풍력에너지 기술과 산업

알리는 글

본 교재를 기획할 때부터 풍력에너지 기술과 산업의 전 분야를 다루어야 하는 매우 방대한 작업이었다. 특히 풍력은 거의 모든 학문 분야를 다루는 측면이 있어, 저자들의 제한된 지식과 교재의 분량 제한 때문에 많은 사항을 깊이 있게 다룰 수 없음이 매우 안타까웠다.
인터넷의 발전으로 이전과는 달리 전문 분야에서도 많은 전문가의 논문과 포털사이트의 지식 전달을 통하여 기술적인 지식을 접할 수 있어 독자들이 알고 싶은 분야에 대하여 더욱 깊은 내용을 쉽게 알아볼 수 있게 되었다.
하지만 풍력에너지 기술과 산업에 대해 광범위하고, 일관성이 있으며, 기술 간의 상호 연관성에 관한 내용을 비교적 쉽게 접근할 수 있는 교재를 찾기가 어렵다고 항상 생각해 왔다.
따라서 10여 년 전에 풍력터빈에 대한 교재로 「최신 풍력터빈의 이해」가 출판되어 국내의 관련 학생이나 독자에게 조금은 도움을 주어 온 것으로 알고 있다. 금번에 급격하게 발전하는 해상풍력발전 기술과 산업, 그리고 시장에 대한 지식을 좀 더 업그레이드할 필요성을 느꼈다.
특히 국내에서 풍력발전 사업을 위한 정책과 제도는 다소 복잡하여 일반 독자들이 이해하기가 쉽지 않다. 본 교재에서는 국내 풍력단지 개발과 발전사업을 위해서 거쳐야 하는 법규나 기준 등에 대한 사항도 간략히 다루었다. 이와 관련하여 풍력단지의 건설의 실제적인 업무에서 발생하는 사항의 일부를 수록하게 한 「디엔아이코오프레이션」에도 감사를 드린다.
본 교재에서는 이전에 저자들이 참여하여 발간한 「최신 풍력터빈의 이해(2010)」, 「풍력터빈 블레이드 기술(2016)」, 「풍력발전기 부품과 소재(2020)」, 「해상풍력 유지보수 기술(2020)」, 그리고 「신재생에너지와 미래생활(2021)」 등의 교재의 일부 내용이 활용되었음을 알린다.
교재에 사용된 도표와 사진 등을 일관성이 있고 정리해 주신 박승범 박사에게 깊은 감사를 드리며, 통합해석 분야의 충실한 검토를 해 주신 국립군산대학교의 장윤정 박사님께도 깊은 감사를 드린다.
마지막으로 본 교재의 완성을 위하여 참여 저자들이 많은 시간을 들일 수 있도록 지원과 인내를 보내준 가족들에게도 감사드린다.

2024년 10월
저자 일동

머리말 i
알리는 글 iii

chapter 01 풍력에너지와 재생에너지(Wind Energy and Renewable Energy)
1.1 에너지의 분류(classification of energy) 3
1.2 세계의 에너지 현황과 전망 5
1.3 기후변화와 재생에너지 6
1.4 재생에너지의 정의 8
1.5 국내외 재생에너지(Renewable Energy)의 발전 11
1.6 재생에너지 현황 13
1.7 수소에너지(hydrogen energy)와 풍력발전(wind energy) 22
1.8 풍력에너지 기술과 산업(wind energy technology and industry) 25

chapter 02 바람과 풍력에너지
2.1 지구의 바람 33
2.2 바람의 종류 34
2.3 풍력에너지의 정의 36
2.4 바람의 운동에너지와 출력 37
2.5 풍력에너지의 기본 변수 39
2.6 풍력발전의 원리 49
2.7 풍력발전시스템의 분류 52

chapter 03 풍력발전의 역사
3.1 고대와 중세 57
3.2 중세 이후와 근세의 풍력발전 58
3.3 근대의 풍력발전 63
3.4 현대와 미래의 풍력발전 69
3.5 국내의 풍력에너지의 역사 73

chapter 04 풍력터빈의 구성과 개념
4.1 풍력터빈의 구성 79
4.2 풍력터빈의 내부 구조 80
4.3 풍력터빈의 개념 설계 83
4.4 풍력터빈의 상세 설계 고려사항 97

chapter 05 풍력에너지 변환의 원리(the principle of wind energy conversion)
5.1 바람의 운동에너지의 변환 101
5.2 양력(lift)과 항력(drag) 103
5.3 풍력터빈의 공기역학적 이론 108
5.4 풍력터빈의 성능 파라미터 126
5.5 로터 회전의 원리 136

chapter 06 풍력발전시스템의 설계와 통합하중해석
6.1 풍력발전시스템의 설계 목표 141
6.2 풍력발전시스템의 상세 설계 과정 142
6.3 풍력발전시스템의 통합하중해석 143
6.4 하중해석용 소프트웨어 148
6.5 통합하중해석 활용 153

chapter 07 복합재료 블레이드의 설계
7.1 블레이드의 공력설계와 구조설계 165
7.2 수평축 복합재료 블레이드 설계 167
7.3 블레이드 공력설계 168
7.4 블레이드 구조설계 180
7.5 블레이드 복합재료의 파손 188
7.6 고유진동수 해석 193

chapter 08 블레이드 소재, 제조, 시험
8.1 블레이드 소재 기술 199
8.2 블레이드 구조 202
8.3 블레이드 제조 공정 205
8.4 분할 블레이드(segmented blade 또는 modular blade) 210
8.5 블레이드의 낙뢰보호장치(LPS, Lightning Protection System) 213
8.6 블레이드 구조시험 215
8.7 스텔스 블레이드(stealth blades) 224
8.8 스피너와 나셀 227
8.9 화재 방지 장치 231

chapter 09 동력전달체계
9.1 풍력터빈의 주요구성 요소 239
9.2 드라이브 트레인 240
9.3 드라이브 트레인의 실례 246
9.4 증속기(gearbox) 247
9.5 요 시스템(yaw system) 270
9.6 피치 시스템(pitch system) 274
9.7 커플링과 고속축 브레이크 281
9.8 풍력터빈용 베어링 282
9.9 핵심 부품별 베어링의 응용 288


chapter 10 풍력터빈용 대형 발전기
10.1 풍력터빈용 발전기(Wind Turbine Generators) 307
10.2 직류 발전기(DC Generator) 309
10.3 교류 동기발전기(AC Synchronous Generator) 311
10.4 교류 비동기발전기(AC Asynchronous Generators) 혹은 유도발전기(InductionGenerator) 319
10.5 대형 풍력터빈용 발전기의 적용 경향 328

chapter 11 전력변환장치
11.1 전력전자 컨버터(Power Electronic Converter) 333
11.2 컨버터의 원리와 구조 334
11.3 전력변환장치의 종류 335
11.4 가변속 풍력터빈의 전력전자 제어 341

chapter 12 풍력 제어시스템
12.1 제어시스템(control system) 353
12.2 피치 제어 개념(concept of pitch control) 358
12.3 피치 제어(pitch control) 361
12.4 제어 장치(controller) 368
12.5 요 제어(yaw control) 369

chapter 13 풍력터빈 타워
13.1 타워(tower)의 개요 375
13.2 타워의 종류 377
13.3 원통형 강관 타워 설계 절차 390
13.4 타워의 제조 397
13.5 육상용 타워 기초 400

chapter 14 해상풍력발전과 지지구조
14.1 해상풍력발전(offshore wind power generation) 407
14.2 고정식 해상풍력발전(fixed support offshore wind generation) 409
14.3 부유식 해상풍력발전(floating offshore wind energy)의 개요 421
14.4 부유식 해상풍력발전의 하부구조물 설계(Foundation design for offshore windturbines) 430
14.5 해상풍력용 해상변전소(OTS, Offshore Transformer Station) 434
14.6 해저 케이블(submarine cables) 437

chapter 15 풍력발전의 인증(certification)
15.1 풍력발전 인증시스템 454
15.2 OD-501 455
15.3 IEC 기술 기준 내용 및 대표 항목 456
15.4 IEC 풍력발전 관련 조직 457
15.5 풍력 인증기관과 종류 460
15.6 인증서(certificate)의 종류 463
15.7 풍력터빈 성능평가 469
15.8 실증시험과 풍력실증시험단지 475

chapter 16 풍력발전시스템의 유지 보수(O&M, Operation and Maintenance)
16.1 풍력터빈 부품의 고장 특성 485
16.2 유지보수의 종류 486
16.3 유지보수 전략 488
16.4 유지보수의 예시 491
16.5 유지보수와 안전 493

chapter 17 풍력발전의 기술 동향
17.1 풍력터빈의 대형화 503
17.2 풍력터빈의 설계기술 동향 507
17.3 블레이드의 기술 동향 509
17.4 수송 및 설치 기술 514
17.5 드라이브 트레인의 기술 동향 515
17.6 베어링 기술의 발전동향 516
17.7 발전기의 기술 동향 518
17.8 컨버터 기술의 발전 동향 522

chapter 18 국내외 풍력시장과 정책
18.1 세계 풍력시장 누적 설치 용량 527
18.2 지역별 풍력 설치 용량 529
18.3 세계 풍력시장 전망 530
18.4 국내 풍력시장 동향 534
18.5 세계 풍력 정책 동향 536
18.6 국가별 정책 변천 541
18.7 국내 풍력 정책 동향(~2022) 543
18.8 현정부(2022~2027)의 국가 에너지 정책 548
18.9 국내의 RPS(RPS, Renewable Portfolio Standard)제도 553
18.10 해상 풍력모델의 기술동향 558
18.11 국내 산업 국산화 현황 및 시장 전망 561

chapter 19 풍력발전의 경제성
19.1 설비 가동률(operation ratio) 569
19.2 설비 가동률, 이용률 및 발전량 569
19.3 풍력터빈 가동률(availability) 571
19.4 가동률 관점에 따른 차이점 573
19.5 성능지수 동향 576
19.6 이용률(CF, Capacity Factor) 584
19.7 풍력발전 비용 587

chapter 20 풍력발전단지 개발
20.1 국내 풍력발전단지 현황 605
20.2 육해상 풍력발전의 비교 607
20.3 풍력발전단지 입지개발 기본요소 608
20.4 계통연계 방안 615
20.5 정부의 계통 구축 계획 620
20.6 인 · 허가 628

chapter 21 풍력발전과 환경 영향
21.1 풍력발전기 소음 647
21.2 풍력발전기의 전파방해 650
21.3 레이더 방해(radar interference) 현상 652
21.4 풍력발전기에 의한 경관 영향(visual impact) 654
21.5 거주지와 도로 인근에 풍력발전기 설치에 따른 영향 656
21.6 풍력발전기의 쉐도우 플리커(shadow flicker)와 플래싱(fleshing) 657
21.7 풍력발전기의 동식물에의 영향과 대책 661
21.8 환경오염 666
21.9 풍력발전의 장점과 혜택 667

이상일 교수, 공학박사
국립군산대학교 풍력에너지학과 / 해상풍력연구원
한국풍력에너지학회 회장