전 세계적으로 풍력발전설비가 증가하고 있는 추세이다. 그에 따라 일본에서도 풍력발전설비가 차지하는 비율도 점차 늘어나고 있다. 본고에서는 풍력발전설비를 구분할 시 중요한 요소가 되는‘풍차의 크기’에 따라 그 종류를 크게 소형풍차와 대형풍차로 나누어 살펴보고 그 특징에 대해 정리했다. 또한 각 연계방법에 따른 풍력발전의 이용방법도 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
풍력발전의 현황
풍력발전의 역사는 약 120년 전 1987년에 영국의 James Blyth가‘4장 날개 수직축 풍차’(지금의 풍배식風杯式풍속계와 동일)로 3㎾ 발전을 시작한 것이 시초이다. 이어 1891년에 덴마크의 폴라쿠르Poul la Cour가 보다 고성능의 수평축·양력식 풍차를 개발했다. 1941년에는 미국의 Grandpa’s Knob 풍차(1250㎾)가 교류발전기로 송전계통에 연계되는, 현대와 같은 사용 방법을 개시하였다. 1973년과 1978년의 두 번의 오일쇼크를 계기로 석유대체전원으로서 개발이 진행되어 1980년대 말에는 강철제로 중공中空의 모노폴타워 위에 발전기가 들어있는 나셀을 위치시키고, 그 풍상측에서 3개의 날개가 회전하는 현재의‘수평축 프로펠러식 3장 날개 풍차’의 설계가 확립되었다.(<사진 1> 참조) 지금은 세계에서 약 15만 대·약 1억 6천 만㎾(일본 국내 총 발전설비용량의 약 2/3)의 풍차가 돌고 있고, 약 3천 억㎾h/년(세계 전력수요의 약 2%)의 전기를 생산하고 있다. 풍차는 2009년 세계 신설전원의 10% 이상(유럽과 미국에서는 약 40%)을 차지하고 있고, 연율 30%이상(5년에 2~3배)의 페이스로 계속 증가하고 있다.(<그림 1> 참조) 일본에는 약 1700대·약 200만㎾의 풍차가 있으며 전력수요의 0.4%를 공급하고 있다.
소형풍차
풍차의 종류에서 가장 먼저 생각하지 않으면 안 되는 것이 바로‘풍차의 크기’이다. 풍차의 출력은 치수의 제곱(날개가 회전하는 원의 면적)에, 중량·기기 비용·하중은 치수의 3승(입체)에 비례하기 때문에 비례설계로 대형화하면 출력의 0.5승에 비례하여 기기 비용과 강도 면에서 부담이 된다. (2승, 3승 측) 이는 체조 선수가 몸집이 작은 편이 유리한 것과 같은 원리이다. 이 때문에 대형풍차(계통연계하는 발전사업용. 2009년 신규도입의 평균 규모는 1686㎾, 로터 지름으로는 약 75m)에서는 강도와 비용 면에서 <사진 1>과 같은 ‘수평축 프로펠러식 3장 날개 풍차’에 설계를 집약하였다. 한편, 소형풍차(20㎾이하의 가정용)에서는 강도상의 제약이 느슨하기 때문에 갖가지 아이디어를 살린 다양한 설계들이 있다. 제퍼사의 풍차(<사진 2> 참조)는 대형풍차와 같은 수평축 프로펠러식 3장 날개 풍차이지만, 블레이드의 설치각이 고정이고, 풍향 추종은 꼬리날개에 의한 패시브 제어로 되어 있다는 점이 다르다. 탄소섬유날개·기어리스 영구자석식 동기발전기(PMSG)를 채용하고 매우 가볍다는 것이 특징이다. 신포니아 테크놀로지사의 풍차(<사진 3> 참조)는 수직축 풍차이다. 수직축 풍차에는 풍향 추종이 불필요하고, 저속회전하기 때문에 조용하며, 무거운 발전기를 지상에 둘 수 있는 등 많은 이점들이 있지만, 캔틸레버식의 긴 회전축을 지지해야할 필요가 있어 ㎿급 이상의 대형화는 어렵다. 루프윙 풍차(<사진 4>참조)는 날개를 리본 모양으로 하여 날개 끝의 2차 흐름 손실을 방지한 독특한 설계이다.
대형풍차
대형풍차에서는 <사진 1>과 같은 타입(UpWind수평축 프로펠러식 3장 날개 풍차, 증속기와 2차 권선형 유도발전기를 탑재, 정격출력은 2000~3000㎾)이 현재 주류를 이루고 있다. UpWind는 ‘프로펠러가 타워의 풍상측에서 회전한다’는 의미이다. 그 반대인 DownWind 방식에서는 타워의 풍하측으로 날개가 풍속이 저하된 난류영역(타워웨이크)을 통과할 시에 변동부하를 받게 되거나 소음이 발생할 우려가 생긴다. 그러나 DownWind방식에서도 풍향안정성 및 날개의 경량화(바람에 휘어져도 타워에 닿지 않는다) 등의 이점이 있기 때문에 소수이지만 이 방식을 채용하는 풍차 제조업체들도 있다.(<사진 5>, <사진 6> 참조) 최근에는 2000~3000㎾급 대형풍차가 몇 백 대나 즐비해있는 윈드팜이 주류를 이루고 있지만, 한편, 낙도용이나 보급·계몽 및 광고용으로 수십에서 수백㎾급 풍차의 수요도 있다. 이 출력대에는 후지중공업의 40㎾·100㎾ 풍차(UpWind식)와 코마이 철공㈜의 300㎾ 풍차(<사진 7> 참조)가 있다. 이 풍차들은 소형 트럭으로 수송이 가능하다는 이점이 있다.
계통연계와 전력품질
발전한 전기의 사용 방법(송전선 연계방법)으로 풍차를 분류하면 <표 1>과 같다. 풍력발전은 바람의 강약으로 발전량이 증감하기 때문에 전력수요와의 매칭에 노력이 필요하다. 가정용에서는 축전지를 버퍼로 쓰는 일이 많다. 매전사업용의 대형풍차는 전력회사의 송전선에 계통연계하지만, 전력회사와의 사전 상담(연계협의) 및 일부 전력회사에서는 입찰(연 1회)을 통한 당선이 필요하다. 최근 풍력발전의 증가와 더불어‘바람의 강약에 따른 발전량의 증감(전력품질)이 송전망에 미치는 영향’에 대해 우려의 목소리가 높아지고 있다. 그에 따라 전력품질 향상의 요구에 보다 쉽고 빠르게 부응할 수 있는 정격용량의 전력변환장치와 동기발전기를 갖춘 풍차의 보급이 개시되고 있다.(<사진 8> 참조)
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