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전 세계 해상풍력 시장은 2016 년 말까지 총 12,913MW 용량을 축적하였으며 가장 주목할 만한 점은 2016년 이후 중국 및 유럽을 중심으로 해상풍력에 대한 연간 설치 용량이 급격히 증가하였다. 상업용 풍력 터빈 모델을 기반으로 한 유럽 시장은 최근 6MW에서 8.4MW까지의 터빈 등급을 가진 대형 풍력 터빈을 주 모델로 채택하고 있으며 아시아의 경우 정부중심의 풍력 터빈 시장 활성화 및 국내 해상 풍력 기술 개발을 위한 조치를 취하였으며, 특히 중국은 계획된 프로젝트 규모, 개발 잠재력 및 정부 지원면에서 아시아뿐만 아니라 세계의 해상 풍력 시장의 선두 주자로서 급속히 부상하고 있다. 최근, 대한민국의 새 정부는 해상 풍력을 포함한 재생 가능 에너지로의 주요 전환과 2017년 원자력 및 석탄 발전소의 단계적 폐지를 발표하였다. 대한민국은 2030년까지 대한민국이 20 %의 재생 가능 에너지 달성을 목표로 하고 있으며 이 에 따라 목표달성을 위한 대안으로 해상풍력이 대두되고 있다. 최근 제주도의 Tamra Offshore Wind Power 프로젝트를 통하여 3MW급 해상풍력발전기 10기를 설치완공 하여 완공하였으며, 2022 년까지 해양 풍력 발전 단지 5 곳을 추가로 건설 할 계획임을 밝혔다.
이렇듯 전세계적으로 해상풍력에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 대형 풍력의 경우 터빈 서비스 비용의 절감 및 발전비용의 절감 등과 같은 이점을 통해 해상풍력발전에 대한 풍력터빈 대형화에 초점을 두고 연구 중에 있다. 대표 풍력제조회사인 Vestas사의 경우 V164 8MW 터빈을 2017년 초에 성공적으로 완료하는 등 풍력제조회사를 중심으로 대형 풍력터빈에 대한 개발이 이루어 지고 있다. 그러나 5∼8MW 범위에 대해서는 현재의 ...

전 세계 해상풍력 시장은 2016 년 말까지 총 12,913MW 용량을 축적하였으며 가장 주목할 만한 점은 2016년 이후 중국 및 유럽을 중심으로 해상풍력에 대한 연간 설치 용량이 급격히 증가하였다. 상업용 풍력 터빈 모델을 기반으로 한 유럽 시장은 최근 6MW에서 8.4MW까지의 터빈 등급을 가진 대형 풍력 터빈을 주 모델로 채택하고 있으며 아시아의 경우 정부중심의 풍력 터빈 시장 활성화 및 국내 해상 풍력 기술 개발을 위한 조치를 취하였으며, 특히 중국은 계획된 프로젝트 규모, 개발 잠재력 및 정부 지원면에서 아시아뿐만 아니라 세계의 해상 풍력 시장의 선두 주자로서 급속히 부상하고 있다. 최근, 대한민국의 새 정부는 해상 풍력을 포함한 재생 가능 에너지로의 주요 전환과 2017년 원자력 및 석탄 발전소의 단계적 폐지를 발표하였다. 대한민국은 2030년까지 대한민국이 20 %의 재생 가능 에너지 달성을 목표로 하고 있으며 이 에 따라 목표달성을 위한 대안으로 해상풍력이 대두되고 있다. 최근 제주도의 Tamra Offshore Wind Power 프로젝트를 통하여 3MW급 해상풍력발전기 10기를 설치완공 하여 완공하였으며, 2022 년까지 해양 풍력 발전 단지 5 곳을 추가로 건설 할 계획임을 밝혔다.
이렇듯 전세계적으로 해상풍력에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 대형 풍력의 경우 터빈 서비스 비용의 절감 및 발전비용의 절감 등과 같은 이점을 통해 해상풍력발전에 대한 풍력터빈 대형화에 초점을 두고 연구 중에 있다. 대표 풍력제조회사인 Vestas사의 경우 V164 8MW 터빈을 2017년 초에 성공적으로 완료하는 등 풍력제조회사를 중심으로 대형 풍력터빈에 대한 개발이 이루어 지고 있다. 그러나 5∼8MW 범위에 대해서는 현재의 유틸리티를 확대하여 충분히 달성 할 수 있는 것으로 예상되나 12MW 이상의 풍력 터빈에 대해서는 터빈의 상단부 무게급증에 의해 기술개발의 한계에 도달해있다.
이러한 기술적 한계를 극복하기 위한 대안방안으로 초전도 기술을 접목한 초전도 풍력발전기를 제안하게 되었다. 초전도 풍력발전기는 일반 구리계자코일 또는 영구자석 대신 초전도 계자코일을 활용하여 일반 발전기에 비해 2~3배 이상의 자장을 발생시켜 동일 출력 대비 발전기의 무게와 크기를 약 1/2배 가량 줄일 수 있게 된다.
현재 많은 연구진들은 이러한 초전도 풍력발전기에 대한 연구를 진행하고 있으며, 대표적인 연구 로 써, 유럽의 EcoSwing Project와 SUPRAPOWER Project가 있다. EcoSwing의 경우 2015년부터 Horizon 2020 research and innovation programme의 지원을 받아서 시작된 정부과제로 써, 3.6MW, 15rpm, 128m rotor의 고온 초전도 풍력발전기를 전체 설계 및 제작, 실증하게 되며 기어박스가 없는 직접구동방식으로 전력변환 장치를 통해 운전하고 실제 풍력터빈에 탑재까지 시행하는 프로젝트이다. 전 세계적으로 초전도발전기 관련 프로젝트 중 가장 큰 규모이며 제작될 발전기 용량 또한 최대 규모이다. SUPRAPOWER의 경우 2014년부터 2017년까지 총 5.4M유로가 투자된 프로젝트로 써, 10MW급 초전도 풍력발전기를 설계하고 프로토타입 모듈코일을 제작 및 테스트 하는 프로젝트이다. 2017년 최종 과제발표를 성공적으로 마쳤으며, 향후 이 결과를 토대로 대형 초전도 풍력발전기에 대한 제작을 기획할 계획임을 밝혔다.
이렇듯 초전도 풍력발전기에 대한 연구가 유럽을 중심으로 계속적으로 이루어지고 있으나, 대형화를 위한 목표는 아직까지 도달하지 못하고 있는 실정이다. 대표적으로 고토크에 의한 기계적 강도문제를 들 수 있으며, 초전도 풍력발전기의 경우 토크에 의한 높은 로렌츠 힘은 초전도 코일의 퀜치현상에 큰 영향을 끼치며 이는 오늘날까지도 극복해야 될 숙제로 남아있다. 그러므로, 이러한 장애를 극복하기 위해서는 부하 분석 (또는 기계적 분석)이 필수적이며 높은 토크를 견딜 수 있도록 초전도 풍력발전기의 새로운 구조 설계가 제안 되어야 한다.
본 논문에서는 대용량 풍력터빈을 위한 초전도 풍력발전기의 설계 및 구현에 관한 연구이다. 대용량 초전도풍력발전기 설계에 앞서 초전도 풍력발전기 설계에 대한 설계 프로세스를 확립하고 이에 따른 설계 프로세스의 적용가능성을 증명하기 위하여 프로토 타입의 10kW 초전도 발전기를 설계, 제작 및 테스트를 진행하게 된다. 설계 프로세스를 토대로 10kW 초전도 풍력발전기에 대한 전자기, 열적, 기계적 해석을 우선 진행을 하였으며 이를 바탕으로 실제 모델을 제작, 출력특성을 통해 시뮬레이션 결과와 비교 분석을 진행하였고 결과적으로 기존 설계 프로세스의 타당성이 입증되었다. 이후 12MW급 대용량 초전도 풍력발전기에 대한 설계를 제안하고 분석하였다. 제안된 모듈화 방식을 초전도 풍력발전기를 설계 프로세스에 따라 먼저 전자기 분석을 진행하며 결과를 기반으로 초전도 발전기 모듈의 열적 및 기계적 분석이 수행하였다. 분석의 주요 포인트는 구조를 통한 열전달을 최소화하고 발전기의 토크 또는 로렌츠 힘을 견디는 초전도 계자코일의 서포터 구조 설계이다. 본 논문에서는 열전달을 최소화 시키며 기계적 스트레스를 줄일 수 있는 구조물을 설계 하였으며, 결론적으로 본 지지 구조물에 대한 기계적 스트레스 강도는 일반 구조물의 형태보다 감소하였으나 여전히 허용치보다 높은 스트레스 값을 보였다. 따라서 향후 허용 응력 이하의 기계적 응력을 줄이기 위한 초전도코일 지지물의 재설계 또는 새로운 구조가 고려 될 것이다.
제안된 지지 구조물이 아직까지 높은 로렌츠 힘을 극복하지 못하였기 때문에 대용량 풍력터빈을 위한 초전도 풍력발전기 구현은 아직 시기상조이다. 그러나 확립된 설계 프로세스는 초전도 풍력발전기를 설계하는데 있어 효과적으로 활용 될 수 있으며, 장기적 안목에서 향후 대용량 초전도 풍력발전기 구현을 위한 방향을 제시 할 수 있다.

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