750kW급 Geared Type 풍력발전시스템 개발효성중공업 연구소_차종환 한상열 이호준 고장욱 이현주 오시덕서울대학교_신형기 이수갑한국기계연구원_김태욱 / 애드컴텍_성대영 박성배본 연구에서는 에너지 및 환경에 대한 문제가 대두되면서 기술 개발의 필요성이 높아지고 있는 풍력발전시스템에 대하여 750kW급 Geared Type 가변속 풍력발전시스템을 개발하였다. 풍력발전시스템이 급속히 대용량화됨을 고려하여 MW급의 기술 조합이 반영되도록 설계하였으며, 베어링과 같은 국내 인프라가 부족한 구성품을 제외한 모든 구성기기들을 자체 설계/제작하였다. 블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하여 시동 풍속 3.5m/s, 정지 풍속 25m/s, 정격 풍속은 12.7m/s이며 IEC 61400-1의 Class I 에 준한 750kW급 풍력발전시스템을 개발하였다.서론인간의 산업혁명에 따른 산업 활동으로 인한 온실가스 배출량 증가는 지구의 기후 시스템에 영향을 미쳐 지구를 둘러싼 대기층의 ‘온실효과’로 인해 지구 온난화 문제를 야기 시키고 있다. 이러한 기후변화는 개별 국가의 문제가 아니라 전 지구적 차원의 공동 대응이 필요하다는 인식하에 교토의정서를 채택하면서 국제적인 이슈로 떠오르게 되었으며, EU를 비롯한 선진 각국에서는 이에 대한 대책으로 연료전지와 풍력발전 등 새로운 기술개발을 추진하여 사회 인프라 등에 적극적으로 활용하거나 에너지 절약, 친환경적인 건축물 건설 및 재생 에너지 개발, 산업, 에너지, 폐기물 처리 개선을 촉진하고 2010년 이후를 대비한 R&D 개발 확대 등을 적극적으로 추진하고 있다. 그 중에서도 풍력발전시스템이 이와 같은 국제 환경의 변화 및 유가 상승과 경제성 및 기술의 성숙도로 인해 에너지 산업에서 세계적으로 가장 빠르게 성장하는 분야가 되었다. 최근 10년간 설치 용량이 10배 이상 증가하여 이미 전 세계적으로 약 47,912MW(2004년말 누계기준)의 풍력발전시스템이 설치 운전되고 있으며, 발전단가는 대형화 및 단지화와 함께 지속적으로 낮아지고 있는 추세로 보급당시 95kW급 풍력발전기의 8.8c /kWh로부터 MW급 풍력발전시스템이 보급되고 있는 최근에는 4.1c /kWh로 약 20년간 50%가 넘게 감소하게 되었다. 이러한 이유로 인해 이미 여러 선진국에서는 풍력 에너지의 개발/보급이 실용화, 활성화 단계에 있으며, 유럽의 경우 전체 전력 수요의 2%를 풍력발전이 담당하고 있는 실정이며 풍력발전시스템 기술은 이미 상당히 발전한 단계에 이르러 최근에는 직경 124m의 5MW 시스템을 개발 완료하여 실증 단계에 있다. 우리나라도 이미 1993년 12월 기후변화협약에 가입하였으며 2002년 11월 교토의정서를 비준하여 2차 공약기간 중(2013~2017) 온실가스 감축 의무 부담이 가시화 될 전망이어서, 친환경형 신·재생 에너지의 개발 및 보급이 시급한 실정이다. 이에 ‘제2차 신·재생 에너지 기술 개발 및 이용·보급 계획’에서 풍력발전기술을 태양광, 연료전지와 함께 3대 중점 기술의 하나로 선정하여 기술 개발을 지원하고 있으며, 풍력발전을 2012년까지 2,237MW를 보급하는 것을 계획하고 있다. 또한, 선진국의 대형화 추세에 맞추어 1.5MW, 3MW급 풍력발전시스템의 개발, 해양용 초대형 풍력발전시스템의 개발도 추진 중에 있으며, 신·재생 에너지를 이용하여 생산된 전기의 우선 구매 및 차액 보전(풍력의 경우 107.66원/kWh), 신·재생 에너지 발전사업 지원 확대, 보급된 신·재생 에너지 설비의 사후 관리, 시설 투자금에 대한 세제 지원 및 수입품에 대한 관세 감면(세율 8% → 2.8%) 등의 지원 제도를 추진하고 있다. 이러한 노력으로 인해 국내의 풍력발전 시스템의 도입 여건 조성에는 상당한 역할을 했다고 할 수 있으나 대부분이 풍력발전 시스템을 수입에 의존하고 있어 초기 투자비의 상승으로 인한 경제성 확보의 어려움이 있고 문제 발생 시 유지 보수의 어려움을 겪고 있어 풍력발전시스템의 원활한 보급을 위해서는 시스템 국산화 개발의 필요성이 매우 절실하다고 할 수 있다.따라서, 본 연구에서는 당사의 주요 구성기기 개발 경험과(증속기, 발전기, 타워 등) 관련 기반 기술의 적용을 효과적으로 활용하여 연구 개발 성과를 극대화할 수 있는 기어드 타입의 가변속 피치 제어형 풍력발전시스템을 3년(2002. 12 ~ 2005. 4) 동안 참여기업으로 (주)애드컴텍, (주)코헤와 위탁기관인 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원(대전, 창원), 서울대학교 등과 공동으로 자체 개발하였다. 블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 2D 및 3D 풍동실험을 실시하고 구조 해석 및 설계를 수행하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하였다. 피치 및 요 시스템은 전동식으로 하였으며, 허브, 메인 프레임, 원통형 타워 등을 설계/제작하여 시동 풍속 3.5m/s, 정지 풍속 25m/s, 정격 풍속은 12.7m/s이며 IEC 61400-1의 Class I 에 준한 750kW급 풍력발전시스템을 개발하였다. 또한, 시스템 해석과 시험을 통하여 풍력발전 시스템 엔지니어링 기술을 확보하였으며, 대관령 풍력 실증 단지에 설치하여 실증 연구를 수행할 예정이다.본론1. 시스템 개념설계풍력발전 시스템은 바람을 원동력으로 하기 때문에 발전 가능한 풍속 범위에서 시스템이 안정을 유지하면서 효율적으로 운전될 수 있는 운전 조건을 결정하여야 하며, 최근 풍력발전시스템이 급속히 대용량화됨을 고려하여 MW급에서 적용되는 기술 조합을 검토하여 개념설계에 반영하였다. 이에 본 고에서는 기상청 및 KIER의 자료를 이용하여 설치가 가능한 지역을 대상으로 풍력발전기의 운전 조건 자료의 추출과 함께 기존에 선진국에서 개발 및 상용화되어 운전 중인 풍력발전 시스템의 운전조건을 조사ㆍ분석하여 결정하였으며 개념설계 결과는 다음 표와 같다.2. 구성기기 설계 및 제작1) 블레이드