풍력 발전기 구조를 조사했습니다. - 원문보기 링크 있음

해상풍력의 핵심 기술 - 해상풍력발전기 건설 [원본보기]

까만도리2012-04-05 11:39:35

[네이버케스트 물리산책 - 2012.04.05]

1991년 7월 11일 덴마크 남쪽 빈데비 해상에 높이 40m가 넘는 풍력발전기 11기가 우뚝 섰다. 해안가로부터 1.5km나 떨어져 있어 육지에서는 흐릿한 기둥처럼 보일 뿐이다. 곧 초속 17m의 강한 바람이 불기 시작했다. 길이가 35m에 달하는 거대한 날개(블레이드)가 서서히 돌자 육지에 있는 변전소에서 전기가 들어오고 있다는 신호가 잡혔다.

해상풍력발전기의 건설. <출처: (CC)Tomasz Sienicki at Wikipedia.org>

세계 최초의 상업용 해상풍력 단지가 태어난 순간이었다. 시간이 흘러 이제는 해상풍력이 ‘대세(大勢)’라고 한다. 처음 세워진 해상풍력 발전기 1대가 하루에 생산할 수 있는 전기는 최대 450KW(킬로와트, 1KW는 1000W). 지금은 하루에 3MW(메가와트, 1MW는 100만W)를 생산할 수 있는 발전기가 우후죽순처럼 늘어나고 있다. 2010년 기준 전세계에 있는 해상풍력 발전기가 하루에 생산할 수 있는 전력량은 2.9GW(기가와트, 1GW는 10억W)로 약 100만 명 의 인구가 사용할 수 있는 양이다. 육지에서 바다로, 새로운 삶의 터전으로 바삐 이사 갈 채비를 하고 있는 해상풍력의 핵심 기술을 찾아봤다.

거친 풍랑에도 끄떡없는 풍력발전기 설치하기 바다에 설치하는 풍력발전기는 육상에서는 크게 문제가 되지 않는 두 가지를 해결해야 한다. 높이 50~100m, 무게 수백t에 달하는 풍력발전기를 바다의 거친 풍랑에도 끄떡없도록 단단하게 설치하는 것, 바다에서 생산한 전기를 1~10km 떨어진 육지로 손실 없이 전달하는 것이다. 아무리 좋은 터빈이 있더라도 바다에 단단하게 세우지 못하면 기둥이 흔들려 발전기 효율이 떨어진다. 전기를 육지로 전달하는 과정에서 손실이 발생하면 어렵게 바다에 설치한 풍력발전기는 커다란 바람개비가 될 뿐이다. 전문가들은 이 두 가지 기술이 해상풍력의 ‘핵심’이라고 입을 모았다. 해상풍력을 건설할 때 드는 비용을 살펴봐도 이는 드러난다. 육상풍력은 전기를 생산하는 터빈에 전체 비용의 70%를 사용하지만 해상풍력은 바다에 발전기를 세우고 전기를 전달하는 공사에 드는 비용이 50%를 차지한다. 풍력발전기를 해저 바닥에 설치하는 방법은 수심에 따라 다르다. 수심이 0~20m인 얕은 곳에서는 해저면을 콘크리트로 다진 후에 기둥을 꽂는 ‘중력 케이스’ 방식을 사용한다. 콘크리트로 단단히 고정한 아랫부분이 해저에서 발생하는 수중 저항을 견뎌낸다. 큰 기둥을 단순히 바닥에 꽂기 때문에 기술적으로 큰 어려움이 없어 초기 해상풍력 단지를 만들 때 많이 사용했다. 하지만 무게가 수십t, 지름이 5m이상 되는 기둥을 수심이 깊은 곳에서 적용하기는 어렵다. 수심 20~50m 이내에 설치할 때는 ‘모노파일’ 방식이 좋다. 해저면에 콘크리트 지지대를 만들고 단단한 쇠기둥을 박아 그 위에 발전기를 설치하는 형식으로 현재 해상풍력 단지에 가장 많이 사용된다. 하지만 풍력발전기가 쇠기둥에 의지해야 하기 때문에 발전기의 크기가 커지면 쇠기둥이 무게를 이겨내지 못하고 균열이 생기거나 파괴될 수 있다. 쇠기둥이 바닷물에 오래 노출되면서 부식의 위험도 생긴다. 쇠기둥을 해저에 단단하게 박으려면 커다란 망치로 약 1만 번 이상 강하게 때려야 하는데 이때 발생하는 “쿵~쿵~”거리는 소음에 돌고래가 폐사할 수도 있다. (좌)해상 풍력발전기 건설을 위해서는, 바다의 풍랑에도 끄떡없도록 설치하는 문제, 전기를 바다에서 육지로 손실 없이 전달하는 문제가 해결되어야 한다. <출처: (CC)Hans Hillewaert at wikipedia.org>(우)해상풍력발전은 깊은 바다로 나가야 바람도 많이 불고 넓은 공간을 활용할 수 있어 더 많은 전기를 생산할 수 있는데, 수심이 깊어질 수록 공사비가 상승하기 때문에 쉽지 않다.  수심 80m 정도의 먼 바다로 나갈 때는 ‘자켓’, ‘트라이포드’ 방식이 적당하다. 단단한 강재구조물을 해저에 설치해 고정한 뒤 그 위에 풍력발전기를 설치한다. 수심이 깊은 곳에서도 가능하다는 장점이 있지만, 강재구조물을 설치할 때 용접이 많이 필요해 설치 가격이 비싸다. 풍력발전기의 진동을 강재구조물이 견디지 못하고 부러지거나 변형될 수 있다. 수심에 따라 공사 방식이 달라지는 가장 큰 이유는 경제성 때문이다. 깊은 바다로 나가야 바람도 많이 불고 넓은 공간을 활용할 수 있는데 공사비가 상승하기 때문에 쉽지 않다. 대안으로 떠오른 방식이 최근 연구개발 중인 ‘부유식’이다. 배처럼 띄운 구조물에 발전기를 세우는 방식이다. 최수영 한국전력기술 풍력팀장은 “부유식은 수심과 관계없이 풍력발전기를 설치할 수 있는 것이 장점”이라며 “하지만 상용화까지는 어느 정도 시간이 걸릴 것”이라고 말했다. 주요 해상풍력발전 건설의 종류. 1. 중력케이스. 해저면을 다진 후 풍력발전기를 꽂는 방식. 기술적 어려움은 없지만 수심이 깊으면 적용하기 어렵다. 가까운 바다에서 사용하는 방식으로 콘크리트 지지대 위에 쇠기둥을 박고 그 위에 발전기를 설치하는 모노파일 방식도 있다. 2. 트라이포드방식. 강재구조물을 해저에 설치하고 그 위에 풍력발전기를 설치. 깊은 곳도 가능하지만 강재구조물 파손 우려가 있다. 3. 부유식. 바다에 띄운 부유물에 풍력발전기를 올려 놓는 방식. 수심에 관계없이 설치 가능하지만 아직 연구개발 단계다. 손실 없이 안전하게 전기를 이동 시키기 바다에 배를 띄워 기둥을 설치하고 날개를 끼운 뒤 발전을 시작했는데 생산한 전기가 육지로 넘어오던 중 손실이 발생하면 손해가 이만저만이 아니다. 해상풍력 발전기에서 만들어진 전기는 해저에 파묻은 케이블을 통해 육지로 이동한다. 지나가던 배가 닻을 내리거나 해류, 혹은 어류의 움직임에 케이블이 손상될 우려가 있어 해저면으로부터 1.5m 깊이의 땅굴을 판 뒤에 케이블을 묻는다. 케이블 위에는 콘크리트로 만든 뚜껑을 덮어 이중으로 보호한다. 콘크리트 커버가 움직이는 것을 막기 위해 주변에 커다란 돌을 놓아 고정시키기도 한다. 물에 젖으면 단단하게 굳는 ‘수중불분리성 콘크리트’를 잔뜩 쌓아 케이블 주변을 마치 ‘요새’처럼 보호하는 방법도 사용된다. 최 팀장은 “풍력발전기가 해안에서 약 2~5km 떨어져 있는 경우에는 생산한 전기를 바로 가정에서 쓸 수 있게 교류형식으로 전달하지만 거리가 멀 경우에는 손실을 줄이기 위해 직류로 바꿔 전송한다”고 말했다. 우리 나라의 해상풍력발전 우리나라는 뛰어난 조선업, 터빈 개발 기술을 앞세워 해상풍력 선진국을 바짝 뒤쫓고 있다. 최근 제주도는 해상풍력 단지에 관광, 가두리양식 등의 요소를 결합한 ‘복합형 해상풍력 발전 단지’ 계획을 수립했다. 제주도 서부지역 해안에서 2km 떨어진 지점에 설치되는 150MW급 규모의 해상풍력 단지 아래 가두리 양식장을 만들고 해저에서 이를 관찰할 수 있는 ‘아쿠아리움’까지 결합한다는 계획이다. 전기와 어종관리라는 두 마리 토끼를 동시에 잡는 것이 목표다. 해상풍력이 완전무결한 에너지원은 아니다. 해외조사에 따르면 해상풍력 단지가 주변 생태계에 미치는 영향은 육상풍력에 비해 미미하다고 나타났지만 그래도 챙겨봐야 할 것들이 많다. 바다 위를 날아다니는 조류가 풍력발전기에 부딪칠 수도 있고 높이가 100m나 될 정도로 워낙 높다 보니 철새의 이동방향에 영향을 미칠 가능성도 있다. 해저 케이블 주변에서 발생하는 전자장과 저주파 소음으로 근처에 살고 있는 동식물이 스트레스를 받거나 서식지를 떠날 수도 있다. 우리나라에는 아직 해상풍력 단지가 건설된 곳이 없어 환경에 미치는 영향을 정확히 파악할 수 없는 것도 문제다. 해상풍력이 깨끗하고 안전한 에너지로 인정받기 위해서 반드시 넘어야 하는 과제다. / 글 원호섭 / 동아사이언스 기자 1)풍력발전기의 내부구조 바람이 불면 (1) 날개(블레이드)가 돌기 시작한다. 몸체인 (2) 넛셀에는 바람의 방향과 풍속을 자동으로 측정할 수 있는 센서가 장착돼 있다. 바람을 더 많이 받기 위해 선풍기가 회전하듯 맞바람을 찾아 돈다. 날개가 돌면 (3) 기어가 움직이고 (4) 발전기를 작동시켜 전기를 생산한다.

풍력발전기 [원문보기]

공상/친환경에너지공학 / 2011/11/21 22:29

1) 풍력발전기의 구조상에 따른 분류

풍력발전시스템은 형태에 따라서 수평축과 수직축 풍력발전기로 구분된다. 수직축 풍력발전기는 회전축이 수직으로 되어 있으며, 수평축 풍력발전기는 회전축이 수평으로 되어 있는 발전기이다. 90년대 말에는 수직축 풍력발전기에 대한 연구가 활발하였으나, 근래에 들어서는 기술이 사장되었고 대부분의 풍력발전기들이 수평축 풍력발전기 형태를 채택하고 있다.

            

<수직축 풍력발전기>                      

<수평축 풍력발전기> 

2) 운전방식에 따른 분류

① 정속운전(fixed rotor speed type): 통상 Geared형

대부분의 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 유도형발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장

착되어 있는 형태임

-증속기(Gear Box :적정속도로 변환)필요, Inverter 불필요

-정속 : 발전기 주파수를 올려 한전계통에 적합한 60Hz 맞춤

-대부분 정속운전 유도형 발전기 사용

-유도형발전기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치 장착

-회전자→기어증속장치→유도발전기(정전압/정주파수)→한전계통

② 가변속운전(variable rotor speed type) 통상 Gearless형

대부분 가변속운전 동기형(또는 영구자석형) 발전기기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태임

-가변속 : 한전계통 주파수와 맞지 않기 때문에 Inverter 필요

-가변속운전 동기형(또는 영구자석형)발전기 사용

-다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어장치 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형

태임

-발전효율 높음(단독 운전의 경우 많이 사용되나 유도발전기보다 비싸고, 크기도 큰 단점)

-회전자(직결)→동기발전기(가변전압/가변주파수)→인버터→한전계통

3) 출력제어 방식에 따른 분류

풍력발전시스템은 출력제어방식에 따라서 stall 타입과 pitch 타입으로 구분된다. stall 타입이란 블레이드 설계를 정격풍속 이상에서 발전기 출력이 증가하지 않고 정지풍속에서 stall 이 발생하도록 설계하는 방식이다. Pitch 타입이란 블레이드의 깃각제어를 통하여 정격풍속 이상에서는 일정한 출력이 발생하도록 제어하며, 정지풍속에서는 블레이드를 Feathering 함으로서 발전기가 정지하도록 제어하는 방식이다. 이러한 시스템의 각각의 장․단점은 다음과 같다.

․ Pitch Regulated 방식

장 점	◦날개 피치각을 제어하는 방식으로써 적정출력을 능동적으로 제어 가능 ◦피치각의 회전(Feathering)에 의한 공기역학적 제동 방식을 사용하여 기계적 충격 없이 부드럽게 정지 및 계통투입 ◦계통 투입 시에 전압강하나 유입전류(In-rush) 최소화
단 점	◦날개 피치각 회전을 위한 유압장치 실린더와 회전자간의 기계적 링크부분의 장기간 운전 시 마모․부식 등에 의한 유지보수 필요 ◦외부 풍속이 빠르게 변할 경우 제어가 능동적으로 이루어지지 않아 순간적인 Peak 등이 발생할 우려

․ Stall Regulated 방식

장 점	◦회전날개의 공기역학적 형상에 의한 제어방식으로 회전자를 이용하므로 Pitch 방식보다 많은 발전량 생산(고효율 실현) ◦유압장치와 회전자간의 기계적 링크가 없어 장기운전시에도 유지보수 불필요
단 점	◦날개 피치각에 의한 능동적 출력제어 결여로 과출력 발생 가능성 ◦회전날개 피치각이 고정되어 있어 비상제동 시 회전자 끝부분만이 회전되어 제동장치로서 작동하게 되므로, 제동효율이 나쁠 뿐 아니라 동시에 유압제동장치가 작동해야 하므로 주축 및 기어박스에 충격이 가하여 짐. ◦계통 투입 시 전압강하나 In-rush 전류로 인한 계통영향 소지 상존

4) 기어구동 풍력 터빈과 직접구동 터빈 발전기의 내부구조를 설명하시오

풍력발전시스템은 동력전달장치의 구조에 따라서 Geared type과 Gearless type으로 나뉘어 진다. Geared type은 발전기의 출력주파수를 계통의 상용주파수에 맞추기 위하여 로터의 회전속도를 증가시키기 위하여 Gearbox를 사용하는 풍력발전기이다. 그러나 gearbox를 사용함으로서 유지보수가 요구되며, 기계적인 손실이 발생하게 된다. 또한 이러한 시스템은 유도발전기를 사용하게 되는데 이로 인하여 전력품질에 악영향을 미치게 된다. Gearless type은 기어박스 없이 발전기와 로터를 직접 연결하는 풍력발전기이다. 이러한 타입은 발전기의 출력을 계통이 요구하는 대로 제어하기 위하여 발전기 후단에 전력변환장치를 설치하게 되며, 동기발전기를 사용하게 되는데 최근에 들어서는 효율향상을 위하여 영구자석을 많이 사용하고 있다. 그러나 고가의 장비를 사용함으로서 gearbox 타입보다 가격이 증가하며 전력변환장치에 의한 손실이 발생하게 된다. 각각의 타입에 대한 장․단점을 자세하게 기술하면 다음과 같다.

	Gearless type	Geared type
특징	- 가변속도 운전 - 동기형 발전기 - Pitch 제어 or Stall 제어	- 일정속도 운전 - 비동기형 유도발전기 - Stall 제어 or Pitch 제어
장점	- AC/DC/AC 방식으로 계통 연계성이 우수 - 풍자원의 활용도 높음 - 증속기 제거로 신뢰성 향상 - 높은 풍속에서 고속회전으로 torque 감소 및 drive train에 부하경감	- Direct 계통연결 가능 - 발전기의 가격이 상대적으로 낮음 (저원가 생산 가능) - 제작사 및 보급 모델의 다양화 - 운전경험이 풍부
단점	- Torque가 큼으로써 발전기 중량 증대, 다극 구조로 반경이 커짐 - 유도발전기에 비해 가격이 높음 - 계통연결 위해서 AC/DC/AC 변환 필요	- 높은 풍속에서 에너지 캡쳐가 적음 - 유도 전동기의 효율 낮음 (약92.6%) - Gearbox의 유지보수 및 신뢰성 문제 - Tower head mass의 증가 - 소음의 과다 발생
내 부 구 조

5) 다음에 나타난 풍력 발전의 종류 및 특징에 대해서 설명하시오

독립형 시스템 : 풍량이 적거나 약하면 발전량이 줄어든다. 그렇기 때문에 기존 전력시스템과 완전히 독립적으로 쓰이려면 축전지 등의 시스템이 필요하다. 이렇게 되면 기존 전력시스템과 독립적으로 쓰일 수 있다. 낙도와 오지 같은 곳에서는 태양광발전을 통한 독립형 시스템으로 자력 발전을 꾀할 수 있다.

계통연계형 : 기존 전력시스템과 연결되어 설치되는 태양광발전시스템이다. 발전이 가능한 낮에는 태양광발전을 통해 생성된 전력을 사용하고, 잉여 전력은 기존 전력시스템을 통해 송전한다. 그리고 밤에는 기존 전력시스템을 이용하여 전력을 조달 받는다.

하이브리드형 : 독립형 시스템의 한계점을 보완하여 풍량이 적거나 약할 때 태양발전 시스템을 사용하여 전력을 생산하고 축전하여 다양한 기후에 대처할 수 있는 장점이 있다.

	명칭	장점	단점
A	독립형	한국전력 계통이 없는 산간 벽지, 도서 지역 등에 전기를 공급하기 위한 용도로 설치할 수 있다.	3kW 이상의 경우는 충전을 하기위한 배터리등이 과도하게 많이 사용되게 됨에 따라 주기적인 배터리의 교체 및 관리비용이 증가하여 운영 효율이 떨어지게 된다.
B	계통연계형	반드시 상용 전력선이 존재하는 장소에 직접 상용 전력선에 같이 연결하여 발전을 하는 경우는 직접 발전된 전력을 사용가능	발전이 되지 않을 경우는 기존의 상용 전력을 사용해야한다.
C	하이브리드형	태양전지와 연계하여 다양한 기후상황에서 발전 및 축전이 가능하다.	일조량 및 바람등 기후의 영향을 많이 받는다. 축전기 및 풍력, 태양광발전 등 시스템의 교체 및 관리가 힘들다.