소형풍력발전 기술 및 산업 동향
2020-02-05
org.kosen.entty.User@7f219bf7
윤정배(yoonjung)
1. 개요
소형풍력발전은 날개의 회전면적(swept area)이 200m2 이하(정격출력 1kW 미만)의 발전설비로, 친환경 에너지원이지만, 국내의 경우, 최소풍속 6m/s 이상이 요구되는 입지 조건의 제약 그리고 상대적으로 높은 초기 투자비로 인해 보급률이 낮으며, 블레이드 및 발전기 설계기술 부족으로 유효 발전량 저하, 소음/진동 발생, 유지보수 등의 어려움을 겪고 있다. 본 보고서에서는 이러한 단점들을 극복하기 위한 소형풍력발전 시스템의 국/내외 기술/산업 동향 및 바람의 방향에 관계없이 운전 가능하며, 설치비용이 저렴하고, 시동풍속이 낮아 미품에서도 풍력발전이 가능한 수직축 소형 풍력터빈 발전 시스템의 현재 기술 수준과 관련 업체 동향 그리고 향후 기술개발 내용을 소개하고자 한다.
2. 필요성[1]
우리 정부는 2030년까지 총 111조원을 투자하여 현재 2.4%인 신재생에너지 비중을 11%로 높여 세계적 신재생에너지 강국으로 도약할 계획이며, 특히 풍력발전은 초기 투자비용이 높음에도 불구하고 LNG 보다 낮은 발전단가로 인해 대체에너지 중에서 기존의 화석연료 발전에 비교할 만한 대안으로 인정받고 있다. 더불어, 풍력발전은 발전소 면적이 타 발전에 비해 현저히 적게 소요되고 저렴한 제조 비용이 장점이며, 수려한 미관으로 관광산업으로의 개발이 가능하여 국토의 효율적 이용도 가능하다는 이유로, 지구온난화 방지를 위한 구제적인 환경보호 규제 중, 가장 적극적인 대처방안으로 각광받고 있다(표 1.).
표 1. 그린 에너지별 발전단가(원/kW) 및 토지 필요 면적(m2)
3. 발전 방식[2]
풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적(aero dynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 약 50년 전에 현대적 개념의 200kW급 풍력발전기가 덴마크의 Gedser 해안에서 개발된 이후 1973년 오일 쇼크를 거치면서 풍력발전기의 설계 기술은 비약적으로 발전하였다.
풍력발전기는 풍력이 가진 에너지를 흡수(blade), 변환하는 운동량 변환장치(shaft, rotor), 동력전달장치, 동력변환장치(전력안정화 장치) 그리고 제어장치(제어시스템 및 모니터링 시스템) 등으로 구성되어 있다.
3.1. 회전축 방향
풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형과 수직형으로 분류된다(표 2.).
표 2. 회전축 방향에 따른 풍력 발전기 구분
3.2. 운전 원리
수직축 풍력발전기는 바람이 블레이드에 작용하는 항력(drag force)을 이용하여 발전하는 사보니우스형 풍력발전기와 비행기의 원리와 같이 바람에 의해 블레이드에 작용하는 양력(lift force)을 이용한 다리우스형 풍력발전기로 나눌 수 있다(표 3.).
각종 풍력발전기의 파워계수(표 4.)를 살펴보면 사보니우스형은 낮은 주속비 0~2에서 최대 약 0.15의 파워계수를 가지며, 다리우스형은 3~8의 중간정도의 주속비에서 최대 약 0.4의 파워계수를 갖는다. 또한, 사보니우스형 발전기는 낮은 주속비에서 0.6이상의 높은 토크계수[표 4.]를 가지고, 다리우스형 발전기는 이보다 작은 0.2이하의 토크계수를 갖는다. 결론적으로 사보니우스형 발전기는 토크계수가 높아 저풍속에서도 쉽게 기동하는 장점을 가지고 있으며 다리우스형 발전기는 토크계수가 낮아 저풍속에서는 쉽게 기동하지 못함을 알 수 있다. 그러나 사보니우스형 발전기는 고풍속에서 파워계수가 낮아 출력량의 한계를 가지고, 다리우스형 발전기는 고풍속에서 높은 출력을 발생시킴을 알 수 있다.
표 3. 운전원리에 따른 풍력 발전기 구분
표 4. 운전 특성
4. 기술 및 산업 현황[3, 4, 5, 6, 7]
대형 풍력발전시스템 및 해양 풍력발전시스템에 대해서는 비교적 활발한 연구에 의해 기술이 축적되고 가고 있지만, 소형에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이고, 대부분 중소기업에 의해 자체 개발을 하거나 미국, 일본 등에서 기술을 도입하여 제작, 판매하고 있는 실정이다.
대형풍력발전기의 기본모델과는 달리 수직축, 수평축에서 여러 가지 형태의 발전 시스템이 병행 및 도입 되어 개발 중에 있고, 항력형 수직축 발전기를 개발하는 금풍에너지는 소형 풍력시스템으로 한국에너지공단에서 주어지는 인증을 취득하였고, 수평축 풍력발전 업체인 ATT는 ISO9001 인증을 취득하였으며, 인천국제공항 주변에 소형풍력과 태양광 발전설비가 결합된 하이브리드 가로등을 설치하였다(표 5.).
그 외 다수의 업체들이 활동을 보이고는 있으나 소형 풍력발전에 대한 신뢰 부족과 정부지원, 환경적 요인 등에 의해 다소 침체기에 접어들고 있다.
표 5. 국내 소형풍력발전 시스템 공급 기업(출처 : 한국에너지공단)
4.1. 설계 및 예측 기술
자원조사를 통한 발전량 분석 및 예측 기술을 개발하고 상용화하는 분야는 국내 풍력시장의 취약성으로 전문기업이 파악되지 않고 있으며, 한국에너지기술연구원에서 주도적으로 기술개발 및 응용을 수행하고 있는 정도이고, 풍력자원조사를 위한 각종 기기를 수입 판매 및 A/S를 수행하는 소규모 기업 소수가 사업 영위 중인 것으로 파악되고 있다.
단지설계 및 시공기술 분야의 경우, 단지선정 및 기본설계는 한국에너지기술연구원의 기술을 활용하고 있고, 더불어, 외국 전문용역회사의 기술을 활용하기도 하며, 시공 기술 분야는 국내 토목 및 엔지니어링 회사가 상당한 기술력을 보유하고 있다.
4.2. 블레이드 제조 기술
국내의 제조업체는 애드켐텍, 한국화이바 등이 연구 개발 과제를 수행하여 750kW급 블레이드 제조 기술을 확보하고 있으며, 광동FRP는 소형 블레이드 및 로터허브, 나셀 등의 복합재로 개발한 상태이다.
대단위 발전 단지 건설에 적합한 중대형 블레이드를 제조하고 있는 선진 업체들로는 덴마크의 Vestas, Siemens, LM Glasfiber, 독일의 Enercon, Nordex, Abeking, Euros, Rotortechnik, 미국의 Knight & Carver, TPI, 브라질의 Tecsis 등이 있는데, 이중 LM Glasfiberrk 블레이드 공급 시장 점유율이 가장 높으며 전 세계 현지에 공장을 운영하고 있다.
4.3. 증속기 제조 기술
현재 50kW 급에서 증속기를 가지는 시스템은 효성에서 개발하였으며, 2MW급은 효성과 유니슨에서 개발이 이루어졌고, 3MW급은 두산중공업에서 개발하였다.
효성에서 개발된 750kW급 증속기는 유성기어 한단과 헬리컬 기어 두단으로 구성되며, 총 기어비는 75:1이고 강제 윤활 방식을 채택하고 있으며, 효성의 2MW급은 두단의 유성기어열과 한단의 헬리컬기어열로 구성되고, 캐리어로 입력/동력을 받고 선기어로 출력하는 방식으로, 총 기어비는 120:1이며, 유니슨의 2MW급은 conventional 형태의 증속기로 개발되었고, 두산중공업은 3MW급 풍력발전용 증속기를 differential 형태로 개발하였다.
4.4. 발전기 및 전력 변환 장치 제조 기술
국내에서는 유니슨이 직접구동형 동기발전기를 생산하였고, 효성중공업이 이중여자 유도발전기, 코윈텍이 동기발전식 이중여자 유도발전기를 생산하고 있으며, 한국전기연구원이 대용량 동기기용 주파수 변환장치를 개발하고 있고, 현대중공업이 2MW급 전력변환장치를 개발하였다.
4.5. 타워 및 구동 장치 제조 기술
타워관련 국내 기술 수준은 세계적 수준에 이르고 있고, 생산 활동도 매우 활발하며, 대표적인 기업으로 단조품을 제작하는 태웅, 현진소재, 평산 등이 있고, 메인베어링, 요(yawing) 그리고 피치 부품의 개발은 국내의 수요 부족 및 국외 선도기업과의 경쟁 등으로 개발이 더딘 실정이다(표 6.).
표 6. 국내 타워 및 관련 부품 제조 및 시공 기업(출처 : 한국에너지공단)
4.6. 시스템 설계 및 평가 기술
국내의 풍력발전 시스템 업체로는 유니슨, 효성중공업, 두산중공업, 한진산업 등이 있으며, 최근 풍력발전 시스템용 발전기를 제작, 수출하고 있는 현대중공업이 시스템 기술 개발과 사업시행 참여를 검토하고 있다.
유니슨과 효성은 2002년부터 750kW 개발을 시작으로 최근 2MW 개발을 완료하고 실증 중에 있으며, 두산중공업은 2006년부터 해상용 3MW 개발을 시작으로 시스템 개발 사업에 참여하였고, 이들 업체들은 해외 전문 엔지니어링사와 협력 관계[두산중공업(Windtech, 오스트리아), 효성중공업(Garrad Hassan, 독일), 유니슨(Aerodyne, 독일), 한진산업(Idaswind, 독일)]를 맺고 시스템/평가 기술을 습득하고 있다.
4.7. 감시 진단 유지보수 기술
현재 개발이 완료되어 인증까지 취득한 두산중공업의 3MW급 해상 풍력발전기의 경우, 기계 부품 및 발전기 등에 condition monitoring & diagnosis system의 장착을 하였고, 한편 유니슨과 효성중공업에서 각각 개발 및 실증 중인 2MW급 풍력발전기에 대해서도 condition monitoring system 장착을 계획 중이다.
4.8. 지식재산권 현황
국내 풍력 기술은 최근 개발이 활발한 편이나 글로벌시장에서 기술력 확보를 위한 특허경쟁력은 전반적으로 낮은 수준이고, 보유특허의 최신특허 비율이 82%로 높게 나타나고 있다.
풍력발전 시스템의 최신기술비중은 평균 73% 수준이나 특허경쟁력은 42%수준으로, “초대형 발전기 기술(직접 구동형, 초전도 등)”, “시스템 통합 제어 시스템 기술”, “고신뢰/초경량 증속기 기술”, “스마트 블레이드 기술”, “전력변환장치 기술”은 최신기술 비중이 높게 나타났으나, 특허 경쟁력은 다소 미흡한 수준으로 판단됨(표 7.).
해상풍력발전의 최신기술 비중은 75%에 이르고 있으나, 특허 경쟁력은 41%로 상대적으로 낮게 나타나고 있고, “부식 방지 및 기밀유지 기술”, “원격진단/제어 시스템 감시진단 기술”, “해상용 기초기술”은 최신기술 비율이 높게 나타났으나 특허 경쟁력은 다소 미흡한 수준으로 판단됨.
표 7. 지식재산권 현황(출처 : KIPRIS)
5. 시장 현황[8]
소형풍력발전 시스템 시장은 Southwest Windpower(미국), Bergey Windpower(미국), Proven Energy(영국), Windpower Enertec(독일) 등의 기업이 시장을 선도하고 있는 가운데, 금풍에너지, 하이에너지코리아, 설텍, 미지에너텍, 한국신재생에너지 등의 국내업체가 시장에 참여하고 있다.
소형풍력터빈 국내시장은 2012년 약 4.2억 원에서 연평균 31% 성장하여 2015년 9.4억 원 규모이며, 이후 연평균 30.8% 성장하여 2020년에는 약 36억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되며, 정부가 2016년 하반기부터 소형풍력터빈 설치 시, 주변 시설과의 이격거리 기준을 기존 50m에서 10~20m로 완화함으로써, 국내시장의 성장이 예상된다(표 8.).
소형풍력터빈 세계시장은 2012년 205억 달러에서 연평균 14.8% 성장하여 2015년 310억 달러 규모이며, 이후 연평균 14.4% 성장하여 2020년에는 607억 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 중국과 미국의 중소업체들이 활성화된 내수시장을 기반으로 다양한 형상의 신제품을 출시하고 있으며, SouthwestWindpower(미국), BergeyWindpower(미국), Proven Energy(영국), WindpowerEnertec(독일) 등의 기업이 시장을 선도하고 있다(표 9.).
표 8. 국내 소형풍력터빈 시장 규모 및 전망
표 9. 세계 소형풍력터빈 시장 규모 및 전망
6. 시사점
신재생 에너지원 중에서 풍력에너지는 경제적, 효율적, 친환경적 에너지원이지만 국내에 보급되어있는 풍력발전시스템 대부분의 경우, 풍향, 풍속의 이용에 대한 기술부족 및 소음, 환경파괴, 진동, 유지보수 같은 문제점을 내포하고 있어, 이러한 단점들을 극복하기 위한 소형 풍력발전 시스템의 국산화가 필수적이다.
수직축 풍력터빈은 수평축 풍력터빈에 비해 효율이 떨어지고 작동범위가 좁다는 단점이 있으나, 바람의 방향에 관계없이 운전되는 특징이 있고, 설치비용이 저렴하며, 시동풍속을 낮게 운전하여 미풍에서도 풍력발전이 가능한 장점이 있어, 관련 기술의 국산화가 필요하다.
가용 자원량 대비 발전 효율을 높이기 위한 변환장치(ECS)의 고효율화 기술 개발이 매우 중요하고, 유동의 방향에 신속히 반응하여 최적의 효율이 발생되는 방향으로 위치 제어가 가능한 발전기의 개발이 필요하다.
References
1. 제8차 전력수급기본계획(2017~2031). 산업통상자원부, 2017.
2. 풍력터빈. 한국신용정보원, 2017.
3. 풍력터빈 증속기. 한국신용정보원, 2016.
4. 풍력터빈 블레이드. 한국신용정보원, 2015.
5. 풍력터빈 강관타워. 한국신용정보원, 2015.
6. 풍력터빈 부품. 한국신용정보원, 2019.
7. 옥상풍력발전. 한국신용정보원, 2018.
8. 소형풍력터빈 시장. 한국신용정보원, 2018.
소형풍력발전은 날개의 회전면적(swept area)이 200m2 이하(정격출력 1kW 미만)의 발전설비로, 친환경 에너지원이지만, 국내의 경우, 최소풍속 6m/s 이상이 요구되는 입지 조건의 제약 그리고 상대적으로 높은 초기 투자비로 인해 보급률이 낮으며, 블레이드 및 발전기 설계기술 부족으로 유효 발전량 저하, 소음/진동 발생, 유지보수 등의 어려움을 겪고 있다. 본 보고서에서는 이러한 단점들을 극복하기 위한 소형풍력발전 시스템의 국/내외 기술/산업 동향 및 바람의 방향에 관계없이 운전 가능하며, 설치비용이 저렴하고, 시동풍속이 낮아 미품에서도 풍력발전이 가능한 수직축 소형 풍력터빈 발전 시스템의 현재 기술 수준과 관련 업체 동향 그리고 향후 기술개발 내용을 소개하고자 한다.
2. 필요성[1]
우리 정부는 2030년까지 총 111조원을 투자하여 현재 2.4%인 신재생에너지 비중을 11%로 높여 세계적 신재생에너지 강국으로 도약할 계획이며, 특히 풍력발전은 초기 투자비용이 높음에도 불구하고 LNG 보다 낮은 발전단가로 인해 대체에너지 중에서 기존의 화석연료 발전에 비교할 만한 대안으로 인정받고 있다. 더불어, 풍력발전은 발전소 면적이 타 발전에 비해 현저히 적게 소요되고 저렴한 제조 비용이 장점이며, 수려한 미관으로 관광산업으로의 개발이 가능하여 국토의 효율적 이용도 가능하다는 이유로, 지구온난화 방지를 위한 구제적인 환경보호 규제 중, 가장 적극적인 대처방안으로 각광받고 있다(표 1.).
표 1. 그린 에너지별 발전단가(원/kW) 및 토지 필요 면적(m2)
| 구분 | 그린 에너지별 발전단가(원/kW) | 발전 기술 별 토지 필요 면적(m2) | ||
| 내용 |  |
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3. 발전 방식[2]
풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적(aero dynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 약 50년 전에 현대적 개념의 200kW급 풍력발전기가 덴마크의 Gedser 해안에서 개발된 이후 1973년 오일 쇼크를 거치면서 풍력발전기의 설계 기술은 비약적으로 발전하였다.
풍력발전기는 풍력이 가진 에너지를 흡수(blade), 변환하는 운동량 변환장치(shaft, rotor), 동력전달장치, 동력변환장치(전력안정화 장치) 그리고 제어장치(제어시스템 및 모니터링 시스템) 등으로 구성되어 있다.
3.1. 회전축 방향
풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형과 수직형으로 분류된다(표 2.).
표 2. 회전축 방향에 따른 풍력 발전기 구분
| 구분 | 수평축(형) 풍력 발전기 | 수직축(형) 풍력 발전기 |
| 형상 |  |
 |
| 내용 | - 회전축이 바람의 방향에 대해 수평인 시스템으로 타워와 로터의 위치에 따라 맞바람형식(upwindtype)과 뒷바람형식 (downwindtype)으로 구분 |
- 회전축이 바람의 방향에 대해 수직인 풍력발전 시스템 - 실용화(상용화)된 대형 시스템 없음 |
| 장점 | - 맞바람형식 : 타원에 의한 풍속의 손실 없음, 풍속변동에 의한 피로하중/소음 적음 - 뒷바람형식 : 요잉시스템 불필요, 타워와 로터 충돌을 피할 수 있음, 타워의 하중감소, 저렴한 가격으로 인해 주로 소형 풍력발전기에서 사용 |
- 바람의 방향에 관계없이 운전 가능(요잉 시스템 불필요) - 증속기 및 발전기가 지상에 설치 됨 |
| 단점 | - 맞바람형식 : 요잉 시스템이 필요하여 시스템 구성이 복잡해짐, 로터와 타워의 충돌을 고려한 설계 필요 - 뒷바람형식 : 타워에 의한 풍속의 손실 발생/ 풍속의 변동이 큼, 터빈의 피로하중 및 소음증가, 전력선이 꼬일 수 있음 |
- 시스템 종합 효율이 낮음 - 자기동(self-starting) 불가능, 시동 토크 필요 - 주 베어링의 분해시 시스템 전체 분해 필요 - 넓은 설치 면적 필요 |
3.2. 운전 원리
수직축 풍력발전기는 바람이 블레이드에 작용하는 항력(drag force)을 이용하여 발전하는 사보니우스형 풍력발전기와 비행기의 원리와 같이 바람에 의해 블레이드에 작용하는 양력(lift force)을 이용한 다리우스형 풍력발전기로 나눌 수 있다(표 3.).
각종 풍력발전기의 파워계수(표 4.)를 살펴보면 사보니우스형은 낮은 주속비 0~2에서 최대 약 0.15의 파워계수를 가지며, 다리우스형은 3~8의 중간정도의 주속비에서 최대 약 0.4의 파워계수를 갖는다. 또한, 사보니우스형 발전기는 낮은 주속비에서 0.6이상의 높은 토크계수[표 4.]를 가지고, 다리우스형 발전기는 이보다 작은 0.2이하의 토크계수를 갖는다. 결론적으로 사보니우스형 발전기는 토크계수가 높아 저풍속에서도 쉽게 기동하는 장점을 가지고 있으며 다리우스형 발전기는 토크계수가 낮아 저풍속에서는 쉽게 기동하지 못함을 알 수 있다. 그러나 사보니우스형 발전기는 고풍속에서 파워계수가 낮아 출력량의 한계를 가지고, 다리우스형 발전기는 고풍속에서 높은 출력을 발생시킴을 알 수 있다.
표 3. 운전원리에 따른 풍력 발전기 구분
| 구분 | 사보니우스형 풍력발전기 | 다리우스형 풍력발전기 | ||
| 형상 |  |
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표 4. 운전 특성
| 구분 | 파워계수 | 토크계수 |
| 내용 |  |
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4. 기술 및 산업 현황[3, 4, 5, 6, 7]
대형 풍력발전시스템 및 해양 풍력발전시스템에 대해서는 비교적 활발한 연구에 의해 기술이 축적되고 가고 있지만, 소형에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이고, 대부분 중소기업에 의해 자체 개발을 하거나 미국, 일본 등에서 기술을 도입하여 제작, 판매하고 있는 실정이다.
대형풍력발전기의 기본모델과는 달리 수직축, 수평축에서 여러 가지 형태의 발전 시스템이 병행 및 도입 되어 개발 중에 있고, 항력형 수직축 발전기를 개발하는 금풍에너지는 소형 풍력시스템으로 한국에너지공단에서 주어지는 인증을 취득하였고, 수평축 풍력발전 업체인 ATT는 ISO9001 인증을 취득하였으며, 인천국제공항 주변에 소형풍력과 태양광 발전설비가 결합된 하이브리드 가로등을 설치하였다(표 5.).
그 외 다수의 업체들이 활동을 보이고는 있으나 소형 풍력발전에 대한 신뢰 부족과 정부지원, 환경적 요인 등에 의해 다소 침체기에 접어들고 있다.
표 5. 국내 소형풍력발전 시스템 공급 기업(출처 : 한국에너지공단)
| 업체명 | 생산품목 |
| 금풍에너지 | ？ 수직형 소형풍력 공급(5kW 이하) |
| 에이티티 | ？ 수평형 소형풍력 500W, 1kW |
| 준마Eng’g | ？ 1, 6, 10kW 급의 개발 및 생산 |
| 서영테크 | ？ 0.6, 1, 2 3, 5kW 소형풍력 및 발전기 제조 |
| 대성청정에너지연구소 | ？ 400W 소형 풍력발전 시스템 개발 실증 |
| 시그너스파워 | ？ 1, 3, 5kW 수직축 풍력 개발 및 생산 |
| 오로라에너지 | ？ 65kW, 225kW급의 비교적 소형 시스템의 생산 |
| 도하인더스트리 | ？ 소형 풍력 개발 |
| Inseas | ？4, 5, 16, 30kW 소형 수평축 제조 |
| 하이에너지 | ？300w,1.5kW, 3kW급 풍력발전기 수입 및 개발 |
4.1. 설계 및 예측 기술
자원조사를 통한 발전량 분석 및 예측 기술을 개발하고 상용화하는 분야는 국내 풍력시장의 취약성으로 전문기업이 파악되지 않고 있으며, 한국에너지기술연구원에서 주도적으로 기술개발 및 응용을 수행하고 있는 정도이고, 풍력자원조사를 위한 각종 기기를 수입 판매 및 A/S를 수행하는 소규모 기업 소수가 사업 영위 중인 것으로 파악되고 있다.
단지설계 및 시공기술 분야의 경우, 단지선정 및 기본설계는 한국에너지기술연구원의 기술을 활용하고 있고, 더불어, 외국 전문용역회사의 기술을 활용하기도 하며, 시공 기술 분야는 국내 토목 및 엔지니어링 회사가 상당한 기술력을 보유하고 있다.
4.2. 블레이드 제조 기술
국내의 제조업체는 애드켐텍, 한국화이바 등이 연구 개발 과제를 수행하여 750kW급 블레이드 제조 기술을 확보하고 있으며, 광동FRP는 소형 블레이드 및 로터허브, 나셀 등의 복합재로 개발한 상태이다.
대단위 발전 단지 건설에 적합한 중대형 블레이드를 제조하고 있는 선진 업체들로는 덴마크의 Vestas, Siemens, LM Glasfiber, 독일의 Enercon, Nordex, Abeking, Euros, Rotortechnik, 미국의 Knight & Carver, TPI, 브라질의 Tecsis 등이 있는데, 이중 LM Glasfiberrk 블레이드 공급 시장 점유율이 가장 높으며 전 세계 현지에 공장을 운영하고 있다.
4.3. 증속기 제조 기술
현재 50kW 급에서 증속기를 가지는 시스템은 효성에서 개발하였으며, 2MW급은 효성과 유니슨에서 개발이 이루어졌고, 3MW급은 두산중공업에서 개발하였다.
효성에서 개발된 750kW급 증속기는 유성기어 한단과 헬리컬 기어 두단으로 구성되며, 총 기어비는 75:1이고 강제 윤활 방식을 채택하고 있으며, 효성의 2MW급은 두단의 유성기어열과 한단의 헬리컬기어열로 구성되고, 캐리어로 입력/동력을 받고 선기어로 출력하는 방식으로, 총 기어비는 120:1이며, 유니슨의 2MW급은 conventional 형태의 증속기로 개발되었고, 두산중공업은 3MW급 풍력발전용 증속기를 differential 형태로 개발하였다.
4.4. 발전기 및 전력 변환 장치 제조 기술
국내에서는 유니슨이 직접구동형 동기발전기를 생산하였고, 효성중공업이 이중여자 유도발전기, 코윈텍이 동기발전식 이중여자 유도발전기를 생산하고 있으며, 한국전기연구원이 대용량 동기기용 주파수 변환장치를 개발하고 있고, 현대중공업이 2MW급 전력변환장치를 개발하였다.
4.5. 타워 및 구동 장치 제조 기술
타워관련 국내 기술 수준은 세계적 수준에 이르고 있고, 생산 활동도 매우 활발하며, 대표적인 기업으로 단조품을 제작하는 태웅, 현진소재, 평산 등이 있고, 메인베어링, 요(yawing) 그리고 피치 부품의 개발은 국내의 수요 부족 및 국외 선도기업과의 경쟁 등으로 개발이 더딘 실정이다(표 6.).
표 6. 국내 타워 및 관련 부품 제조 및 시공 기업(출처 : 한국에너지공단)
| 업 체 명 | 주 생산품 | 동 향 | |
| 풍력발전용 기자재 제조 및 시공 업체 |
(주)평산 | 타워 플랜지 풍력발전기 자재 |
？풍력타워 플랜지는 세계 시장 점유율 1위 |
| (주)태웅 | 풍력발전기 부품 타워플랜지 메인샤프트 |
？Vestas, Enercon, GE Wind 등에 공급 | |
| (주)유니슨 | 풍력발전기 및 타워 직접 시공설치 |
？ISO9001 인증획득(풍력발전 전 부분) ？750kW, 2MW 국제인증 획득(DEWI-OCC) ？자메이카에 최초 국산풍력발전단지 준공 |
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| 현진소재 | 메인샤프트 | ？일본의 스미토모 상사로부터 오는 2011년 까지 3173억 규모의 풍력발전기용 메인 샤프트 공급을 수주 |
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| 동국S&C | 풍력설비 및 타워 | ？윈드 타워 세계 1위를 고수하며 세계 타워 분야에서 50%를 점유하고 있다. |
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| 스페코 | 타워 | ？윈드 타워 생산 | |
4.6. 시스템 설계 및 평가 기술
국내의 풍력발전 시스템 업체로는 유니슨, 효성중공업, 두산중공업, 한진산업 등이 있으며, 최근 풍력발전 시스템용 발전기를 제작, 수출하고 있는 현대중공업이 시스템 기술 개발과 사업시행 참여를 검토하고 있다.
유니슨과 효성은 2002년부터 750kW 개발을 시작으로 최근 2MW 개발을 완료하고 실증 중에 있으며, 두산중공업은 2006년부터 해상용 3MW 개발을 시작으로 시스템 개발 사업에 참여하였고, 이들 업체들은 해외 전문 엔지니어링사와 협력 관계[두산중공업(Windtech, 오스트리아), 효성중공업(Garrad Hassan, 독일), 유니슨(Aerodyne, 독일), 한진산업(Idaswind, 독일)]를 맺고 시스템/평가 기술을 습득하고 있다.
4.7. 감시 진단 유지보수 기술
현재 개발이 완료되어 인증까지 취득한 두산중공업의 3MW급 해상 풍력발전기의 경우, 기계 부품 및 발전기 등에 condition monitoring & diagnosis system의 장착을 하였고, 한편 유니슨과 효성중공업에서 각각 개발 및 실증 중인 2MW급 풍력발전기에 대해서도 condition monitoring system 장착을 계획 중이다.
4.8. 지식재산권 현황
국내 풍력 기술은 최근 개발이 활발한 편이나 글로벌시장에서 기술력 확보를 위한 특허경쟁력은 전반적으로 낮은 수준이고, 보유특허의 최신특허 비율이 82%로 높게 나타나고 있다.
풍력발전 시스템의 최신기술비중은 평균 73% 수준이나 특허경쟁력은 42%수준으로, “초대형 발전기 기술(직접 구동형, 초전도 등)”, “시스템 통합 제어 시스템 기술”, “고신뢰/초경량 증속기 기술”, “스마트 블레이드 기술”, “전력변환장치 기술”은 최신기술 비중이 높게 나타났으나, 특허 경쟁력은 다소 미흡한 수준으로 판단됨(표 7.).
해상풍력발전의 최신기술 비중은 75%에 이르고 있으나, 특허 경쟁력은 41%로 상대적으로 낮게 나타나고 있고, “부식 방지 및 기밀유지 기술”, “원격진단/제어 시스템 감시진단 기술”, “해상용 기초기술”은 최신기술 비율이 높게 나타났으나 특허 경쟁력은 다소 미흡한 수준으로 판단됨.
표 7. 지식재산권 현황(출처 : KIPRIS)
| 대표도 | 지식재산권명 | 지식재산권 출원인 | 출원국 / 출원번호 | ||
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판형허브를 갖는 수직축 풍력발전기 | 씨에이 코리아(주) | 한국 /10-2010-0020876 | ||
| 기술내용 | |||||
| 본 발명은 바람의 흐름 방향과 수직한 축을 중심으로 회전하여 바람방향의 잦은 변화에도 효율적으로 전력을 생산하는 수직축 풍력 발전기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 블레이드와 회전 지지축 사이를 고정밀 가공이 가능한 판형의 허브와 특별히 고안된 고정구조로 연결하여 회전항력이 최소화 되며, 구조적으로 안전하면서도 고정밀 대량양산이 가능한 간편 구조를 이룰 수 있는 판형 허브를 갖는 수직축 풍력 발전기에 관한 것이다. | |||||
| 대표도 | 지식재산권명 | 지식재산권 출원인 | 출원국 / 출원번호 | ||
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풍력 발전장치 | 윤미현 | 한국 /10-2008-0107525 | ||
| 기술내용 | |||||
| 본 발명은 블레이드가 가이드부재에 간섭될 때에는 바람에 의해 항력이 작용되고, 가이드부재에 간섭이 되지 않을 때에는 바람에 의한 항력이 최소화됨으로써, 즉 블레이드의 이동을 방해하는 방해항력이 최소화됨으로써, 회전축의 회전효율이 향상되고, 결국 발전효율이 향상되는 장점이 있다. | |||||
| 대표도 | 지식재산권명 | 지식재산권 출원인 | 출원국 / 출원번호 | ||
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풍력 발전장치 | Patrick Richter: Karl Bahnmuller | US/PTC/CH2008/000549 | ||
| 기술내용 | |||||
| The invention relates to a wind power plant, comprising a rotor that can be rotated about a vertical axis, said rotor between tow horizontal bearing planes disposed at a distance on top of each other comprising a plurality of rotor blades, which are disposed distributed on a circumferential circle, can each be pivoted about a vertical pivot axis, and the pivot range of which is delimited on both sides by a stop. In such a wind power plant, an improvement in the energy yield, while simultaneously ensuring another operation, is enabled in that the width of the rotor blades in smaller than approximately ⅓ the radius of the circumferential circle. | |||||
5. 시장 현황[8]
소형풍력발전 시스템 시장은 Southwest Windpower(미국), Bergey Windpower(미국), Proven Energy(영국), Windpower Enertec(독일) 등의 기업이 시장을 선도하고 있는 가운데, 금풍에너지, 하이에너지코리아, 설텍, 미지에너텍, 한국신재생에너지 등의 국내업체가 시장에 참여하고 있다.
소형풍력터빈 국내시장은 2012년 약 4.2억 원에서 연평균 31% 성장하여 2015년 9.4억 원 규모이며, 이후 연평균 30.8% 성장하여 2020년에는 약 36억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망되며, 정부가 2016년 하반기부터 소형풍력터빈 설치 시, 주변 시설과의 이격거리 기준을 기존 50m에서 10~20m로 완화함으로써, 국내시장의 성장이 예상된다(표 8.).
소형풍력터빈 세계시장은 2012년 205억 달러에서 연평균 14.8% 성장하여 2015년 310억 달러 규모이며, 이후 연평균 14.4% 성장하여 2020년에는 607억 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망되고, 중국과 미국의 중소업체들이 활성화된 내수시장을 기반으로 다양한 형상의 신제품을 출시하고 있으며, SouthwestWindpower(미국), BergeyWindpower(미국), Proven Energy(영국), WindpowerEnertec(독일) 등의 기업이 시장을 선도하고 있다(표 9.).
표 8. 국내 소형풍력터빈 시장 규모 및 전망
표 9. 세계 소형풍력터빈 시장 규모 및 전망
6. 시사점
신재생 에너지원 중에서 풍력에너지는 경제적, 효율적, 친환경적 에너지원이지만 국내에 보급되어있는 풍력발전시스템 대부분의 경우, 풍향, 풍속의 이용에 대한 기술부족 및 소음, 환경파괴, 진동, 유지보수 같은 문제점을 내포하고 있어, 이러한 단점들을 극복하기 위한 소형 풍력발전 시스템의 국산화가 필수적이다.
수직축 풍력터빈은 수평축 풍력터빈에 비해 효율이 떨어지고 작동범위가 좁다는 단점이 있으나, 바람의 방향에 관계없이 운전되는 특징이 있고, 설치비용이 저렴하며, 시동풍속을 낮게 운전하여 미풍에서도 풍력발전이 가능한 장점이 있어, 관련 기술의 국산화가 필요하다.
가용 자원량 대비 발전 효율을 높이기 위한 변환장치(ECS)의 고효율화 기술 개발이 매우 중요하고, 유동의 방향에 신속히 반응하여 최적의 효율이 발생되는 방향으로 위치 제어가 가능한 발전기의 개발이 필요하다.
References
1. 제8차 전력수급기본계획(2017~2031). 산업통상자원부, 2017.
2. 풍력터빈. 한국신용정보원, 2017.
3. 풍력터빈 증속기. 한국신용정보원, 2016.
4. 풍력터빈 블레이드. 한국신용정보원, 2015.
5. 풍력터빈 강관타워. 한국신용정보원, 2015.
6. 풍력터빈 부품. 한국신용정보원, 2019.
7. 옥상풍력발전. 한국신용정보원, 2018.
8. 소형풍력터빈 시장. 한국신용정보원, 2018.