풍력발전기는 회전날개를 이용하여 자연의 바람에너지를 기계적인 운동에너지로 변환시켜 발전하는 방식의 발전기를 의미한다.
이러한 풍력발전기는 무한정으로 비용이 들지 않는 청정에너지원인 바람을 이용해 발전할 수 있는 장치로서, 화석에너지 고갈에 대한 대체 에너지원과 지구환경보호라는 환경적 측면, 에너지 수입 의존도를 낮추고 발전시스템 설치면적을 줄이는 동시에 전력 생산단가를 낮출 수 있는 경제적 측면에서 그 효용가치가 매우 크다고 할 수 있다.
특히, 국가적 환경이슈인 탄소배출권 문제를 놓고 전 세계적으로 신재생에너지와 관련한 설치의무화 및 융자지원 정책이 가속화 되면서 국내ㆍ외 시장이 급속도로 증가되는 추세이다.
현재 세계 풍력업계를 지배하는 메이저 업체들은 대부분 5MW, 10MW 등 초대형 풍력 터빈 개발에 사활을 걸고 있다. 그러나 최근 국내의 한 중소기업에 의해 출력이 적은 소형 터빈으로 바람에 대한 발전효율을 극대화하고 고장률을 줄여 관리비용을 낮춤으로써 전력 발전 수익 창출에 훨씬 유리한 제품이 개발돼 화제가 되고 있다.
특이한 구조의 회전날개로 발전효율 드높여
이노시스템(주)(대표 박재훈)에 의해 연구 개발된 ‘도심형 소형 풍력발전시스템’은 풍력발전시스템에 최첨단 프로세서를 장착해 스스로 최적의 발전효율을 찾고 고장난 부위를 고치는 등 인공지능을 갖춘 신개념 풍력발전시스템이다.
뿐만 아니라 도심의 빌딩숲속이나 공원의 가로등, CCTV 등에 전력을 공급해 가동시킬 수 있어서 사용가능 범위를 확대 적용할 수 있는 효율적인 발전시스템이라고 할 수 있다.
종래의 풍력발전기에 주로 사용되는 일반적인 회전날개는 2~6엽의 블레이드이며, 풍력발전기에 관한 기술개발은 이러한 블레이드의 형태와 크기를 다양하게 변형시키는 방향으로 진행돼 왔었다.
다만 종래의 풍력발전기 회전날개는 발전의 효율성 및 경제성 면에서 해안이나 산악지형에서 횡방향으로 강하게 불어오는 바람을 맞아 회전하도록 구성되었을 뿐, 도심의 건물이나 국지적 온도차 등에 의한 난류(亂流)를 회전운동에너지로 바꾸기 위한 시도는 거의 없었다.
특히 지면으로부터의 상승기류를 발전(發電)에 활용하기 위한 연구는 이루어진 바 없다.
따라서 이노시스템의 ‘도심형 소형 풍력발전시스템’은 도심에서의 매우 불규칙한 풍향과 풍속 및 풍량에 효율적으로 적응하도록 설계되었다고 한다.
즉, 미풍 및 와류에도 회전이 가능한 나선형 회전날개가 내부날개와 외부날개로 구성돼 에너지효율을 극대화시켜 발전하는 원리다.
또한 발전기의 원격제어 및 감시관리가 가능한 모니터링시스템의 개발을 통해 효율적인 에너지 관리가 가능토록 한 도심형 풍력발전기다.
2007년 초부터 연구 개발을 시작해 올해 현재 4개 모델이 개발된 도심형 소형 풍력발전시스템의 핵심기술은 크게 3가지로, 첫째는 기존의 프로펠러형 발전기와 달리 발전기용 회전날개에 관한 것으로, 종방향의 회전축과 그에 결합된 판형부재가 회전축을 기준으로 서로 반대방향으로 오목하게 굴곡진 바람맞이 면을 형성하고, 상부와 하부가 90°를 이루도록 비틀린 형태라는 점이다.
이는 도심에서의 난류나 상승기류 등을 이용하기 적합한 구조라는 것이다.
둘째는 최적의 효율성을 높인 발전기 및 인버터로 다양한 소형발전 터빈에 적합하도록 설계하여 저속풍향에서도 발전이 가능하며 에너지 변환시 손실을 최소화함으로써 설치 및 유지비를 절감할 수 있다.
또한 축전지의 과방전 방지기능이 있으며 직류전기를 PWM 방식으로 변환하여 안정적 전기를 공급하도록 설계됐다.
세번째는 제품에 CDMA, PLC통신모듈을 붙여 중앙통제실에서 모니터링 할 수 있도록 시스템으로 구성해 내구수명을 30년 이상으로 관리할 수 있도록 효율성을 높이고 자가진단 등을 할 수 있는 시스템이라는 점이다.
한국적 곡선미와 태극문양의 구조
특이한 디자인의 외부 회전날개 구조는 ‘조선백자 달항아리’의 넉넉하고 푸근한 한국적 정서를 적용했다.
달항아리의 한국적 곡선미를 살려 풍력발전기의 회전날개를 형상화한 것이다.
이는 공원 등을 이용하는 사람들에게 시야를 확보하여 자연경관을 해치지 않고 자연과 어우러지는 디자인을 가능케 한 것으로, 회전자가 돌며 원심력을 발생시켜 지속적인 회전이 가능토록 설계돼 발전효율을 극대화시킬 수 있다고 한다.
또한 내부 날개는 태극문양을 응용, 원통형 회전자의 상ㆍ하부에 어긋나게 배치하여 도심에서의 맴도는 바람이나 어느 방향에서든 불어오는 바람을 집적시켜 이중구조인 회전날개를 가동시킨다.
이러한 회전날개의 원활한 작동을 위한 방편으로 먼지 등의 이물질로부터 고장을 줄이기 위해 기기자체에 정전기 방지를 위한 특수코팅을 함으로써 이물질이 바람에 잘 날려가고 쌓이지 않으며 마찬가지로 회전자와 고정자 사이에도 이물질이 끼이지 않도록 고안되었다.
모니터링시스템 통한 유지관리
이노시스템(주)의 박재훈 대표는 “도심형 소형 풍력발전시스템에 가로등을 접목시킨 ‘풍력발전 가로등’의 경우 태양광판넬을 추가한 ‘하이브리드 가로등’도 제작하고 있으나 객관적으로 태양광판넬의 효율이 극히 미미하기 때문에 신재생에너지에 대한 교육, 홍보용으로 활용하고 있다”고 말하고 “근본적으로는 풍력에 의한 발전능력이 더 탁월하다”고 밝혔다.
기기의 유지보수에 있어서는 기본적으로 품질관리를 위한 모니터링시스템을 지속적으로 체크하여 문제발생시 즉시 해결할 수 있도록 하고 있으며 제작, 설치, 검수 후 품질보증 기간을 1년으로 하고 이 기간 내에는 필요한 성능조정 및 소모품 교환 등의 모든 사항을 무상으로 책임진다고 한다.
또한 하자기간 완료 후에도 기기의 운영 실태와 부속품의 수명을 고려해 소요부속품을 항상 적정 수준으로 보유하고, 요구시 즉각 공급하기 위해 만전을 기하고 있다고 한다.
해외시장 개척 부문에 대해 박 대표는 “최근 중국 강소성 회안시에 1만대를 수출하기로 계약했다”고 밝히고, “생산초기라 기기가격이 다소 높은 감이 있으나 향후 국내수요와 수출물량의 점진적인 증가가 예상되기 때문에 양산시스템을 통한 원가절감으로 소비자가격을 낮춰나갈 계획”이라고 밝혔다.
저탄소 녹색 풍력발전
시장조사 전문기관인 ‘Clean Edge’의 최근 자료에 따르면 지난해 전세계 청정에너지 시장규모는 총 1159억 달러로 2007년의 758억 달러 규모에 비해 52.9%의 높은 성장을 기록하고 있다.
이중 풍력시장은 지난해 514억 달러 규모로 2007년 301억 달러 규모에 비해 약 71% 증가하였으며, 특히 전체 클린에너지 섹터 중 1개 부문에서 500억 달러 이상의 매출을 기록하였으며 2018년까지 글로벌 풍력시장은 1391억 달러 규모로 확대될 것으로 예상돼 크린에너지에 대한 관심은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
국내의 풍력산업시장은 다양한 녹색성장 지원정책으로 현재 고속성장의 초입단계에 진입한 것으로 판단된다.
특히 한전의 발전자회사들과 지자체가 중심이 돼 풍력발전 단지 건설을 적극적으로 추진하고 있고 이 과정에서 국내 풍력터빈메이커들이 성공적으로 시장에 진입할 가능성이 높아지고 있는 것이다.
따라서 ‘도심형 소형 풍력발전시스템’은 기본적으로 장소와 바람을 구별치 않고 발전하여 공원이나 도시의 가로등에 접목할 수 있고, 일정규모의 전력을 필요로 하는 기기에도 다양하게 활용할 수 있어 저탄소 녹색시대에 안성맞춤인 기기로 기대를 모으고 있다.