풍력발전과 풍력 터빈

풍력발전의 원리

풍력발전은 바람이 가진 운동에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 발전 시스템이다. 육상에 설치된 풍력발전기를 육상풍력발전기, 해상에 설치된 풍력 발전기를 해상 풍력발전기라 분류하며 해상 풍력발전기는 설치 형식에 따라 고정식과 부유식으로 분류된다.

풍력발전기 구조

Blade(블레이드)
바람의 운동에너지를 회전운동에너지로 변환하는 설비
Shaft(축)
블레이드의 회전력을 증속기와 발전기에 전달하는 설비
Gear Box(증속기)
주축의 저속회전을 발전용 고속회전으로 전환하는 설비
Generator(발전기)
증속기로부터 전달받은 회전력을 전기에너지로 변환하는 설비
Nacelle(나셀)
터빈 내부 구성품을 수용하기 위한 설비
Yaw Drive, Motor(요잉 시스템)
블레이드를 바람의 방향에 맞추기 위해 나셀을 회전시키는 설비
Pitch(피치 시스템)
풍속에 따라 블레이드 각도를 조절하는 설비
Brake(브레이크)
터빈의 제동을 위한 설비
Controller(컨트롤러)
무인 운전을 설정하고, 운영하기 위한 설비
Tower(타워)
풍력발전기 터빈을 지지해 주는 구조물

풍력발전기 종류

풍력 발전기는 기어박스의 유무에 따라 직접 구동(direct drive)과 간접 구동(geared)으로 구분되며 많이 사용되는 발전기 형식으로는 DFIG와 영구자석 동기발전기(Permanant Magnet Synchronous Generator, 이하 PMSG)가 있다. 육상용의 경우 부분 용량 전력 변환장치, 3단 기어박스, DFIG 구성이 시장 지배적이다.

기어 방식은 정격용량의 30% 전력변환장치 용량만으로 60%의 변속 구간을 가질 수 있어 가장 경제적인 구성이다. 반면 해상용은 전용량 전력변환장치를 갖춘 PMSG 구성이 주로 채용되며 기어박스는 없거나 낮은 기어비의 1단 기어박스가 사용된다. DFIG의 경우 계통의 주파수에 회전속도를 맞추기 위해 기어비 90~100 사이의 3단 기어박스가 사용되는데 3단 기어박스는 상대적으로 다른 부품에 비해 고장이 잦은 편이다.

일반적인(typical) 풍력발전기(다익형-3엽)의 경우 발전 방식이 두 가지가 있다.
기어박스가 있는 것과 없는 것. 기어박스가 있는 것은 본체가 길쭉하게 되어있는 것인데 대부분의 발전기입니다. 기어박스가 없는 것, Gearless 라고 하는데, 저는 국내에서 본 적이 없습니다. 또 다른 명칭으로는 Direct-Drive, 직접구동 방식이 있다.

풍력발전기 제조기업

국내 풍력 시장의 풍력터빈 제조사별 점유율은 상업 운전 기준 ▲베스타스(35%) ▲두산중공업(12.7%) ▲유니슨(11.4%) ▲현대일렉트릭(9%) ▲악시오나(5.6%) ▲지멘스가메사(4.2%) ▲GE(4.1%) 등 순이다.

우리나라의 경우 국내 풍력발전기 제작사는 두산에너빌리티(구. 두산중공업), 효성, 유니슨 및 한진산업 등의 4곳이며, 이중 해상용 풍력발전기는 두산에너빌리티와 효성에서 제작한다.

해상풍력발전 하부구조물

발전기가 설치되는 지역의 수심과 종류에 따라 Monopile, Jacket으로 구분한다. 북해지역은 대부분 수심이 얕은 지역에 운영되기 때문에 대부분 경제성이 높은 Monopile을 사용하고 있다. 다만, 수심이 40m 이상 지역은 Jacket을 사용해 활용되는 중이다. 참고로 해상풍력은 앞으로 수심 50m 이상 지역에도 설치될 예정인데, 주로 부유식 해상풍력으로 하부구조물은 Semi-submersible과 Floating spar 등이 활용될 전망이다.

해상풍력 하부구조물은 Monopile이든, Jacket이든 높이 40m 이상, 중량 1,500톤 이상인 대형 구조물이기 때문에 생산과정에서 발생할 수 있는 병목현상을 줄여야 한다. 실제로 유럽은 해상풍력 프로젝트 초기 하부구조물 생산업체 중심으로 생산 과정에 어려움이 있었다. 따라서, 유럽 내 대부분 해상풍력 프로젝트는 경제성 측 면과 대량생산에 용이한 Monopile이 활용됐다. 한국은 조선업이 중요한 산업이었기 때문에 해상풍력 하부구조물 생산과 관계된 업체들이 많다. 이로 인한 대형 해양 구조물 건설 경험과 POSCO, 현대제철 등 안정 적인 원재료 수급이 가능하기 때문에 규모의 경제를 달성하기 위한 환경은 이미 조성됐다고 판단된다.

10MW 기준 하부구조물은 평균 1,500톤으로, 하부구조물 제작사는 1) 제작 공정 수행과 완제품을 보관할 수 있는 넓은 부지, 2) 구조물을 운반할 수 있는 대형 크레인, 3) 안정적인 원재료(철강) 공급과 해양 환경에 대응할 수 있는 도장 작업을 할 수 있는 설비 등이 필요하다. 또 제작하는 지역과 프로젝트가 진행되는 지역 사이 거리가 멀수록 운송비도 증가하기 때문에 지리적으로 인접한 것도 중요하다.

[ 관련 기업 소개 – 삼강엠엔티 ]

삼강엠앤티는 산업용 파이프인 후육강관 전문 제조기업이다. 동사는 후육강관 기술력을 바탕으로 조선/플랜트 구조물, 그리고 해양 풍력 설비 분야에 진출했다. 전통적인 고객사로는 국내 조선 3사가 있다. 최근에는 해상 풍력 관련 수주가 늘어나면서 덴마크의 외스테드, CIP 등 글로벌 기업들이 고객사로 추가되는 중이다. 비즈니스와 고객사 모두에서 다이나믹한 변화가 일어나고 있다.
아시아에는 하부구조물 제조 기술력, 원가 경쟁력, 대형 생산시설을 모두 갖춘 업체는 삼강엠앤티가 유일하다. 하부구조물은 무게가 1,000~1,500톤에 달하고, 길이도 40~70m 이상 되는 구조물이다. 최근에는 터빈 용량이 커지면서 이를 지탱하는 타워와 하부구조물도 점점 대형화 되고 있다. 운송, 물류비가 많이 들기 때문에 프로젝트가 진행되는 지역의 근거리에 생산 시설을 보유하는 게 중요하다. 실제로 2019년 이후 수주 공시를 보면 2020년 7월 Lamprell(UAE) 向 계약을 제외하면 모두 대만 지역에서 진행되는 프로젝트다. 향후 아시아 지역 신규 해상 풍력 프로젝트 內 하부구조물 투자 수혜를 가장 많이 받을 수 있을 전망이다.

자주 하시는 질문

1. 풍력발전이 온실가스 감축에 정말 효과가 있나요?

무한한 바람 에너지는 물과 공기를 오염시키지 않습니다.
풍력발전기 1대 2MW(메가와트)는 약 700가구가 1년 동안 사용할 수 있는 전기를 생산하고,
여의도 면적 75%에 약 40만 그루의 20년생 소나무를 심는 것과
동일한 온실가스 감축 효과를 가져올 수 있습니다. * 이용률 20% 기준

2. 풍력발전소 건설을 위해 막대한 부지가 필요한가요?

풍력발전기 1MW(메가와트) 1대를 설치하기 위해서는 진입도로, 설치부지, 작업장, 적재 부지를 모두 포함하여 약 5,000㎡의 부지가 사용됩니다.
즉, 1,000MW의 건설을 위해서는 단 5㎢의 부지만을 필요로 합니다.

3. 해상풍력은 위험 요소가 많아 활성화되기 어렵지 않나요?

해상풍력은 비교적 자유롭게 설치 위치를 선택할 수 있고, 해안에서 멀어질수록 바람 자원이 풍족하여 대규모 단지 건설이 가능합니다.
또한 관광자원으로 활용되고, 인공어초 역할을 하고 있습니다.
이미 전 세계에는 14,384MW(메가와트)의 해상풍력 발전설비가 설치되어 연간 약 500억 가구 이상이 사용 가능한 전기를 생산하고 있습니다.

4. 오래된 풍력발전기는 버려져 방치되는 것은 아닌가요?

운영 기간이 오래된 풍력발전기는 철거 후 더 좋은 발전기로 교체됩니다.
또한 풍력발전기를 구성하는 대부분의 부품은 철재 구조물로, 철거된 풍력발전기는 고가의 폐품 회수 가치를 가지고 있습니다.

5. 풍력발전기로 인해 새들이 많이 희생되지는 않나요?

풍력에너지는 기후 변화에 따른 야생동물 서식지 감소에 영향을 미치지 않는 유일한 에너지원으로 각광받고 있습니다.
풍력발전소 건설 및 운영 종료 이후 생태복원을 위한 노력을 계속하고 있으며,
또한 풍력발전기 충돌로 인한 사고는 빌딩, 송전선, 자동차, 살충제 사용 등 인간 활동으로 발생되는 죽음의 1% 미만으로 발표된 바 있습니다.

6. 풍력발전기 운전 소음과 저주파가 어지러움, 두통, 불면증 등 건강 문제를 야기하나요?

강한 바람이 부는 경우 바람을 가르는 소리가 들릴 수 있으나, 바람 소리, 나뭇잎, 창문이 흔들리는 소리 등의 주변 소음으로 식별이 어렵습니다.
또한 발전단지 건설 시, “환경영향평가”를 시행해 국가의 소음・진동 관리 기준을 준수하고 있습니다.
또한 저주파는 가전제품, 도로, 자동차 등 모든 일상생활은 물론, 바다, 강, 산 등 자연환경에서도 발생하며,
모든 저주파에 대해 사람이 몸의 불편함을 느끼는 것은 아닙니다.
전 세계적으로 풍력발전의 소음, 저주파 등이 인체 건강에 직접적인 영향을 미치지 않는다는 결과가 많은 연구에서 도출되고 있습니다.

7. 풍력발전기 날개의 회전으로 인해 생기는 그림자가 신체에 부정적인 영향을 미치지는 않나요?

그림자 깜빡임 현상은 일출・일몰 시각에 주로 발생하므로 예측할 수 있으며 태양의 각도와 풍력발전기의 위치, 관측자의 위치에 따라 상이합니다.
또 설계를 통해 얼마든지 경감할 수 있는 현상입니다.
풍력발전기의 그림자 깜빡임 현상이 인체 건강에 직접적인 영향을 미치지 않는다는 결과가 많은 연구에서 도출되고 있습니다.

8. 풍력발전 단지가 건설되면 주변 지역의 부동산 가치가 하락하지 않나요?

풍력발전 단지는 주변 부동산 소유주들에게 이익을 공유함으로써 주변 지역 경제 발전을 촉진합니다.
풍력발전 단지 인근 부동산의 가치는 사업 발표 및 건설이 종료 시점 사이에 일시적으로 감소할 수 있으나,
일반적으로 이후 다시 회복되며 주변 지역은 목장, 농장, 야생동물서식지, 관광명소로 활용 되어 실제 부동산의 가치는 상승합니다.

9. 풍력발전기에서 발생할 수 있는 화재 위험이 높지 않나요?

풍력발전기는 특별한 환경 영향으로 고장 날 수 있지만, 이에 대한 안전장치가 적용되어 있습니다.
* 과속회전 방지 장치, 과열 방지를 위한 온도센서, 피뢰기, 원격 정지 장치 등
또 법령 기준상 발전기 내부에 자동소화장치를 설치하도록 규정하고 있어, 화재 발생 시 소화장치가 즉각 가동됩니다.
지금까지 우리나라에 설치된 발전기 중 0.5%(3대)만이 화재 사고가 발생했으며, 피해가 큰 불로 번지지 않았습니다.

풍력발전기 모형 coupang

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풍력발전과 풍력 터빈