'2014 풍력산업 심포지엄' 주요 발표 자료
'2014 풍력산업 심포지엄' 주요 발표 자료
  • 박윤석 기자
  • 승인 2014.07.14 10:17
  • 댓글 0
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풍력분야 전문가 18명 주제 발표

산업체 구성원 간의 네트워크 강화를 위해 산업체를 비롯한 유관기관, 연구소, 학계 관계자 등이 참석한 이번 심포지엄에서는 풍력산업의 산·학·연·관 네트워킹을 통해 정부정책 및 업계 기술구축 실적소개 등 풍력산업 활성화 방안이 모색됐다.

손충렬 세계풍력에너지협회 부회장이 좌장을 맡아 진행된 심포지엄 발표에서 ▲영암풍력단지 운영현황 ▲한국 풍력발전사업 국산화율 ▲국내 해상풍력시스템 개발 현황 ▲부유식 해상발전 시스템 설계기술 ▲볼트 파손이 풍력발전에 미치는 영향 ▲해상풍력 전용 설치선 개발 ▲소형풍력 신기술 등 18개 주제별 다양한 내용이 소개됐다.

이날 발표내용 가운데 주요 자료를 정리했다.

국내 해상풍력 잠재량 13GW 육박
<성창경 해상풍력추진단장>

현재 세계 해상풍력 설치용량은 6,832MW에 달한다. 영국, 덴마크, 벨기에, 독일 등 유럽이 주도하고 있으며, 아시아에서는 중국이 355.9MW를 설치한 상태다.

전 세계적으로 2030년까지 239GW 규모의 해상풍력단지가 건설될 것으로 예상되는 가운데, 한국은 6차 전력수급계획 기준으로 2017년까지 1,563MW 규모로 육·해상풍력단지를 건설할 계획이다. 특히 2차 에너지기본계획에 따라 정부는 2035년까지 신재생에너지 비중을 현재 8% 수준에서 11%까지 확대할 방침이며, 이 가운데 풍력 비중이 18.2%를 차지한다.

정부는 풍력산업을 육성하기 위해 다양한 정책을 펼치고 있다. 국산 풍력시스템의 성능평가와 장기 운전 테스트를 통해 신뢰성을 검증할 수 있도록 실증단지를 확보·확장했으며, 대형 풍력시스템의 성능검사를 위해 성능검사기관의 장비 업그레이드 지원을 완료하고 현재 KS체계로 통합하는 방안을 검토 중이다.

또 서남해 해상풍력단지 구축을 위한 중량화물의 적치, 하역, 운송 등을 지원할 배후항만 인프라를 지원하는 동시에 육상풍력단지 저변확대를 위한 입지규제 완화를 추진하고 있다.

올해로 3년째를 맞은 신재생에너지의무할당제도(RPS)도 국내 발전사업 현실에 맞게 재정비 된다. 우선 2022년까지 총 발전량의 10%를 신재생에너지로 공급해야 했던 기준을 2024년으로 2년 연장한다. 또 해상풍력의 초기 투자비 부담을 줄이기 위해 REC 가중치를 탄력적으로 적용할 계획이다.

현재 육상풍력은 1.0의 가중치가 주어지고, 해상풍력은 해안선 기준 5km 이하는 1.5를, 5km를 초과할 경우 2.0의 가중치를 받는다. 개정안에 따르면 5km 초과 해상풍력 기준으로 사업초기 5년간은 2.5의 가중치를 주고, 10년까지 2.0에 이어 이후에는 1.0이 주어진다.

최근 3년간 해상풍력 분야에 지원된 R&D 자금 규모는 총 1,418억원이며, 현재 ▲3MW급 이상 해상풍력시스템용 자켓타입 구조물의 리베링 시스템 개발 ▲천해용 해저케이블 동시 매설기 개발 ▲해상풍력 구조물의 설계수명 확보를 위한 최적 부식관리 기술개발 ▲해상풍력단지 해수공간을 활용한 산업융합설비 개발 및 실증연구 등의 과제가 진행 중이다.

국내 해상풍력 잠재량은 7.6GW(수심 30m 이내)에서 12.9GW(50m 이내)까지 조사되고 있다. 현재 추진 중인 서남해 해상풍력단지(전북 부안~전남 영광 해상지역)는 한반도 전체 풍황을 비롯해 수심, 계통연계성, 이격거리, 확장성 등을 조사해 우선개발지역으로 선정된 것이다.

제주지역의 경우 2GW 규모의 해상풍력단지가 개발될 것으로 예상되며, 현재 대정(200MW, 남부발전), 한림(100MW, 한국전력기술), 탐라(30MW, 포스코에너지), 행원(60MW, 남동발전) 등의 해상풍력단지 개발이 추진 중에 있다.

유지보수 고려한 해상풍력시스템 개발
<이종문 현대중공업 풍력발전연구실장>

현대중공업은 한국을 비롯해 미국, 유럽 등 전 세계에 풍력발전시스템 50기 100MW 이상을 공급했다. 2010년 4월 준공된 군산 풍력공장은 연간 600MW 규모의 풍력시스템을 생산할 수 있는 라인을 갖추고 있다.
지난 3월 제주 김녕단지에 5.5MW 해상풍력시스템 시제품 설치를 마치고 본격적인 시운전에 들어갔다. 올해 연말까지 형식인증을 완료할 계획이다.

현대중공업이 5.5MW 해상풍력시스템 개발 과정에서 가장 역점을 둔 부분은 경제성이다. ▲제작원가 절감 ▲성능 향상 ▲유비보수 비용 최소화 등에 초점을 맞췄다.

5.5MW 해상풍력시스템은 블레이드 길이 68m, 로터 지름 140m, 타워 길이 100m, 총 무게 682톤, 운전풍속 3.5m/s~25m/s(정력풍속 11.75m/s) 등의 제원을 가지고 있다.

해상풍력 특성에 맞춰 태풍에 대비해 풍속 62.5m/s까지 견딜 수 있도록 설계됐으며, 내구성 강화를 위해 영구자석형 발전기와 기어박스의 설계수명을 터빈 설계사양보다 긴 25년에 맞췄다.

5MW급 해상풍력시스템 가운데 가장 긴 블레이드를 적용하는 동시에 시스템 상부(나셀·허부·블레이드)의 중량을 경량화해 발전량 확대는 물론 사업자의 공사비 부담까지 줄일 수 있는 특징을 가진다.

또 염분이 포함된 외부공기가 나셀 내부로 유입되지 않도록 밀폐식 구조로 제작됐으며, 유지보수의 어려움이 있는 해상풍력설비의 취약점을 고려해 나셀과 타워 내부에 크레인이 설치돼 있다. 특히 나셀 상단에 Helideck를 부착할 수 있도록 설계돼 헬리콥터를 이용한 접근이 가능하다.

풀림방지 너트로 조임 상태 반영구 지속
<문상렬 임진에스티 이사>

지난해 몽골과 중국에서 블레이드 볼트가 부셔지는 사고가 발생하는가 하면 최근 몇 년간 타워 연결부위의 볼트 이상으로 타워가 붕괴되는 사고가 여러 건 발생했다. 풍력시스템의 경우 블레이드 회전에 따른 진동을 비롯해 외부 바람에 의한 진동이 심해 너트의 조임 상태가 유지되기 어렵기 때문이다.

풀림방지 너트(세이퍼락) 개발로 국내외(한국·일본·중국) 특허까지 보유한 임진에스티는 현재 고려대학교와 공동으로 볼트 풀림이 풍력발전에 미치는 영향에 관한 연구과제를 진행 중이다.

풍력시스템 인증기관인 DNV에서는 풍력용 볼트 연결은 EN 1993-1-1, AISC LRFD Manual 등의 국제표준을 따르도록 하고 있다. 국제표준에 따른 풍력용 볼트의 설계 기준은 마찰접합과 지압접합이 있다.

마찰접합이란 고장력 볼트로 체결 시 볼트의 체결력(Pretension)에 의해 접합면에 압축력이 발생하게 되는데 이러한 압축력이 접합면에 마찰력을 발생시켜 볼트가 풀리기 않도록 하는 접합방식을 의미한다. 체결력이 충분히 작용하지 않을 경우 접합면의 마찰력이 손실돼 볼트가 풀리게 된다.

지압접합은 연결부재의 상대적인 미끄러짐이 볼트 구멍과 볼트 몸체 사이의 접촉면에 발생하는 지압력과 볼트 몸체에서 저항하는 전단력에 의해 볼트를 고정하는 방식이다. 볼트 체결의 이완이나 볼트 구멍의 확대, 피로 파괴 등 연결부의 성능 감소가 발생하기 쉬운 단점이 있다.

로터와 블레이드 연결부 또는 타워 연결부에 사용하는 볼트가 풀릴 경우 체결력이 감소해 불균형 하중 작용이 증가하는 동시에 피로 파괴 확률이 증가한다. 볼트는 초기 장력이 작을수록 피로 파괴에 취약해져 변위가 크게 발생한다.

500kN의 초기 장력이 작용할 때 70도 가량 볼트가 풀리게 되면 초기 장력은 완전 손실된다. 초기 장력이 손실되기 전까지는 볼트 풀림에 따른 접합부 변위가 크게 나타나지 않지만 초기 장력 손실 이후에는 볼트 풀림이 발생하면서 피치(pitch)만큼 접합부가 분리돼 변위가 발생하게 된다.

세이퍼락(풀림방지 너트)은 풍력발전시스템이 점차 대형화되고 있는 추세에 맞춰 플랜트의 안전성 보장은 물론 유지보수 비용 절감에 적합한 부품이다. 특히 사고를 사전에 예방한다는 측면에서 반드시 적용해야 할 부품이다. 현재 포스코, 철도시설공단, 남부발전 등 대형 플랜트 현장에 공급되고 있다.

세이퍼락의 원리는 3차원 스프링을 이용한 풀림방지 기술로 스프링에서 진동에너지를 흡수하면 자동으로 잠금 토크로 전환돼 조일 때는 마찰력이 감소하고 풀릴 때는 마찰력이 증가하게 된다.

대칭형 블레이드 설계로 저풍속 운전 실현
<오영록 에너윈코리아 대표>

에너윈코리아가 소개한 소형풍력발전의 가장 큰 특징은 블레이드가 대칭형 구조로 설계된 점이다.

자체 개발한 SAW(Symmetric Airfoil Blade Wind Power; 대칭형 에어포일 풍력발전) 신기술을 적용한 수평축 소형풍력발전기는 동일한 폭과 두께로 제작된 에어포일 블레이드의 피치(pitch) 각을 제어해 발전하는 방식이다. 지난해 5월 국내 특허등록을 마치고 현재 미국과 일본, 중국, 유럽(18개국) 등에 특허출원 상태다.

SAW 기술을 적용한 풍력발전기는 흐름 차단 효과(flow interception effect)와 풍속 증가 효과(effects of increased wind speed)를 통해 1.5배 높은 발전효율을 낼 수 있다. 또 피치 각을 0~90°까지 자동으로 조절함으로써 저풍속(1.5~4m/s)에도 운전이 가능해 설치장소 제한이 적은 편이다. 이러한 피치 각 제어는 고풍속 시 설비의 안전성을 확보한다는 점에서도 눈에 띄는 기술이다. 특히 풍력시스템의 크기가 줄어들어 가격경쟁력까지 갖추고 있다.

기존 비대칭형 블레이드 구조의 풍력발전은 대칭형 구조에 비해 상대적으로 효율이 낮을 뿐 아니라 고풍속 시 안전성에 문제가 발생하고, 저풍속 시에는 가동이 안 되는 단점이 있다.

에너윈코리아는 현재 정부 연구과제로 3kW 대칭형풍력발전 상용화 기술개발을 수행 중에 있으며, 향후 30kW 소형풍력에 이어 1MW급 이상의 대형풍력 개발을 추진할 계획이다.


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