풍력발전(Wind Power)이란, 바람 에너지를 풍력 터빈(Wind Turbine) 등의 장치를 사용해 기계적 에너지로 변환하고, 이 에너지로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것을 말한다. 풍력발전기는 이론상 바람 에너지의 최대 59.3%까지 전기 에너지로 변환할 수 있지만, 현실적으로 날개 형상 · 기계적 마찰 · 발전기 효율 등에 따른 손실 요인이 존재하기에 실용상 효율은 20∼40% 수준이다. 풍력발전은 자연 에너지인 바람을 이용해 발전하기에 바람만 불면 수요에 관계없이 전력을 반드시 생산한다는 점에서 계통 운용상 분산 전원으로 분류한다. 여기에서는 한국풍력산업협회의 도움으로 풍력발전의 역사와 풍력발전기의 구조, 풍력발전기의 종류에 대해 살펴보았다.
알려진 바에 따르면 역사상 최초의 풍력 기계는 알렉산드리아의 헤론Heron이 개발한 풍차(Wind Wheel)다. 최초의 실용형 풍차는 7세기경 이란과 아프가니스탄 사이에 있는 시스탄에 설치한 수직축형 풍차로, 여러 개의 직사각형 날개를 긴 수직 회전축에 조립했다. 당시 갈대 매트나 천으로 둘러싼 6∼12개의 날개를 가진 이 풍차를 주로 옥수수를 분쇄하거나 물을 퍼 올리는 데에 사용했다. 14세기경 네덜란드에선 풍차를 라인 강 델타 지역의 물을 배수하는 데에 주로 사용했다. 1900년경 덴마크에 약 2500대의 풍차가 있었는데, 이 풍차들은 제분기나 펌프에 기계적 동력을 제공하며 최대 30㎿ 정도에 해당하는 전력을 생산했다. 그리고 최초의 전력 생산용 풍차는 1887년 제임스 브리드가 스코틀랜드에 건설한 배터리 충전용 설비였다.
세계 최초 자동 운전 풍력 터빈은 1888년 찰스브러쉬Charles F. Brush가 미국 클리블랜드에 설치한 용량 12㎾, 높이 18m, 무게 4톤의 설비였다. 그후 1908년 5∼25㎾급 풍력발전기 72기를 운전했는데, 이 가운데 최대 설비는 23m 직경의 4개 날개를 가진 회전자와 24m 높이의 타워를 가진 설비였다. 세계 1차 대전 무렵 미국의 풍차 제조업체는 매년 10만 대의 농장용 풍차를 생산했으며, 대체로 물을 퍼 올리는 데 사용했다. 1930년대 당시 미국 대부분 지역엔 전력 공급용 배전 시설을 설치하지 않았기에 보편적으로 농장에 전력 생산용 풍차를 설치했다. 또한, 이 시기엔 고강도 철제품의 가격이 저렴했기에 대부분의 풍차를 철제 격자형 타워 상부에 설치했다. 근대 수평축형 풍력발전기의 선두 주자는 1931년 구舊소련 얄타에 건설한 100㎾ 용량의 발전기로, 타워 높이는 30m이며 6.3㎸ 지방 배전 계통에 연계해 운전했다. 당시 연간 설비 이용률은 32%수준으로 현재의 풍력발전기와 큰 차이는 없었다. 1941년 가을, 미국 버몬트에서 최초의 ㎿급 풍력터빈을 전력 계통에 병입했는데, 이 풍력발전기는 전쟁에 따른 자재 부족으로 정비할 수 없어 1100시간밖에 가동하지 못했다.
풍력발전기의 구조
풍력발전기(Wind Turbine Generator)는 구성상기계 시스템, 전기 시스템, 제어 시스템으로 구분한다. 한편, 날개를 포함한 허브Hub 시스템, 각종 기계 · 전기 · 제어장치를 탑재한 나셀Nacelle 그리고 이들을 지상으로부터 받쳐주는 타워 시스템으로도 구분하기도 한다.
기계와 제어 시스템 | 풍력발전기는 바람 에너지를 회전력으로 변환하는 회전 날개(Blade), 이를 주축에 연결하는 허브 시스템, 날개의 회전력을 증속기나 발전기에 전달하는 회전축(Shaft) 또는 주축(Main shaft), 회전속도를 올리는 증속기(Gear box), 증속기로부터 전달받은 기계 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(Generator), 제동 장치인 브레이크, 날개의 각도를 조절하는 피치 시스템, 날개를 바람 방향에 맞추기 위해 나셀을 회전시키는 요잉Yawing 시스템, 풍력발전기를 지지하는 타워 시스템 등으로 구성한다.
제어 장치 | 풍력 제어 시스템은 풍속에 따른 출력, 피치 각, 로터와 발전기의 회전수를 조절하는 속도 · 출력 제어 시스템, 풍향과 제동 장치, 회전 방식에 대한 제어를 담당하는 운전 상황 · 모드 제어시스템, 전력 계통과 병렬 운전을 제어하는 계통 연계 제어 시스템, 풍력발전기의 운전 상태를 실시간으로 감시하고 모니터링을 하는 운전 · 모니터링 시스템으로 구성한다.
풍력발전기의 종류
회전축 방향에 따른 분류 풍력발전기는 회전축 방향에 따라 수평축형과 수직축형으로 구분한다. 회전축을 바람이 불어오는 방향인 지면과 평행하게 설치하면 수평축형이고, 지면과 수직으로 설치하면 수직축형이다. 통상 풍력발전기가 중 · 대형급 이상이면 수평축형을, 100㎾급 이하 소형이면 수직축형도 사용한다.
수평축 풍력발전기 | 1∼4개의 날개를 가진 다양한 종류가 있지만, 현재 발전용으로 3개의 날개를 가진 프로펠러Propeller 형을 많이 사용한다. 수평축발전기의 장점으로 간단한 구조, 쉬운 설치, 우수한 에너지 변환 효율을 꼽는다. 반면, 날개 전면을 바람 방향에 맞추려면 나셀을 360도 회전시키는 요잉 장치가 필요하며, 증속기와 발전기 등을 포함한 무거운 나셀을 타워 상부에 설치하기에 점검과 정비가 어렵다.
수직축 풍력발전기 | 원호형 날개 2∼3개를 수직축에 붙인 다리우스Darrieus 형과 2∼4개의 수직 대칭익 모양의 날개를 붙인 자이로 밀Gyro Mill 형 그리고 반원통 모양의 날개를 마주 보게 한 사보니우스Savonius 형 등이 있다. 수직축 풍력발전기는 바람 방향에 영향을 받지 않아 요잉 장치가 필요 없다. 사막이나 평원에 적합하지만, 소재가 비싸고 수평축보다 효율이 떨어진다.
증속기 유무에 따른 분류 풍력발전기 날개에 직결해 회전하는 주축(Main shaft)과 발전기 사이에 설치해 발전기의 회전속도를 증가시키는 장치를 증속기라고 한다. 풍력발전기엔 증속기를 포함하는 증속기형(Geared type)과 증속기 없이 발전기에 직결하는 직결형(Gearless type)이 있다.
증속기형 풍력발전기 | 간접 구동식으로도 불리는 증속기형 풍력발전기는 초기 풍력 터빈 개발 단계부터 적용한 기술적 접근 방법이다. 기술적 발전을 거듭한 오늘날에도 시장의 80∼90% 이상이 이 형식을 적용한다. 최근 증속비를 높여 발전기의 크기를 줄이는 기술과 증속기형의 문제점인 진동과 소음,하중의 불균등 분배 등을 없애기 위한 기술 개발이 활발하다.
직결형 풍력발전기 | 풍력 터빈용 발전기(Generator)의 기술 향상으로 증속기 없는 형태로 개발한 것이다. 기어 박스가 없기에 단순한 구조, 줄어든 기계적 응력, 낮은 기계적 소음, 적은 운전과 유지비용, 높은 가동률 등 장점이 많다. 반면, 회전속도가 느린 탓에 다극 발전기를 사용하므로 발전기의 크기와 무게는 늘고 가격도 비싸다. 또한, 로터와 발전기가 가까이 있어 나셀의 무게 중심이 한쪽으로 쏠릴 수 있어, 이를 해결하려면 타워와 기초비용이 늘어난다. 최근 관련 기술의 발달로 이러한 단점을 상당 부분 해결한 혁신적 시스템을 개발하고 있다.
공기역학적 방식에 따른 분류 베르누이 정리에 따르면, 유선형 날개에선 상부와 하부에 흐르는 공기의 속도가 달라져 양력(Lift force)이 발생해 날개가 회전한다. 풍력 터빈의 날개도 이 양력과 항력을 적절히 활용한 것이다.
양력식 풍력발전기 | 양력을 이용해 날개를 회전시키는 풍력 터빈을 양력식 풍력발전기라 한다. 양력식 풍력발전기가 회전하는 원리는 날개 앞쪽에서 출발한 바람이 곡면과 평탄 부분으로 나뉘어 흐르는데, 곡면부를 통과한 바람은 평탄한 부분을 통과한 바람보다 속도가 빨라진다. 이때 날개 양면의 유속 차 때문에 양력이 발생하고, 이 힘으로 날개가 양력 방향으로 움직이며 회전한다.
항력식 풍력발전기 | 날개가 바람의 저항을 직접 받아 축을 회전시키는 풍력발전기다. 대표적으로 사보니우스 형을 들며, 주변에서 흔히 보는 컵 형태의 풍속계(Anemometer)도 여기에 속한다. 항력식 풍력발전기의 날개 회전속도는 풍속을 초과할 수 없는 것이 특징이다.
운전 속도에 따른 분류 정속형 풍력발전기 | 풍속에 상관없이 로터를 일정한 속도로 회전시키는 풍력 터빈이다. 유도발전기를 장착한 정속 운전 풍력발전기는 계통에 직접 연결한다. 무효 전력 보상을 위해 역률 보상 장치를 설치하며, 계통 연계 시 돌입 전류로부터 시스템을 보호하고자 소프트 스타터를 사용한다. 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 발전기 가격이 낮다. 반면, 무효 전력과 전력 품질을 제어하기 어렵고 기계적 응력을 많이 받는다. 특히, 정속 운전은 특정 풍속에서 최대 효율을 내므로 1990년대 대부분의 풍력터빈을 정속으로 운전했다.
가변속형 풍력발전기 | 넓은 범위의 풍속에서 최대공력 효율을 얻도록 설계한 풍력발전기다. 이 형식은 가변속 운전을 통해 변동하는 풍속에 대응하는 회전속도를 연속적으로 받아들이며, 이때 최대출력 계수에 해당하는 주속비는 일정한 값을 유지한다. 발전기 토크를 일정하게 유지하고 풍속 변화는 발전기 속도를 변화시켜 대응한다. 유도발전기나 동기발전기를 사용하며 전력 변환기를 통해 계통에 연결한다. 전력 변환기는 발전기 속도를 제어하며, 풍속 변화에 의한 출력 변동은 발전기의 속도 변화와 로터 속도의 변화를 통해 흡수한다. 가변속형은 같은 풍황 조건에서 정속형보다 많은 출력과 우수한 전력 품질을 얻으며 기계적 응력을 줄인다. 반면, 정속형보다 전기 시스템이 복잡해 관련 많은 전기 부품을 쓰므로 가격이 상승한다.
풍력 제어 방식에 따른 분류 날개 각 제어형 풍력발전기 | 유선형 날개는 그 각도에 따라 양력을 받는 정도가 달라지기에 날개각도를 조정하면 다양한 범위의 회전속도를 얻는다. 이 원리를 이용해 날개 각도를 조정함으로써 회전속도와 토크를 제어하는 풍력 설비를 날개 각 제어형 풍력발전기라 한다. 이 방식은 받음 각을 조절할 수 있기에 정격 풍속 이상에서 출력을 효율적으로 제어해 최신 풍력 터빈에 필수적으로 채용한다.
실속 제어형 풍력발전기 | 유선형 날개의 상 · 하부로 흐르는 공기 중 빠른 속도로 흐르는 공기는 공기의 특성, 날개의 형상, 진입 공기의 입사각 등에 따른 저항을 받는다. 유속이 증가해 일정 수준 이상이면 날개 후면에서 이 저항에 의한 와류(Turbulence)가 발생해 양력을 급격하게 떨어뜨린다. 이 현상을 실속(Stall)이라 한다. 일정한 풍속 이상이면 실속 현상을 일으켜 날개의 양력을 증가시키지 않거나 감소시킴으로써 터빈의 회전속도를 제어하는 방식이다. 특히, 실속 제어 방식 중 날개 각 제어 대신 실속 제어만 하는 방식을 수동형 실속 제어(Passive Stall Control)라고 한다. 이 경우 정격출력을 유지하기 어렵다. 이러한 단점을 없애고자 날개 각을 제어하되 일정 풍속 이상에서 실속 제어하도록 한 것을 능동형 실속 제어(Active Stall Control)라고 한다. 실속 제어 방식은 풍속 변화에 대한 대응 속도가 느려 순간적으로 높은 토크를 발생하므로 대형 풍력 터빈인 경우 안전을 저해할 수 있다.
계통 연계 여부에 따른 분류 계통 연계형 풍력발전 | 풍력 터빈에서 생산한 전력을 국가 전력 계통망에 연결해 전력을 공급하는 형식이다. 오늘날 중형급 이상 풍력 터빈의 경우 대부분 계통에 연결해 발전용으로 사용하며, 이 경우 경제성이나 기술적인 측면에서 유리하다. 독립 운전형 풍력발전 | 전력을 사용하는 지역 근처에 발전기를 설치해 전력을 독립적으로 활용하는 형식이다. 소형 풍력 터빈에도 드물게 계통에 연계하기도 하나, 대개 원격지에서 독립적으로 운전하거나 디젤 발전기 등과 혼합해 하이브리드 형식으로 운전한다.
설치 장소에 따른 분류 육상 풍력발전 | 육상 풍력은 건설이 쉽고 경제성이 높기에 종전까지 국내외 대부분의 풍력발전단지를 육상에 건설했다. 하지만 육상 단지의 포화, 민원 발생, 풍력 효율 저하, 대형화의 한계성 등 건설상 제약 요인이 많아 지금은 점차 해상 풍력으로 이행하는 추세다.
해상 풍력발전 | 물속에 풍력발전단지를 건설해 전력을 생산하는 것이다. 해상(Offshore)이란 개념은 해양 산업에서 통상적으로 사용하는 바다만을 의미하지 않는다. 해상 풍력발전에 호수 · 협강 · 폐쇄 해안지역 등 내륙에 속하는 지역의 풍력발전까지 포함한다. 해상 풍력발전은 전통적 바닥 고정(Fixed Bottom)형 풍력발전 기술은 물론, 물이 깊은 곳에선 부유식 풍력 터빈(Floating Wind Turbine) 기술도 이용한다. 해상 풍력은 넓은 부지 확보, 적은 민원, 설비와 풍력단지의 대형화, 양호한 바람의 품질과 풍속, 풍력발전기의 안전성과 효율성 측면에서 유리하다. 반면, 육상풍력보다 경제성이 낮고, 설치와 운전 · 유지 뿐만아니라 계통연계에도 어려움이 따른다.
풍력발전의 열쇠, 에너지 저장 기술
미국 마케팅 리서치 회사인 NanoMarkets에서 발행한 〈풍력발전 산업 에너지 저장 시장의 기회(Energy Storage Opportunities in the Wind Power Industry)〉에 따르면, 풍력발전 산업의 성장을 이끌 에너지 저장 시스템의 시장 규모는 2015년 11억 달러에 이를 전망이다. 많은 애널리스트가 풍력발전 산업은 앞으로 수년간 급성장할 것으로 전망했다. 문제는 비용 대비 높은 효율의 에너지 저장 기술을 개발하지 않는 한 성장을 지속할 수 없다는 것이다. 풍력발전은 기후에 따라 발전량이 변동하기에 전력 수요가 낮은 시간대에 전력을 대량 생산해도 매출을 늘리지 못한다. 초과 생산한 전력은 무용지물이 되기 때문이다. 또한, 풍력발전은 발전량의 변동 폭이 크기에 여기에 맞추어 설계하지 않은 기존 송전망에 혼란을 일으킬 수 있다. 보고서는 풍력발전용 에너지 저장 시스템의 매출 가운데 1/3은 중국이 차지할 것으로 보았다. 중국은 앞으로 10년간 풍력발전 능력을 10배로 늘릴 방침이며, 송전망 개선계획의 일환으로 에너지 저장 시설 정비에 수십억 달러를 지출할 예정이기 때문이다. 현재 풍력발전용 에너지저장 시스템에 많이 사용하는 것은 저비용 고기술Lead-acid Batteries다. 그러나 풍력발전업계는 머지않아 Lead-carbon과 나트륨황 배터리, 플로우 전지(Flow Battery) 등 비교적 새로운 고성능 배터리 기술로 이동할 전망이다. 특히, Lead-carbon 배터리는 기존 Leadacid Batteries에 비해 고성능이며 수명도 길므로 2015년에는 풍력발전용 에너지 저장 시스템 시장에서 최대 점유율을 획득하고 매출액은 3억 달러를 돌파할 것으로 보인다.
NanoMarkets 발행〈Energy Storage Opportunities in the Wind Power Industry〉중에서
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