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[풍력발전의 미래와 기술동향 3] 소형풍력발전기의 개발

김대근 기자
입력 2014.06.01 00:00

[풍력발전의 미래와 기술동향 3]
소형풍력발전기의 개발

최근 환경문제가 날로 심각해지고 있는 가운데 환경부하가 적은 재생가능에너지의 하나인 풍력발전기의 도입이 빠른 속도로 진행되고 있다. 일본에서도 대형풍력발전기의 도입 추진으로 2011년도까지의 총 설비용량이 255만kW에 달했으며, 설치대수도 약 1900기를 넘어섰다. 한편 「소형」으로 분류되는 풍력발전기에 있어서도 최근 분산형 전원 및 비상 방재용 등 실용적인 용도로서 그 도입이 증가하고 있다. 특히, 2012년 7월부터 시작된 재생가능에너지 특별조치법의 고정가격매입제도에 20kW 미만의 풍력발전기가 대상기기에 속하게 되면서 향후 소형풍력발전기의 활발한 보급이 기대되고 있다. 이에 본고에서는 소형풍력발전기의 시장현황 및 기술동향에 대해 알아보기로 한다.

번역·정리 김대근 기자

소형풍력발전기의 정의

풍력발전기에는 풍차의 규모에 의해 대형과 소형으로 분류된다. 소형풍차는 국제전기표준회의 IEC61400-2(소형풍차의 안전기준=일본공업규격 JIS C1400-2)에 의해 정의되어 있다. 해당 기준에 대해서는 1992년에 초판이 제정되어 이에 따르면 수풍(受風)면적(블레이드 등 로터 회전면의 면적)이 40㎡미만의 풍차를 소형풍차로 정의내리고 있다. 그러나 대형풍차의 규모가 해마다 증가함에 따라 소형풍차의 정의도 상향 수정되어 1996년에 개정된 IEC61400-2 제2판에서는 40㎡ 미만에서 200㎡ 미만으로 대폭 확대되었다. 이것은 로터 직경이 16m 미만, 출력 50kW 미만에 상당하는 풍력발전기가「 소형」으로 분류됨을 의미한다.

일본 소형풍력발전기의 시장동향

일본 소형풍력발전협회(JSWTA)에서는 일본의 소형풍력발전기의 도입 실적 관련 풍력발전기 제조업체 18개사에 대한 조사를 실시하고 있다. 2010년도까지의 누적 도입대수가 9500대, 설비용량으로는 4300kW이다. 그 내역을 살펴보면 95%가 정격출력 1kW 미만이며, 용도로는 태양전지와의 하이브리드 방식에 의한 배터리 충전의 독립전원방식이 많다. 따라서 도입되는 풍차출력도 저출력이 대다수를 차지하는 것이 기존 소형풍력발전기 시장의 특징이다. 계통연계에서의 용도가 적은 이유로는 전력의 구매단가보다 판매단가가 낮다는 점이나 계통에 연계하기 위한 기기(파워 컨디셔너)에 대해 소형 풍력발전에 대응하는 기술기준이 존재하지 않아 소형풍차 전용의 기기개발이 이루어지지 않았다는 점이 큰 요인이라고 할 수 있다. 그러나 앞서 설명했듯이 2012년 7월부터 소형풍력발전기도 재생가능에너지의 고정매입조치법의 대상이 되어 57.75엔/kWh의 단가로 발전 전량의 판매가 가능하게 되었다는 점, 또한 소형풍력발전기로서의 계통연계기의 기술기준이 NEDO(독립행정법인 신에너지 산업기술종합개발기구)의 사업에 의해 정해졌다는 점에서 앞으로는 계통연계기의 도입이 급속하게 진전될 것으로 전망되고 있다, JSWTA에서는 고정가격매입제도(FIT) 개시 이후의 로드맵을 발표하였으며, FIT 대상 계통연계기의 대폭적인 증가에 따른 시장 확대(2020년까지 2010년도 대비 15배)를 목표로 삼아 활동을 실시하고 있다. 시장확대의 중점사항으로서는 소형풍력발전기의 안전성 및 신뢰성의 향상, 그리고 시스템 단가의 원가 절감을 들고 있다. 안전성 및 신뢰성의 향상에 대해서는 2012년부터 개시한 소형풍력발전기의 모델인증제도에 의한 인증기기를 늘리는 것을 협회에서도 권장하고 있어 그 환경 정비를 위한 활동이 진행 중에 있다. 또 계통 연계기 이외에도 분산형 전원으로서 지산지소(地産地消)형 전원 시스템의 보급도 촉진되어 시장확대에 따라 시스템 단가를 2010년도 대비 1/2의 가격인 50만 엔/kW로 하는 것을 목표로 하고 있다.

대표적인 발전시스템 및 이용 용도

이 장에서는 앞서 언급한 소형풍력발전기의 대표적인 시스템인 독립전원 및 계통연계에 있어서의 그 기본적인 시스템 구성을 설명한다.

독립전원시스템

이 시스템은 완전 독립형이기 때문에 상용전원이 부설되지 않은 장소에서의 전원으로서 가장 많이 이용되는 방식이다. 또한 이 타입은 부하에 대한 안정적인 공급을 실현하기 위해 배터리에 의한 충전 방식에 따라 여러 대의 풍차를 병렬로 연결하거나 태양전지와의 하이브리드 방식에서 많이 보인다. 부하의 전력공급은 배터리에서 이루어진다.

계통연계시스템

계통연계시스템의 경우는 파워 컨디셔너 등의 변환기가 연결된다. 발전한 전력은 저압계통(200V)으로 연계된다. 이 타입의 경우 정격출력이 낮으면 계통 측에 전력을 공급할 기회가 적어 경제성이 낮아지기 때문에 최소한 정격 1kW 이상의 소형풍력발전기가 선정된다.

소형풍력발전기의 기술동향

현재 제품화된 소형풍력발전기의 각 요소기술의 특징에 대해 설명한다.

블레이드 설계

블레이드에 작용하는 공기력에 대해 [그림 2]에 나타냈다. 이 그림은 풍차 회전 중의 블레이드 단면을 나타낸 것이며 풍차 블레이드는 아래 방향에서 바람을 받아 오른쪽에서 왼쪽으로 회전하고 있는 상황이다. 그림에서 L은 양력, D는 항력이다. 양력은 풍차의 회전력에 기여하지만 항력은 저항력이 된다. 따라서 항력을 억제하면서 보다 높은 양력이 발생하도록 블레이드를 설계하면 에너지 변환 효율이 높은 풍차를 제작할 수 있다. 이 힘들은 날개의 단면 모양에 따라 크게 달라지는데, 이 공기역학적 특성은 날개 단면 레이놀즈수의 변화에도 영향을 받는다. 레이놀즈수가 낮으면 날개 주위의 흐름은 박리되기 쉬운 상태로 공력특성이 저하되는 경향을 나타낸다. 소형풍차의 경우 대형기에 비해 시위길이(Chord Length: 날개 단면의 앞쪽 가장자리와 뒤쪽 가장자리를 연결하는 직선의 길이)가 매우 작기 때문에 레이놀즈수도 극단적으로 저하된다. [그림 3]은 레이놀즈수 변화에서의 공력특성에 대해 동일날개의 단면 모양으로 비교를 한 것이다. 저(低)레이놀즈수 영역에서는 양력이 저하되고 항력이 크게 증가하기 때문에 결과적으로 풍차 효율이 저하된다. 따라서 최근의 소형기에서는 저속 영역에서 비교적 높은 양항비(揚抗比)를 보이는 날개 단면 모양의 선정 및 날개 단면 레이놀즈수를 최대한 낮추지 않기 위해 고속회전화(상대유속 증가) 또는 동일 솔리디티(Solidity, 풍차 회전면적과 블레이드 투영면적의 비)에서의 시위길이의 증가(날개 폭 증가)등을 행하여 출력저하를 막는 대책을 시행하고 있다.

제어기술

소형기의 설치환경은 설치 높이 20m 이하가 대부분이며, 시가지 등에도 많이 설치되기 때문에 지표 및 건물의 영향에 따라 풍향 및 풍속이 심하게 변동된다. 시가지에서 계측한 풍황 관측 데이터로부터 10분간 평균풍속과 풍속의 난류 강도와의 관계를 [그림 4]에 정리하여 나타냈다. 풍속의 난류 강도는 IEC에서 정한 값([그림 4]의 IEC-A)을 크게 상회하고 있어 시가지에서의 풍황은 매우 큰 난류를 동반한다는 것을 알 수 있다. 또한 일본에서는 태풍이 빈번하게 발생하는 지역적 특성이 있기 때문에 시가지에서도 폭풍을 경험하는 일이 1년에 몇 차례 발생한다. [그림 5]에는 2011년 9월에 태풍이 킨키(近畿) 지방에서 간토(關東)지방에 걸쳐 상륙했을 당시 도쿄 연안 지역 부근의 시가지(지상고 8m)에서의 풍황 데이터를 나타냈다. 이처럼 일본의 소형풍력발전기는 바람의 난류와 더불어 태풍의 내습이 잦기 때문 에 변동풍 및 사나운 격풍에 대비해 안정적인 발전을 할 수 있도록 풍차제어에 대책을 마련해야한다. 풍차의 특성으로서 출력효율은 동일한 풍속에서도 풍차의 회전속도에 따라 변화하며 어느 회전속도에 이르러서는 최대가 된다.([그림 6] 참조) 최근의 소형기에서는 풍속의 변동에 대해서도 높은 출력효율을 가지는 회전속도를 유지하기 위해 MPPT(maximum power point tracking, 최대전력점 추종)와 같은 부하제어방식의 도입이 증가하고 있다. [그림 7]과 [그림 8]에 상기와 같은 제어를 실시한 소형풍력발전기의 시가지 환경에서의 필드 테스트의 일례를 나타냈다. 바람의 난류 강도는 0.3 이상의 난류의 큰 풍황 속에서 풍향과 풍속에 대한 추종성을 좋게 하여 발전이 이루어지고 있으며, 측정 데이터를 기초로 구한 파워커브는 소기의 성능을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 또 해당 제어에서는 강풍 시 부하를 극단적으로 크게 하여 풍차를 스톨상태(Stall, 실속)로 바꿈으로써 풍차의 과회전을 방지하는 브레이크 제어를 행한다. 특히, 최근에는 PWM(펄스 제어법)으로 대표되는 디지털 제어기술의 발전에 따라 MPPT 제어가 보다 고속화되어 풍속의 변동이 큰 풍황에서도 최대 전력점의 추종이 가능해졌으며, 또 돌풍과 같은 순간적으로 발생하는 강풍에 있어서도 안전하게 브레이크 제어가 가능한 제품들이 늘어나고 있다.

수직축 풍력발전기

최근의 소형풍력발전기 시장에서는 수직축 형태의 발전기를 많이 찾아볼 수 있게 되었다. 이 경향은 일본뿐만 아니라 세계적인 추세라고 할 수 있다. 이 풍차는 풍향에 대해 무지향성의 특징을 갖기 때문에 앞서 말한 풍향 변동이 큰 바람을 경험하는 소형기에 적합한 것으로서 도입이 진행되고 있다. 수직축 풍력발전기의 일례를 [사진 1]에 나타냈다. [그림 9]는 수직축 풍차의 필드 테스트의 일례인데 큰 풍향의 난류에도 불구하고 풍속의 변동에 맞춰 발전을 하고 있어, 해당 풍차가 무지향성임을 확인할 수 있다.