타워 상부 무게 경감 및 유지보수·정비 시간 획기적 단축
최경식 한전 전력연구원 창의미래연구소 융합에너지그룹 선임연구원은 “기존 풍력발전기 고장의 대부분이 타워 상부 높은 곳에 위치한 너셀 안 기어박스와 발전기에서 일어나는 것에 착안해 이런 문제들을 해결하기 위해 기어박스를 유압으로 대체하고 발전기를 지상으로 배치하는 유압식 풍력발전기를 착안하게 됐다”고 소개했다.
유압식 풍력발전시스템은 기존 풍력발전기에 있는 기어박스를 펌프로 대체하고 타워상부에 위치한 발전기를 지상으로 배치하는 구조다. 바람이 불면 풍력발전기 플레이드가 회전하게 되면 같은 축에 물려있는 펌프는 회전하게 되고, 이때 펌프안 작동유가 펌핑하고 방출된 작동유는 지상발전기와 결합된 유압모터를 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다.
이 시스템은 타워 상부의 무게를 획기적으로 경감시켜 타워 설계를 경량화 할 수 있으며, 발전기 지상배치로 접근성이 좋아져 유지보수 비용과 휴지시간을 줄일 수 있다.
단순구조·접근용이성과 안전성 3박자 갖춰
최경식 한전 전력연구원 선임연구원은 독자적으로 최대출력계수추종(MPPT) 알고리즘 원천기술을 개발 검증했다. 이를 통해 2015년에 200kW급 유압식 풍력발전시스템 설계·제작해 전남 영광군 백수읍에 설치, 성공적으로 실증했다.
최 연구원은 “유압식 풍력발전시스템 고압배관에 축압기를 연결해 바람이 필요이상으로 많이 불 때 남는 에너지를 축압기에 저장했다가 바람이 약하게 불어 시스템이 정지 기동을 반복하는 시점에 축압기에 있는 저장에너지를 방출해 발전하면 시스템의 정지기동 횟수를 줄여 기기 신뢰성을 향상시킬 수 있다”며 “여러 개의 유압식 풍력시스템이 발전기를 공유할 수 있으므로 설비단가를 낮출 수 있다”고 설명했다.
최 연구원은 “발전기가 타워 하부에 위치하고 있어 유지보수 엔지니어들에게 접근 용이성을 제공한다”며 “또 발전기 같은 중량물이 지상에 위치해 있기 때문에 풍력발전기의 무게중심이 기존에 비해 휠씬 아래에 위치하고 있어 구조물의 안정성이 좋아지며 태풍 등의 비상상황 대처에도 유리하다”고 강조했다.
이어 “유압식 풍력발전기는 발전기 지상배치로 접근성이 획기적으로 개선돼 유지보수 강점을 가지고 있다”며 “이러한 접근성 이용 편리성은 유지보수가 어려운 해상풍력에 더 적합한 시스템이라 할 수 있다. 또 부유식 풍력에 적용하면 부유체 설계를 작게 할 수 있어 그 효과성이 더 커진다고 말할 수 있다”고 설명했다.
부유식 해상풍력 및 MW급으로 개발
전력연구원은 2012년부터 유압식 풍력발전시스템 개발에 착수해 ‘100kW급 유압식 동력전달시스템’ 2기를 설계·제작해, 지난해 9월부터 시운전을 시작해 실증시험에 성공했다.
유압식 동력전달시스템은 유압펌프, 축압기, 매니폴더 갤러리, 유압모터, 발전기, 변압기, 저장조와 배관 등으로 구성돼 유지보수에 효율성을 제공한다.
최경식 선임연구원은 “기존 풍력발전기는 주로 타워 상부에 있는 기어박스와 발전기에서 고장이 일어나는 경우가 많은데, 특히 유지보수를 위해선 대형 크레인을 동원해야 하는 어려움을 안고 있다”며 “유압식 풍력발전기는 주요기기의 지상배치를 통해서 유지보수에 강점을 보이는 풍력발전시스템”이라고 설명했다.
대형 풍력발전기는 현재 베스타쓰, GE 등의 해외 업체들과 국내 유명 기업들이 선전하고 있는 분야다. 100kW급 2기 설치와 실증에 성공한 유압식 풍력발전기의 시장성은 이들 업체들과의 경쟁은 불가피하다.
최 연구원은 “MW급 규모에서의 적용은 이론적으로는 문제가 되지 않는다. 이를 위해서 단계적으로 유압식 풍력발전기를 개발 실증해 나갈 계획”이라며 “750kW급 파일럿 부유체 유압식풍력발전시스템 개발·실증을 거치고 수MW급 부유체 유압식 풍력발전시스템 개발을 진행해 나갈 것”이라고 밝혔다.
풍력발전은 바람을 에너지원으로 이용하는 청정발전으로 지난해 파리에서 열린 COP21 이후 새로운 도약과 투자기회로 주목받는 분야다.
최경식 선임연구원은 “파리기후변화협약 이후 풍력발전은 온실가스 감축에 앞장서는 아이템으로 각광받고 있다”며 “신개념 유압식 풍력 기반기술을 바탕으로 관련 풍력발전산업 보급 및 활성화에 앞장서는 등 에너지산업 공유경제 생태계를 만들어 국가경제에 기여할 수 있도록 향후 대형풍력발전시스템으로 실용화할 것”이라고 밝혔다.
