[논문]공중 풍력발전 기술개발 현황 및 시장전망

강승원; 길두송; 박동수; 정원섭; 김의환

doi:10.7849/ksnre.2011.7.2.036

공중 풍력발전 기술개발 현황 및 시장전망
Technical Development Status and Market Prospects for High Altitude Wind Power Generation System 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.7 no.2, 2011년, pp.36 - 42

강승원 (한전전력연구원 녹색성장연구소) , 길두송 (한전전력연구원) , 박동수 (한전전력연구원) , 정원섭 (한전전력연구원) , 김의환 (한전전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The wind speed at the altitude around 300 m is much higher and less variable than at the altitude around 80 m which is the same height of the MW class tower turbine's hub height. The wind power density is increased 0.37 W/$m^2$ per meter at the altitude around 6 to 7 km and 0.25 W/$m^2$ per meter at the altitude around 80 to 500 m. There are two types of power generation systems using lifting bodies. The one is that The generator is installed in the ground station and stretched into the lifting body through the tether. The other is that the generator is installed in the lifting body and stretched into the ground station through the tether. Many kinds of lifting bodies are also researched in the world, called kites, wings, single or twin aerostat, and so on. This article introduced the technical development status and the market prospects of the high altitude wind power generation system all over the world in detail.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 공중 풍력발전은 향후 화석연료를 대체할 차세대 재생에너지라고 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 공중 풍력발전의 국내외 기술개발현황과 향후 시장전망 및 상업화계획 등을 제시하고자 하였다.
한편, 한전 전력연구원에서도 2014년까지 독자 모델의 200kW급 공중 풍력발전기 개발을 목표로 하고 있으며 2015년부터는 본격적으로 시장공략에 나설 계획이다. 최초 상용화 모델의 제품판매단가는 250만원/kW를 목표로 하고 있으며 2020년까지 전 세계 풍력발전시장의 1%를 공중 풍력발전으로 대치하여 2조원의 매출을 올리는 것을 목표로 삼고 있다.
따라서 기존의 전력선을 이용할 경우 높은 자체 중량을 극복하기 위해 비행선의 크기가 증가하게 된다는 약점을 지니고 있다. 캐나다 마겐파워(Magenn Power)사는 이를 극복하기 위해 구리 전력선의 외피에 벡트란(Vectran)을 적용함으로써 중량감소와 인장강도의 증가를 이루고자 하였다. 표 2는 100kW 공중 풍력발전기의 주요사양을 나타내고 있다.

제안 방법

AWP(Aero Wind Power)로 불리우는 공중 풍력발전기는 고도 300m 높이에서의 풍력발전을 목표로 하고 있으며, 캐나다 마겐파워(Magenn Power)社와는 달리 쌍동선 형태로 제작된 부양체의 가운데에 발전기가 위치하고 있다. 또한 부양체 외벽의 파손으로 인한 추락을 방지하기 위해 부양체 내부를 선박과 같이 다수의 격벽으로 구성하였으며, 발전기는 기동토크(Cogging Torque)가 매우 낮은 AFPM(Axial Flux Permanent Magnetic)발전기를 채택함으로써 발전효율을 향상시켰다.
그림 6은 캐나다 마겐파워社에서 2008년 4월 실증시험을 위해 100m 높이로 부양된 10kW급 풍력발전기이며, 당시 가장 큰 애로기술은 풍향 및 풍속의 변화에서도 비행선이 안정적 회전을 유지할 수 있도록 하는 부분과 지상과 연결된 전력선의 무게를 경량화 하는 것이었다. 비행선의 자세안정화는 외벽에 설치된 안내깃의 형상과 위치를 그림에 도시된 바와같이 수정함으로써 해결되었으며, 고장력 전력선의 중량은 고강도 폴리아크릴레이트 섬유인 벡트란(Vectran)을 적용함으로써 극복하고자 하였다. 공중 설치형 발전기의 경우 발전기가 고공에 위치하는 관계로 지상과 연결된 전력선에는 높은 인장력이 작용하게 되며 전력선 자체 중량 역시 운전고도에 따라 급속하게 증가하게 된다.

대상 데이터

이때 소비되는 전력은 발전량의 약 12%에 해당하는 것으로 보고되었다. 개발팀은 2007년 이태리 토리노에서 40kW급의 시제품을 이용한 실증시험을 수행하였으며, 시제품의 연면적은 10m², 연결선의 최대 도달고도는 800m이었다. 그림 10은 이탈리아 카이트젠 모델의 외형을 보여주고 있다.
연구에 사용된 기상자료는 1979년부터 2006년까지 측정된 것으로서, 최고의 풍력밀도는 대류권과 성층권의 경계층인 대류권계면에 해당하는 고도 8∼10km에 존재하는 것으로 분석되었다.
캐나다 마겐파워社의 경우, 2010년 하반기나 2011년 상반기 중 100kW급 상용화 제품을 시장에 출시할 예정이었으나, 아직까지 실제 보급여부는 확인되고 있지 않다. 예상판매가는 500만원/kW로 동급 타워형 풍력발전의 100만원/kW 대비 열위에 있는 편이다. 또한 국내 진원 인더스트리社의 AWP 100kW급 모델의 경우에도 예상판매단가를 300만원/kW로 제시하고 있어, 동급 타워형 풍력발전 대비 열위에 있는 것이 사실이다.

성능/효과

(1) 고공의 풍력자원은 지상의 풍력자원에 비해 수배의 빠른 풍속과 일관된 방향성을 가지고 있어, 기술개발에 의한 경제적 가치는 매우 클 것으로 전망된다.
(2) 본 공중풍력발전의 초기시장은 주로 도서지역이나 사막지역, 광산지역, 고지대, 빙하지역 등 계통과 격리된 지역을 대상으로 틈새시장이 열릴 것으로 전망되며, 중장기적으로는 기존의 육상 풍력발전시장을 점차적으로 대체하는 방향으로 확대될 것으로 전망된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 지상 300m 이상의 고공에서 부는 바람을 이용한 풍력발전기술은 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있기는 하나, 아직까지 상용화에 성공한 사례는 없으며 대부분 기초연구단계나 상용화준비단계에 머물고 있음을 알 수 있었다. 또한 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

후속연구

(4) 본 공중풍력발전기술은 융·복합기술에 가까우며 제품의 조기상용화를 위해서는 신뢰성과 내구성을 우선적으로 확보한 후, 부품과 소재의 국산화와 보급 확대 등을 통해 제조원가를 점진적으로 낮추어 가는 전략이 필요하다.
(5) 본 공중풍력발전 기술개발을 위해서는 고공에서의 정확한 풍력자원에 대한 조사연구와 관련법령 및 인허가 등의 조사연구가 병행되어야 한다.
반면, 하늘 위의 바람은 지상에서 부는 바람보다 빠르고 풍향이 자주 바뀌지 않아 활용 가능성이 훨씬 높다. 따라서 공중 풍력발전은 향후 화석연료를 대체할 차세대 재생에너지라고 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 공중 풍력발전의 국내외 기술개발현황과 향후 시장전망 및 상업화계획 등을 제시하고자 하였다.
또한, 한전전력연구원에서도 국내에서는 두 번째로 2011년 1월부터 2014년 12월까지 독자 모델의 200kW급 공중 풍력발전시스템을 개발할 계획이다. 본 과제의 사업비는 100% 자체 재원으로 확보할 예정이며 국내 산업체 및 연구기관과 공동으로 추진할 계획이다.
또한, 한전전력연구원에서도 국내에서는 두 번째로 2011년 1월부터 2014년 12월까지 독자 모델의 200kW급 공중 풍력발전시스템을 개발할 계획이다. 본 과제의 사업비는 100% 자체 재원으로 확보할 예정이며 국내 산업체 및 연구기관과 공동으로 추진할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공중 풍력발전시스템은 무엇으로 구성되는가?	공중 풍력발전은 지상으로부터 300m 이상의 고공에 비행체, 연, 닻 등의 부양체를 띄워 공중에서 부는 바람의 일정한 방향성과 빠른 속도를 이용하여 전기에너지를 얻는 기술이다. 공중 풍력발전시스템은 부양체, 터빈발전장치, 테더, 계류장치, 전력변환장치, 시스템 종합제어 및 감시장치 등으로 구성된다. 그림 1은 공중 풍력발전시스템의 핵심기술을 나타내고 있다.
	공중 풍력발전이란?	공중 풍력발전은 지상으로부터 300m 이상의 고공에 비행체, 연, 닻 등의 부양체를 띄워 공중에서 부는 바람의 일정한 방향성과 빠른 속도를 이용하여 전기에너지를 얻는 기술이다. 공중 풍력발전시스템은 부양체, 터빈발전장치, 테더, 계류장치, 전력변환장치, 시스템 종합제어 및 감시장치 등으로 구성된다.
	공중 풍력발전방식은 어떻게 2가지로 구분되는가?	또한, 공중 풍력발전방식은 크게 2가지로 분류된다. 즉, 발전기가 지상에 설치되는 경우와 고공에 설치되는 경우로 구분된다. 발전기가 지상에 설치되는 경우에는 연, 닻 등의 기구에 의해 테더가 이완되면서 발전기 회전자를 구동하여 발전을 하고 이완된 테더는 모터의 구동에 의해 다시 되감기는 구조를 하고 있다.

참고문헌 (8)

C.L.Archer, M.Z.Jacobson, Evaluation of Global Wind Power, J. Geophys. Res. 110, D12110, 2005.

상세보기
M.Canale, L.Fagiano, and M.Milanse, IEEE Control Systems Magazine,2 5-38, Dec.2007.
www.aerowindpower.com
C.L.Archer, K.Calderia, Global Assessment of High-Altiude WindPower, Eneres, 2,307-319, 2009.
김석우, 김현구, 고공 풍력발전 기술개발 현황, 한국태양에너지학회, Vol. 30. No. 1, pp. 19-24, 2010.
www.magenn.com
www.kitegen.com
www.awec2010.com

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