풍력 발전의 모든 것 - 풍력 발전 설비의 설계

풍력 발전 설비 설계

풍력발전설비를 설계 계획할 때의 주의점을 설명합니다. 풍력발전설비에는 2~3kW 정도의 소형 제품부터 전력회사의 발전소에도 이용되고 있는 메가와트급 규모까지 다양하지만 여기에서는 메가와트 규모의 제품이 아니라 수용가 내에 설치되는 풍력발전설비에 관해 설명합니다.

 

주택 용도나 빌딩 등의 업무 시설의 도로나 옥상에 설치되는 풍력 발전은 프로펠러형으로 3kW 정도의 발전량을 예상할 수 있는 것으로부터 조명 기구 일체로서 정음성을 중시한 사보니우스형 등이 있지만 어느 것도 풍황이 좋지 않은 도심부에서는 큰 발전량을 바라볼 수 없기 때문에 친환경 설비로서의 자리매김이 중요합니다.

 

풍력발전설비에 필요한 풍속

풍력발전설비는 이름 그대로 바람을 받지 않으면 발전할 수 없습니다. 도심부의 풍속은 3m/s 정도밖에 얻을 수 없기 때문에 도심부에 설치되어 있는 풍력 발전 설비로 실용화할 수 있을 만큼의 발전량을 확보할 수 없습니다.

 

가장 발전효율이 좋은 프로펠러형 풍차는 발전을 시작하는 '컷인 풍속'이 2~2.5m/s로 비교적 높습니다. 3m/s의 바람에서는 풍차가 돌기 시작하는 정도이며 정격 출력을 기대하는 것은 곤란합니다. 풍속 1~2m/s에서는 회전을 시작하지 못하고 정지 상태이며 발전은 시작조차 못합니다.

 

정격출력을 얻기 위해서는 12.5m/s의 강풍을 안정적으로 받아야 합니다. 풍력발전으로 안정된 발전을 하기 위해서는 풍황 조사가 필수적입니다. 해안가나 산간 지역 등 상시 풍속 7.0m/s 이상의 안정된 바람을 얻을 수 있는 환경이면 충분한 발전량을 예상할 수 있습니다. 도심부에서 이러한 강풍은 어렵고 충분한 발전량을 얻을 수 없습니다.

 

풍력발전설비를 계획 및 제안하는 경우에는 설치장소의 수년에 걸친 풍황을 충분히 조사하여 안정된 전력을 확보할 수 있는지 시뮬레이션해야 합니다. 만약 발전량을 얻을 수 없는 경우에도 불구하고 설치를 요구하는 발주처에 대해서는 풍차가 회전하지 않는 경우가 있고 소정의 발전량을 확보할 수 없다는 리스크를 감수할 수 있는지 확인해야 합니다. 이해를 얻지 못하면 풍력 발전 자체의 계획을 중단하는 결정도 있을 수 있습니다.

 

풍력 발전 설비의 번개(낙뢰)에 대한 보호

풍력발전설비는 발전설비에 해당하며 20kW 미만인 경우 일반용 전기 공작물에 해당하는 전기설비로 취급됩니다. 건축 기준법상 건축 설비로서 취급되기 때문에 지표면으로부터 20m를 넘은 장소에 설치하는 경우 피뢰 설비로 풍차 본체를 구성하는 타워 등을 모두 낙뢰로부터 보호해야 합니다.

 

풍력발전설비의 태풍시 강풍으로 인한 블레이드의 손상, 조류의 접촉(버드 스트라이크)에 의한 블레이드 손상 외에 낙뢰에 의한 손상도 대다수를 차지합니다. 강풍으로의 손상 대책은 제조사들이 모두 대책을 내놓고 있어 규정 이상의 풍속이 있을 경우에는 발전을 멈추고 바람을 받지 않도록 블레이드를 측면으로 향하는 대책이 있지만 풍차 본체에의 낙뢰를 풍차 본체만으로 막는 것은 부족합니다.

 

건물의 설계시에 요구되는 소형 풍차라면 피뢰침을 설치하는 것으로 직접적인 낙뢰를 막습니다. 풍차로의 직접 치는 낙뢰를 피해도 뇌전류의 경로는 유도뢰로서 이상 전압이나 전류의 발생원이 되어 접속된 각종 케이블을 통해 풍차에 탑재된 발전기나 통신 기기를 파손시킵니다. 유도 번개의 침입 경로에는 SPD (Surge Protection Device)라고 불리는 피뢰기를 설치하여 낙뢰 전류를 대지로 흘려 보내는 방안이 필요합니다.

 

낙뢰는 도심부 뿐만 아니라 산악지대 해상 등 모든 장소에서 발생합니다. 국내의 낙뢰는 여름보다 겨울철이 에너지를 크게 얻어 피해가 크다고 알려져 있으며 상시 낙뢰로 인한 피해에 노출됩니다.