[해외기술동향 ②] 풍력 발전기의 대형화 추세

풍력 발전기의 대형화 추세
디지털 제어 유압 기술 적용 10㎿급 개발 추진

풍력 발전은 전 세계 인류의 전력 수요를 충분히 조달할 수 있는 자원량을 갖고 있다는 게 학계 분석이다. 이에 따라 전 세계 발전 가능한 풍력 용량은 약 49만 8000TWh로 관측된다. 일본에서는 전력 수요 35GW 정도의 풍력 자원이 개발 가능하다는 추정에 따라 풍력 발전 설비 확대에 적극적으로 나서고 있다. 풍력 발전기의 대형화 추세에 따라 최근 일본에서는 10㎿급의 초대형 풍력 발전기 기술 개발을 추진 중이다. 정리 유미희 기자

풍력 발전기의 설치 공사에 필요한 기간은 규모나 환경에 따라 다르나 대체로 다른 발전 유형보다 공사 기간이 짧다는 게 장점이다. 1기 설치에 보통 3~4개월, 20기는 10~11개월, 50~100기의 대규모 단지는 1~2년 걸린다. 예를 들어, 덴마크 앞바다 6~15㎞에 2㎿급 80기, 총 160㎿의 풍력 발전소 건설 작업은 1년 반 만에 완공했다. 이처럼 원자력 발전, 지열 발전소 등 다른 대규모 발전소에 비해 건설 기간이 훨씬 짧다.

또한 풍력 발전기는 기술 개발 속도가 빠르다. 지금 이 순간에도 활발하게 기술 개발이 이뤄지고 있으며 해마다 성능이 향상된 기종이 속속 선보인다. 이에 풍력 발전기를 단계적으로 건설하는 것으로 더 고성능의 기종을 도입할 수 있는 이점이 있다. 아울러 유지 보수 또한 타 발전소에 비해 용이해 시간을 단축할 수 있다.

풍력 발전기 대형화의 당면 과제

발전 사업용 풍력 발전기는 최근 대형화로 성장하고 있다. 풍력 발전기 로터의 직경이 대형화됨에 따라 효율과 채산성이 향상되며, 타워를 높게 설치하면 상공의 강한 풍속을 확보할 수 있고 출력을 크게 높일 수 있다. 이러한 동향에 대응하기 위해 높은 신뢰성·내구성을 가진 대형 풍력 발전기의 개발이 과제다.






풍력 발전기는 로터(날개), 타워(기둥), 나셀(기계)로 구성된다. 로터는 10~30min-1 정도의 풍력으로 저속 회전하고 있지만 증속기(Gear Box)에 의해 효율적으로 발전할 수 있어 고속 회전까지 증속 가능하다. 풍력 발전기 날개에 직결돼 있는 증속기는 회전하는 주축과 발전기 사이에 설치돼 발전기 측의 회전 속도를 증가시켜 주는 장치다. 풍력 발전기에는 증속기를 포함한 증속기형 풍력 발전기(<그림 1, 2>)와 증속기 없이 발전기로 직결되는 직결형 풍력 발전기(<그림 3, 4>)가 있다. 증속기형 풍력 발전기는 초기 풍력 터빈의 개발 단계부터 적용된 기술적 접근 방법이었으며 그동안 발전을 거듭해 현재의 풍력 발전기 점유율을 80~90% 차지한다. 직결형 풍력 발전기는 증속기가 없기에 구조가 단순하고 기계적인 응력이 감속돼 기계적 소음이 적다. 또한 운전 및 유지 보수 비용이 적게 소요되며 가동률이 높은 장점이 있다. 그러나 회전 속도가 느려 다극 발전기를 사용해야 하기에 발전기의 크기, 무게, 유지 보수 등의 비용 증가가 발생하고 있다. 

증속기형 풍력 발전기

풍력 발전기의 대형화 실행을 위해 2승, 3승의 법칙을 적용한다. 풍력 발전기의 출력은 로터 수풍면적受風面積, 무게, 기계 비용 그리고 하중은 치수의 3승에 비례하기에 단순하게 비례 설계하면 기계 비용이나 강도는 어려워진다. 또한 소음을 줄이기 위해서는 날개 속도에 제한이 있으므로 로터 직경이 대형화되면 회전수가 떨어져 소음이 줄어든다. 아울러 발전력은 ‘발전력=회전수×토크’이므로 회전수 저하를 보충하는 만큼 토크가 커져 중량 증가로 이어진다. 이와 같이 토크는 출력의 증가에 비례하고 로터 회전수도 반비례하는 것으로 나타나 기어나 베어링의 설계에는 특별한 주의와 검증이 필요하다. 이러한 이유로 풍력 발전기 대형화의 핵심은 드라이브 트레인의 주축인 증속기라 할 수 있다. 풍력 발전기 중 가장 큰 비중을 차지하는 ‘증속기+유도 발전기’는 무게 및 경제성 면에서 6㎿가 한계로 알려진다.

직결형 풍력 발전기

증속기를 사용하지 않는 직결형은 장치를 간소화해 신뢰성과 유지 보수의 편의 향상을 도모하는 게 관건이다. 또한 풍력 발전기의 걸림돌인 소음 문제를 해결하기에 큰 기대를 모으고 있다. 그러나 로터의 저속 회전에 맞추기 위해선 다극화할 필요성이 있다. 이에 발전기의 직경이 6~8㎝로 대형화할 경우 중량이 증가해 결과적으로 비용 상승으로 이어지는 문제가 발생한다.

 타입에는 <그림 3>과 같은 영구 자석식 동기 발전기(PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator)를 탑재한 경우가 있는데 영구 자석 재료에 희토류원소(Rare Earth Elements)를 사용하고 있어 저비용화와 재료의 안정적인 공급 면에서 걸림돌이 된다. 희토류원소는 화학적으로 매우 안정된 금속 원소로 건조한 날씨에도 변화하지 않고 열을 잘 전도하며 상대적으로 탁월한 화학·전기·자성적 성질을 갖는 특징이 있다. 이러한 장점으로 하이브리드 자동차, 풍력 발전, 태양열 발전 등 21세기 저탄소 녹색 성장에 필수적인 영구 자석 제작에 긴요하게 쓰이는 물질 중 하나다.

디지털 제어 유압 기술 적용 10㎿ 프로젝트

미쓰비시중공업은 오일 쇼크로 전 세계 각국에 경제적 타격을 입었던 1980년부터 대형 풍력 발전기 독자 기술을 개발·제작해 국내외에 판매 중이다. 초기에 개발한 풍력 발전기 300㎾급부터 1999년 개발한 1㎿급, 2004년 2㎿급, 2006년 2.4㎿급 그리고 2011년 5㎿급이 있다(<그림 5> 참조).


또한 차세대 초대형 해상 풍력 발전기 개발을 목표로, 디지털 제어 유압 기술을 활용한 새로운 프로젝트를 현재 추진 중이다.미쓰비시중공업의 차세대 풍력 발전기의 설계 내용을 들여다보면, 일반적인 드라이브 트레인(허브+주축+증속기+발전기)과 다르다. 저속 회전의 로터 측과 고속 회전의 발전기 측을 기계적으로 완전히 분리하고 양측 사이에 유압 드라이브를 연결해 저속 축(발전기 측)의 회전 속도가 일정하도록 제어한다. 이렇게 함으로써 얻는 이점은 ▲풍력 발전기의 대형화에서 기술·비용 면의 난관 중 하나인 증속기가 불필요하고 ▲로터 회전수에 의존하지 않고 발전기를 계통 주파수에 맞춰 운전할 수 있기에 기존의 가변속 풍력 발전기에 필요했던 전력 변환기 장치가 불필요하다. 이에 발전 플랜트에서 일반적인 동기 발전기의 탑재가 가능하다는 것이다(<그림 6> 참조). 

유압 드라이브(유압 펌프 및 유압 모터) 자체는 기존에 확립된 기술이지만 최근 고속 디지털 제어 기술과 결합해 혁신적인 드라이브 트레인의 새로운 방식이 가능해졌다. 미쓰비시중공업은 이 새로운 기술을 채용해 실증기 제작을 계획하고 있으며 실증 시험 후 10㎿급 초대형 해상 풍차 개발을 목표로 하고 있다.

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일본의 경우 2008년 기준으로 풍력 발전기의 약 80%가 수입품이기에 수리 부품이 도착하기까지 몇 개월이 소요됐다. 이에 자국 내 기술 개발을 촉진해 최근 풍력 발전기를 국산품으로 교체하는 추세다.

일본의 풍력 발전 추진이 향상된 시기는 2011년으로 풍력 발전의 설비 용량은 230만㎾을 달성했으며 풍력 발전기의 수는 1742기로 집계됐다. 초기 일본에서는 ‘풍력의 상황이 좋지 않아 풍력 발전은 적합하지 않다’는 의견이 많았지만 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)가 실측 풍력 조사를 한 결과 가능성이 높은 설치 유망 지역이 꽤 나타났다. 이에 육상 풍력은 2030년까지 20GW, 2050년까지 25GW를 도입할 예정이다. 또한 해상 풍력 발전까지 감안하면 총 81GW 정도까지 늘어날 전망이다.

홋카이도와 도호쿠 연안 지역은 항상 강풍이 부는 기후적 특성상 풍력 발전에 적합했지만 그동안 설비 투자가 제대로 이뤄지지 못해 풍력 발전 규모가 미미했다. 일본 정부는 지난 해 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 대도시 전력난이 심화됨에 따라 대체에너지원 확보에 주력하고 있다. 일본 정부의 풍력 발전 설비 확대 계획이 성공적으로 추진될 경우 10년 후엔 일본 내 풍력 발전 규모가 지금의 3배인 750만㎾로 늘어날 것으로 전망된다.