터빈용 블레이드는 높은 굽힘 하중과 원심력을 견딜 수 있는 Box Beam 구조와

공기역학적 에어포일(Airfiol) 형상을 제공할 수 있는 쉘(Shell) 구조로 만들어진다. CFRP나

GFRP와 같은 복합재의 블레이드는 다양한 공정(Hand Lay-up, Pultrusion, Infusion,

SCRIMP)으로 제조할 수 있으나, 현재는 환경과 경제성을 고려하여 Infusion 공정에 의해 제조

하고 있다.

현재 에너지 변환장치에는 Vestas가 제작하고 있는 기어박스, 2차 권선형 유도발전기(DFIG)와

인버터를 조합하여 사용하는 방법과 Enercon에서 제작하고 있는 기어리스(Gearless), 다극식

동기발전기, 전량 인버터를 이용하는 방법이 사용되고 있다. 전자는 비용 측면에서 유리한 반면

트러블이 많은 기어박스를 필요로 한다는 점에서 불리하다. 후자는 전량 컨버터를 계통 사고시에

운전 계속(Fault Ride Through, FRT) 제어에 이용할 수 있어서 계통 적합성에서 우수하지만

발전기와 교직변환기(交直變換器)를 형화해야 한다는 단점이 있다. 최근에는 동기발전기에 1단

기어박스를 적용하는 방식도 주목받고 있다.

노르웨이의 StatoilHydro社는 수심이 200m 내지 300m가 되는 곳에 콘크리트 재료를 이용한

부유식 해상 풍력터빈시스템 “HYWIND” 시제품을 2009년 5월에 노르웨이 인근에 설치한 바

있다. 최근까지 해상 풍력발전 시스템은 해안가를 중심으로 한 수심이 얕은 지역에 설치되었으나,

블레이드의 형화에 따라 보다 넓은 지역에 설치할 수 있는 부유식 풍력터빈의 연구가 진행

되고 있다. 현재 5~6㎿급의 형 풍력터빈의 시제품을 Enercon, RePower, Multibrid, Bard

등이 개발하여 운전 중이며, 영국 등의 해상풍력 프로젝트에 채용될 예정이다. 유럽에서 실시

중인 풍력발전 프로젝트 “UpWind”에서는 10㎿급의 초 형 풍력터빈의 개발이 진행되고 있다.

<그림 6>에서 보는 바와 같이, 풍력발전 시스템의 형화를 위해 풍력발전 단지(Wind Farm)는

점차 수심이 깊은 곳에 조성될 것으로 전망된다.

자료: 장문석, “풍력발전기술 현황 및 전망”, 풍력발전연구센터, KIER, 2009

<그림 6> 미래 해상 풍력발전시스템


풍력발전시스템을 운영하는 제어장치는 Vestas, Bachmann, Beckhoff, GE 및 Mita 등과

같은 외국 업체들이 기술 및 시장을 선점하고 있는 상황이다. Vestas의 경우 VMP(Vestas

Multi-Processor) 기반의 제어 시스템을 제품화(Opti-Speed Opti-Tip) 하였다. 미국의 GE

Energy는 Mark Vie 제어 플랫폼 기반으로 한 최적 제어시스템을 운용하는 등 자사의 풍력발전

시스템 모델별로 최적화된 제어기술을 확보하였으며, 이를 기반으로 시장 경쟁력을 높이고 있는

상황이다.

국제전기위원회(IEC)는 풍력발전시스템의 모니터링과 제어에 한 통신을 규정하기 위해 표준

규격을 제정하였으며, 이 규격이 IEC 61400-25이다. 독일의 Beckhoff는 PC기반 기술

(TwinCAT Software, EtherCAT 통신기술, TwinSAFE 등)에 25년 이상의 풍력발전시스템 제어

기술을 접목하여 풍력발전 시스템 주 제어기의 개발 및 솔루션 제공 업무를 수행하고 있다. 최근

Beckhoff는 TwinCAT PLC IEC 61400-25에 부합하는 새로운 PLC 라이브러리를 발표하였다.

IEC61400-25 표준은 풍력발전시스템의 모니터링과 제어에 한 통신을 규정하고 있어서

TwinCAT 내 통합은 서로 다른 풍력발전시스템이 설치된 풍력발전단지의 제어를 가능하게 한다.

<그림 7> Beckhoff의 TwinCAT 시스템(左) 및 EtherCAT 광통신 솔루션(右)

Ⅲ. 향후 전망

용량의 풍력발전에 요구되는 터빈 블레이드의 형화는 에너지획득 비용의 절감을 가져오며,

이를 위해서는 부지와 환경문제를 해결할 수 있는 해상풍력발전 시스템의 고효율화 및 부품의

경량화가 뒷받침되어야 한다. 이러한 형 풍력터빈 개발에는 실증을 포함해 10년 정도의 기한이

필요하다. 따라서 용량 풍력발전시스템 개발을 성공적으로 수행하기 위해서는 요소기술의 개발

뿐만 아니라 계통 운용이나 환경 문제, 인허가 등의 환경 정비를 서두를 필요가 있다.


<참고문헌>

1. 김만응, “국내외 풍력산업 부품, 소재부분의 기술 및 산업동향”, (사)한국선급 에너지환경사업단,

2010

2. 황병선, “최신 풍력터빈의 이해”, 2010

3. 장문석, “풍력발전기술 현황 및 전망”, 풍력발전연구센터, KIER, 2009

4. Kyong, N., “Wind Energy Status in Korea”, Korea Wind Energy Development Organization,

2008

5. 양수영 외 2인, “풍력발전기 운영시스템의 설계”, 한국전자통신학회 논문지 제6권 제1호, 2011

6. 한경섭, “국내외 해상풍력 현황 및 전망”, 제5회 강관발전 세미나, 2009

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