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신재생에너지 사업

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소형풍력

Hwashin Engineering & Bio Technology

핵심 개념: '소형 풍력발전'이란?
'소형 풍력발전'은 일반적으로 10kW ~ 100kW 규모의 터빈을 사용하는 발전 방식을 말합니다. 30kW 터빈은 이 범주에서 가장 보편적이고 경제성이 높은 중간 규모에 속합니다. 대규모 발전용으로 쓰이는 메가와트(MW)급 풍력 터빈(블레이드 지름 100m 이상)과 비교하면 훨씬 작은 규모입니다.

30kW 소형 풍력발전사업의 특징

통상산업자원부 고시

산업통상자원부가 풍력자원 측정방법을 다양화하고 소형풍력발전단지 설치에 바람상태 측정 의무도 완화하기로 했다.

산업통상자원부는 2018년 10월 10일부터 ‘발전사업 세부 허가기준, 전기요금 산정기준, 전력량계 허용오차 및 전력계통 운영업무에 관한 고시’를 개정해 시행하기로 했다.이번 개정안에는 풍력자원을 계측하는 데 라이다 등 원격 감지계측기를 사용할 수 있도록 근거가 마련됐다. 라이다는 레이저를 쏴 레이저와 대기물질이 부딪쳐 발생하는 신호로 대기상태를 파악하는 장치다.

이번 개정으로 국제기준에서 인정하는 원격 감지계측기로 풍황(바람상태)을 측정해 계측 결과를 제출할 수 있어 풍황자원 계측방법이 다양해졌다.
산업부는 원격 감지계측기로 풍황자원을 측정한 결과도 풍력발전사업 허가 신청에 제출할 수 있도록 고시를 수정했다. 기존에는 고정식 풍향계측타워에서 측정한 결과만 제출할 수 있었다. 산업부는 소형 풍력발전단지를 설치하는 데 풍황계측 의무도 없앴다.

소형 풍력발전단지는 1천 킬로와트 이하의 풍력발전단지로 설치용량이 30킬로와트 이하인 소형 풍력발전기구로 구성된다.

이번 개정으로 소형 풍력발전단지를 설치하려는 사업자는 발전사업허가를 신청하기 전 1년 이상 풍황자원을 측정하고 결과를 제출하는 의무가 없어졌다.

사업 모델

30kW 풍력발전은 주로 자가 소비형 사업 모델입니다. 즉, 생산된 전력을 대규모로 판매하기보다는 사용하는 곳에서 직접 소비하여 전기 요금을 절감하는 것이 주 목적입니다.

주요
적용처

농장, 축사, 양식장 : 야외에 설치 공간이 넓고 연중 전기 사용량이 많은 곳에 적합합니다.

중소규모 공장, 창고 : 생산 시설의 설비 가동에 필요한 전력을 부분적으로 충당합니다.

리조트, 펜션, 관광시설 : 친환경 이미지를 부각하고 에너지 비용을 줄이는 데 효과적입니다.

공공기관, 학교 재생에너지 교육 및 홍보의 목적으로 설치됩니다.

충전 인프라 : 전기차 충전소와 연계하여 '친환경 충전'의 개념을 구현합니다.

기존태양광 발전소 북측 여유 면적 및 지형 활용(7m*7m=49m²)

기술적 사양
(예시)

터빈 규모 : 로터 직경 약 10~15m, 타워 높이 약 20~30m

발전량 : 시간당 최대 30kWh 발전 가능 (풍속에 따라 변동)

연간 발전량 : 평균 풍속 4m/s 지역에서 약 30,000 ~ 60,000 kWh 정도 예상 (설치 위치와 풍황에 따라 크게 차이)

계통 연계 : 발전한 전력을 자체 사용 후 잉여분은 한국전력에 판매(계통연계)할 수 있습니다.

사업의 장점과 단점

장점
01
전기 요금 절감
자가 소비를 통해 고액의 전기 요금, 특히 한전의 고압 수요 전력 요금을 크게 낮출 수 있습니다.
02
친환경 이미지 제고
ESG 경영과 탄소 중립 실천에 효과적이며, 기업이나 시설의 이미지를 높여줍니다.
03
에너지 자립도 향상
외부 전력 공급에 대한 의존도를 낮추고, 정전 시 일정 부분 전력을 확보할 수 있습니다(무정전 장치 구성 시).
04
상대적으로 간단한 허가 절차
대형 풍력발전에 비해 환경영향평가 등 허가 절차가 훨씬 간소합니다.
단점 및 고려사항 (매우 중요)
01
풍속에 따른 변동성
발전량이 풍속의 3제곱에 비례하기 때문에 바람이 약한 경우 예상보다 적게 발전합니다. 그러므로, 반드시 설치 예정지의 정확한 풍황 조사가 필수입니다.
02
초기 투자 비용
터빈, 타워, 설치, 인버터, 계통 연계 비용 등 초기 투자 금액이 높습니다(국가 및 지자체 보조금 지원 여부 확인 필요).
03
유지보수( Maintenance)
정기적인 점검과 부품 교체 비용이 발생합니다. 신뢰할 수 있는 제조사와 A/S 계약이 중요합니다.
04
소음 및 진동
주거 지역과 가까울 경우 소음과 진동으로 인한 민원이 발생할 수 있어 설치 위치 선정이 중요합니다.
05
수익성
5m/sec이상의 풍속이 있어야 하며, 유지보수가 용이해야 합니다

사업 추진 시 고려해야 할 절차 및 사항

  • 1. 구조물 안전성
    풍황 조사 : 설치 예정지의 1년 이상의 평균 풍속, 풍향, 난류 강도를 측정합니다.
    경제성 분석 : 초기 투자비 대비 전기 요금 절감 효과를 계산하여 회수 기간(보통 7~12년)을 산출합니다.
    입지 여건 확인 : 주변 건물, 나무 등 장애물 유무, 소음 영향도, 토지 이용 계약 등 확인
  • 2. 행정 허가 및 지원 신청
    한국전력에 계통연계 신청 : 필수 절차입니다.
    지자체 건축 허가 및 개발 행위 허가 : 타워 높이에 따라 필요합니다.
    보조금 지원 사업 확인 : 한국에너지공단, 지자체별 재생에너지 보조금 프로그램을 확인합니다.
  • 3. 시스템 선정 및 설치
    신뢰성 있는 제조사 선정 : 성능, 사후 관리(A/S), 워런티 조건을 꼼꼼히 비교합니다.
    전문 EPC 업체 선정 : 설계, 조달, 시공을 총괄하는 전문 업체를 통해 진행하는 것이 안전합니다.
  • 4. 운영 및 유지보수
    정기점검을 통한 안전 관리와 효율 유지
    원격 모니터링 시스템을 활용한 실시간 성능 확인

결론

30kW급 소형 풍력발전사업은 전기를 많이 사용하는 농장, 공장, 관광시설 등이 자가 소비를 통해 전기 요금을 절감하고 친환경 경영을 실현하기 위한 현실적이고 효과적인 솔루션입니다. 그러나 풍황에 따른 변동성이 크고 초기 투자 비용이 높으므로, 반드시 전문가를 통한 철저한 사전 타당성 조사와 경제성 분석을 바탕으로 추진해야 성공할 수 있는 사업입니다.

순수 판매 목적의 대규모 사업보다는 에너지의 '생산-소비'가 함께 이루어지는 분산형 전원의 전형적인 사례라고 볼 수 있습니다.

풍력발전 원리(출처:한국에너지공단)

공기의 운동에너지를 기계적인 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 얻는 기술입니다.

시스템 구성
회전자(rotor) : 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치입니다.
- 풍력발전기의 성능에 큰 영향을 미칩니다.
- 효과적인 풍력발전을 위해서는 회전자의 설계가 매우 중요합니다.
날개(blade, 날개는 3개를 사용)
- 1-blade : 소음과 외관상의 문제를 발생, 불규칙한 토크 발생합니다.
- 2-blade : 티터링 모션이 크며 소음과 외관상 문제 발생합니다.
- 3-blade : 티터링 블레이드라고 하는데 대부분의 대형 풍력발전기의 채택, 현재 가장 안정적인 시스템입니다.
공력브레이크 시스템 : 풍력발전기의 주된 브레이크 시스템으로 Stall Control 터빈에 사용되는 전형적인 브레이크 시스템입니다.
- 터빈 및 기계 브레이크 시스템에 과부하를 방지하기 위한 장치입니다.
운전시스템 : 바람의 세기에 관계없이 일정한 전력의 생산이 효율에 큰 영향을 주므로 운전시스템은 매우 중요한 부분입니다.
- 날개의 회전수와 그 패턴에 따라 구분합니다.

풍력발전의 종류

수평축 발전기

수직축 풍력발전기에는 원호 형 날개 2-3개를 수직축에 붙인 다리우스 형(Darrieus type)과 2-4개의 수직 대칭익형 날개를 붙인 자이로밀 형(Gyromill type),
그리고 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스 형(Savonius type) 등이 있다. 수직축 풍력발전기는 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요잉장치가 필요 없으며, 사막이나 평원에는 적합하지만 소재가 비싸고 수평축에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

수평축발전기 종류
프로펠라형 : 날개의 형태가 비행기 날개와 유사하며, 풍력발전기용으로 사용함
세일윙형 : 날개의 형태가 삼각형이며 지중해 지방에서 제분 및 배수에 사용함
네덜란드형 : 유럽에서 14세기초부터 19세기 말까지 제분 및 배수에 사용함
퍼들형 : 단순한 컵형 또는 풍배형 형태이며, 로빈슨 풍속계 이용
수직축발전기

수직축 풍력발전기에는 원호 형 날개 2-3개를 수직축에 붙인 다리우스 형(Darrieus type)과 2-4개의 수직 대칭익형 날개를 붙인 자이로밀 형(Gyromill type),
그리고 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스 형(Savonius type) 등이 있다. 수직축 풍력발전기는 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요잉장치가 필요 없으며,
사막이나 평원에는 적합하지만 소재가 비싸고 수평축에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

수직축발전기 종류
다리우스형 : 일정한 단면형상의 원호형상 날개가 수직축으로서 특이한 구조
자이로밀형 : 수직으로 붙여진 대칭형 브레이드가 풍향에 대해 자동적으로 최적의 반각(영각)을 얻는 구조
사보니우스형 : 핀란드 S.J. 사보니우스에 의해 고안된 풍차로써 반원통의 날개를 마주보게 하여 구동하는 구조
퍼들형 : 단순한 컵형 또는 풍배형 형태이며, 로빈슨 풍속계 이용
크로스플로우형 : 다수의 길고 가느다란 곡면판 브레이드가 상하 원판의 구조로서 공동용 형태이며, 저 낙차 소수력발전의 뱅크 터빈과 유사함
풍력발전 종류
회전축 방향에 의한 분류 : 수평축 풍력발전, 수직축 풍력발전
증속기 유무에 의한 분류 : 증속기형 풍력발전, 직결형 풍력발전
공기업학적방식에 의한 분류 : 양력식 풍력발전, 항력식 풍력발전
운전속도에 의한 분류 : 정속형 풍력발전, 가변속형 풍력발전
출력제어방식에 의한 분류 : 날개각제어형 풍력발전, 실속제어형 풍력발전
운전속도에 의한 분류 : 정속형 풍력발전, 가변속형 풍력발전
출력제어방식에 의한 분류 : 날개각제어형 풍력발전, 실속제어형 풍력발전

풍력발전의 장단점

장점 단점
청정에너지 높은 초기 투자비용
오염물질 배출이 없음(no emission) 부지확보의 어려움
연료비가 없음(no fuel cost) 소음 등 각종 민원 소자지
검증된 기술 기상조건에 따른 출력변동
관광자원 활용 가능 높은 수준의 계통연계기술

소형풍력의 기준

소형풍력 : 100kW 이하

소형풍력발전 용도별 구분

1kW 이하의 micro 풍력발전 1~10kW 풍력발전 10~100kW 풍력발전
독립형 발전으로 사용 주거용 발전 상업 및 산업용