풍력발전 원리

[윈드로즈]

풍력발전

 
풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기력학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성 요소로는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치(gear box), 발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성된다.

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다. 또한 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 일반적으로 발전 방식에 따른 소요 면적은 풍력 1,335 m2/GWh, 석탄 3,642 m2/GWh, 태양열 3,561 m2/GWh 그리고 태양광 발전 3,237 m2/GWh로서 풍력 발전이 가장 작은 면적을 필요로 한다.

풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200 kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000 kWh의 전력을 생산한다면 약 120-200 톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO2는 2-3.2 톤, NOx는 1.2-2.4 톤, CO2는 300-500 톤, 슬래그(slag)와 분진(ash)은 16-28 톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160 - 280 kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다.

풍력 발전 시스템의 발전 단가는 설치 지역의 풍력 자원에 따라 달라지나 현재 운전되고 있는 미국의 대규모 풍력 단지들은 약 750 $/kW의 시스템 설치비와 약 5 ￠/kWh 내외의 발전 단가를 나타내 기존 발전 방식과 경쟁 가능한 수준이다. 또한 계속적인 투자와 기술 개발이 병행되면 풍력 발전은 15년 안에 3.9 ￠/kWh의 단가 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

풍력발전 관련 기술은 이미 실용화 단계이기 때문에 요소 기술 개발보다는 풍력 발전기의 저가화와 대형화 및 보급 확대에 치중하는 경향이다. 많은 국가에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있으며 1994년말까지 세계적으로는 약 3,7600 MW 용량의 풍력 발전기를 설치하여 연간 약 45억 kWh이상의 전력을 생산하고 있다. 1994년 한해 동안에도 약 611 MW 용량의 풍력 발전기가 새로 설치되었으며, 인도의 경우에는 1995년도에 235.5 MW 규모의 풍력 단지를 건설할 계획이다.

현재 가장 많은 풍력 발전기가 운전되고 있는 국가는 미국, 독일, 덴마크 순으로서 미국의 경우 캘리포니아의 대규모 풍력 단지를 중심으로 1993년에는 연간 30억 kWh의 전력을 생산하여 캘리포니아 전체 전력수요의 1.2% 정도를 공급하였고, 1994년에는 약 35억 kWh의 전력을 생산하였다.

그러나 풍력발전의 비중이 가장 높은 나라는 덴마크로 98년현재 4900개의 풍력발전기에서 1,135MW를 생산 전기소비량의 7%를 담당하고 있으며 44만가구에 공급하고 있다고 한다. 또 이나라의 "에너지 21"계획에 의하면 2000년까지 10%, 2030년까지 50%로 끌어 올린다는 것이다.

국내의 기술 개발 현황은, 1단계 대체 에너지 기술 개발사 업으로 전국 64개 기상청 산하 기상 관측소의 통계 자료와 도서 및 내륙 일부 지역의 측정 자료를 이용한 풍력 자원 특성 분석이 우리 연구소에 의해 이루어 졌으나 지역적 조건에 크게 영향을 받는 풍력 자원의 특성 때문에 아직 기초 통계 자료의 정비가 미흡한 실정이다. 따라서 앞으로 풍력 발전 유망 지역에 대한 풍력자원의 정밀한 평가와 풍력 단지 건설에 대한 타당성 평가 사업이 지속되어야 한다.

풍력 발전기 개발은 한국과학기술연구원이 1단계 대체 에너지 기술 개발 사업으로 20kW급 수평축 풍력 발전기의 국산화를 시도하였고, 2단계 사업에서는 복합 재료 전문 업체인 한국화이바(주)가 다리우스형(Darrieus) 수직축 300 kW급 풍력 발전기를 개발하여 시운전을 시도하여 본 결과에 의하면 성능과 신뢰성의 확보가 충분하지는 못하였으나, 본격적인 기술 개발의 계기가 되었다.

풍력발전의 국산화와 병행하여 이용 기술을 개발하기 위한 목적으로 한국에너지기술연구소가 이미 신뢰도가 확립된 외국의 풍력 발전시스템의 도입과 국내 시스템운용기술을 접목시켜 제주 월령에 100 kW급 및 30 kW급, 20kW급 풍력 발전기를 여러기 설치해 가동하고 있으며, 계통 연계형 풍력 발전기의 이용 기술 개발과 성능과 운전 특성에 대한 각종 측정과 분석 작업을 수행하고 있다.

이밖에도 제주 중문단지에 250kW급이 운영되고 있으며, 최근에는 제주도에서 제주지역을 무공해 청정지역으로 발전시킨다는 목표아래 600kW급 풍차 2기를 구좌읍에 설치하여 가동하는 등 97년 현재 11기 용량 1,913KW 정도이다.