풍력발전설비의 뇌해대책

서론 일본에서 풍력발전의 총 설비용량은 2005년 3월말 시점으로 약 93만kW이고, 이 추세로 가면 2010년까지 목표값 300만kW 달성은 확실시된다. 유일한 장벽으로 예상되는 것은 일본해 측 지방의 겨울철 뇌에 의해 치명적인 뇌피해를 받고 현재 건설 러시가 주춤하고 있다는 점이다. 특히 풍차의 지상고가 100m를 넘는 대형 풍력발전소는 겨울철 뇌의 표적이 되기 쉽기 때문에, 이 피해를 어느 정도에서 맞을 수 있을지가 앞으로 목표달성의 요지다. 여기서는 겨울철 뇌로 인한 사고 상황 특히, 풍차블레이드의 피해상황, 풍차의 낙뢰관측, 뇌해대책의 사례 등을 보고한다. 또한 풍력발전의 전기·제어설비의 뇌해대책에 관한 일반 전력설비와 공통되는 점도 많기 때문에 간단히 다루기로 한다. 풍력발전설비의 겨울철 뇌 사고 1. 풍차블레이드의 뇌해상황 북쪽지방은 겨울이 되면 매년 풍력블레이드 피해가 신문보도를 떠들썩하게 한다. 최근 예로 작년(2005년) 말에 발생한 사고사례를 소개한다. 이것은 1993년에 가동한 100kW(블레이드 선단의 최고 도달고도가 약 38m)인 풍차로 여기에 낙뢰해 3장의 날개 중 1장의 선단부가 파손되고, 바로 아래 건물을 직격, 비산했다. 현재 <그림 1>과 같이 2장의 날개를 남기고 정지상태이다. 이 풍차는 과거 똑같은 뇌격을 받아 2회의 날개교환을 실시했고, 지금까지 13회 겨울철 뇌 시즌에서 3회의 치명적인 피해를 입었다. 신문기사에 의하면 거듭되는 뇌격사고로 풍력발전 그 존폐를 둘러싸고 시의회에서 의론이 반복된다는 것이다. 여기서 들고 있는 예는 해안에 가까운 평지에 있는 풍차이다. 블레이드의 최고 도달지상고는 고작 40m에 미치지 않고, 특별히 낙뢰빈도가 많은 구조물이라고는 말할 수 없다. 이것은 대형 풍차인데다가 조금 높은 산정에 있으면 그 위험성이 증대할 것은 확실하다. 실제 400m의 산정에 선 600kW의 풍차가 매년 겨울철 뇌피해를 받고 있어 현 의회에서 문제되고 있는 것이다. 게다가 <그림 2>는 다른 풍력발전소의 예이지만 블레이드 선단이 아니고, 블레이드 가운데에 낙뢰하여, 절연성(GFRP)의 날개를 관통하고, 내부의 낮추는 도체를 용단시킨 예이다. 블레이드 비산, 낙하는 없었지만, 스톨 제어가 불능해져 겨울철은 운전을 정지하고 있다. 2. 뇌피해 부위와 정지일수 최근 NEDO의 조사에 의하면 풍차의 뇌격에 따른 피해를 받는 부위는 블레이드가 전체 77%를 차지하고 있다. 또 낙뢰피해를 받아 발전이 정지한 일수는 <그림 3>에 정리했다. 3개월 이상이 걸리는 장기간 정지사고는 전부 블레이드가 피해를 받은 경우이다. 이것은 일본 풍력발전설비의 대부분이 해외에서 온 수입제품이고, 신제품으로 교환할 날짜가 이상하게 긴 것이다. 게다가 산정에 있는 풍력발전소는 적설기간의 수리가 극도로 어렵다. 풍차의 낙뢰관측 저자는 우치나다쵸 풍력발전소에서 운전개시한 2003년 12월부터 낙뢰관측을 실시하고 있다. 이 풍력발전소에서는 풍차 근처에 피뢰탑을 당초부터 설치함에 따라 내뢰성능의 향상을 목표로 하고 있고, 그 검증도 합쳐 관측을 행하고 있다. 1. 발전소의 개요와 뇌관측항목 <그림 4>에 풍력발전소의 배치개요를 나타낸다. 일본해를 바라보는 전망이 좋은 높은 지대에 건설되어 있고, 풍차의 북서측(일본해측)에 피뢰탑이 배치되어 있다. 풍차는 정격출력 1500kW·1기이고, 블레이드 최고 도달고도는 100m이다. 수평거리에서 45m 떨어진, 높이 105m 피뢰탑이 세워져있다. 접지는 수직전극을 2개로 약 70m에 두드리고, 피뢰탑측은 환상접지, 풍차타워측은 메시접지를 실시하고 있다. 이 풍력발전소의 특징은 연평균 풍속 5.2m/s로 채산 레벨(목표는 6m/s)을 하회하고 있지만, 연간 설비이용률이 21.6%(2004년도)를 기록하고 채산 레벨(목표, 20%)을 넘는 것을 들 수 있다. 게다가 그 지방의 초중학생에 대한 사회교육기회의 제공에도 공헌하고 있다. 뇌 관측으로 ① 뇌격방전로의 정지사진관측(<그림 4>참조), ② 피뢰탑 및 풍차타워의 뇌격전류파형측정의 2가지 항목을 겨울동안 실시하고 있다. 뇌격전류는 로고스키코일로 검출하고, 뇌서지 메모리에 기록한다. 2. 관측결과 2003, 2004년도 2년간의 겨울철 시즌에서 낙뢰회수는 49번을 기록했다. 그 내역은 피뢰탑 31번, 풍차 18번이다. 이 결과로 피뢰탑의 뇌격비율은 약 63%이고, 피뢰탑의 차폐효과는 확실히 인정된다. <그림 5>에 방전로의 정지사진의 한 예를 보여준다. 방전로는 고구조물에서 상향으로 진전할 경우가 많고, 뇌격전류파형도 정극성전류인 비율이 많다. 또, 양극성을 포함한 전류파형도 많이 보여지는 등 겨울철 뇌의 특징을 잘 나타내고 있다. 피뢰탑의 효과를 검토하기 위해서 풍향과 낙뢰상황의 관련에 대해 정리해봤다. <그림 6>은 2003년도에, <그림 7>은 2004년도에 각각 정리한 결과이다. 두 그림 모두 그림(a)가 낙뢰시 풍향분포, 그림(b)가 풍차와 피뢰탑과의 퇴격전류빈도곡선을 나타내고 있다. 2003년도에는 북서에서 서남서에 걸쳐 풍향시에는 피뢰탑으로, 남서에서 남남서로의 풍향일 때는 풍차에 각각 낙뢰할 비율이 많고, 전류값은 피뢰탑 쪽이 큰 경향이 있다. 한편, 2004년도에는 낙뢰시 풍향이 거의 남남서로 집중하고 있고, 풍차에도 피뢰탑에도 낙뢰하고 있다. 뇌격전류의 크기에 대해 두 쪽 모두 극단적인 차이는 보이지 않는다. 이 결과에서 피뢰탑이 풍상측에 위치할 경우에는 뇌격전류값의 크기도 포함해, 피뢰탑의 차폐효과는 충분히 인정된다. 피뢰탑의 효과를 늘리기 위해서는 피뢰탑의 높이를 풍차보다 한층 높일 필요가 있다. 풍차 블레이드 뇌해대책 1. 피뢰탑의 건설 가장 먼저 고려해야 할 점은 블레이드의 뇌직격을 막는 것이다. 현재 앞장에서 말한 피뢰탑의 건설이 유일한 방법은 아니라고 생각된다. 실제로 뇌사고를 경험한 후에 일본해쪽의 풍력발전소에서는 몇 개 지점이 새롭게 건설되고 있다. <그림 8>에 한 예를 나타낸다. 여기서는 피뢰탑과 풍차와의 고도차를 약 30m로 하고, 차폐효과의 증대를 그리고 있다. 겨울철 한 시즌의 실적에 의하면 윈드팜으로 6기인 풍차의 안, 근접한 5기에 대해서는 효과가 있고, 가장 떨어진 1기는 효과를 보지 못했다. 앞으로 300만kW를 목표로 풍력발전소의 건설이 가속될 때 당연히 윈드팜 형식이 늘어난다고 예상된다. 이 같은 윈드팜으로 피뢰탑을 설치할 경우 설치장소, 개수, 지상높이 등이 검토문제가 된다.

2. 블레이드의 내뢰성능향상 블레이드에 뇌직격을 완전히 막는 것은 좀처럼 어렵다. 따라서 블레이드에 직격했을 때의 대책이 중요하다. 현재 대책의 주류는 블레이드 선단부근에 금속성 수뇌부(레셉터라고 부른다)를 설치, 여기에 낙뢰하면 그 뇌격전류를 블레이드 내부로 끌어들이는 도체, 이어서 풍차 타워를 통해 대지에 놓는 방법이다. 도중에 회전하는 블레이드 부분과 정지하는 타워 부분이 끼어있기 때문에, 그 연결 부분의 접속방법에 주의하고, 신속하게 대지에 놓는 것이 필요하다. 또 레셉터 주변에는 GFRP표면이 연면방전으로 손상을 받기도 한다. 우리는 이 같은 방전상황을 실내실험으로 확인하고, GFRP내부의 기포와 약점을 기인한 트리잉열화가 일어나거나, 염분이 섞인 빗물이 침수하면 관통파괴에 이르는 것을 지적했다. 현재 그것에 대한 여러 가지 대책을 제안하고, 이번 겨울 로켓 수뇌실험에서 실뇌에 의한 검증을 시험하고 있다. 게다가 레셉터 주변의 손상을 막기 위해 블레이드 선단부를 금속으로 바꾸는 대책도 제안되고 있다. 또, GFRP의 표면에 <그림 9>에서 나타낸 것 같이 레셉터에서 저저항소자를 나열하여 등가적으로 금속도체로 간주하기 위한 대책도 시험되어지고 있다.

전기·제어설비의 뇌해대책 풍력발전소의 전기설비로는 타워 상부에 발전기 등 전기장치를 수납할 나셀이 있고, 전력케이블을 통해 지상의 계통연계용 변전설비에 연결된다. 나셀과 일체화한 등전위화를 꾀할 수 있으면, 피해는 적게 생긴다. 전기설비의 보호에는 피뢰기의 적정한 용량, 배치가 중요하다. 제어 시스템은 광파이버를 사용해 전기적인 절연을 완전히 시행하는 것이 방법이 된다. 외국제 전기설비를 사용하고 있는 경우에 일본제로 대체·교환함에 따른 수리기간의 단축을 꾀한 예도 보여진다. 결론 일본해측 지방의 겨울철 뇌는 에너지가 대단히 큰 등, 그 특징이 거의 확실히 되고 있다. 이 연구 성과가 풍력발전설비의 겨울철 뇌에 대한 대책에도 유효하게 활용되어 간다고 보여진다. 특히 일본에는 외국제의 풍력발전소가 많이 차지하고 있기 때문에 일본의 겨울철 뇌 사양을 만족하는 풍차의 개발이 크게 기대되고 있다.