초판발행 2024.11.15

머리말

우리는 지구온난화에 따른 다양한 기후변화 현상을 경험하고 있으며, 이러한 현상은 지역에 따라 서로 다른 형태로 나타나고 있다. 세계 각국은 지구온난화 해결을 위해 탄소중립 목표를 설정하고, 에너지전환 정책과 신재생에너지 활성화 정책을 수립하고 있으며, 글로벌 기업들은 RE-100에 적극적으로 가입하는 실정이다.

다른 신재생에너지원에 비해 풍력에너지는 대규모 단지 건설이 가능하며, 상대적으로 기술성이 우수하고, 단위 면적당 에너지 효율이 높으며, 이미 우수한 산업생태계를 구축한 중공업, 조선, IT, 항공 분야와 연계할 경우, 국내 풍력산업의 발전 가능성이 무궁무진할 것으로 기대된다.

풍력에 대한 우리의 인식도 많이 바뀌었다. 우리는 이미 풍력이 미래의 탄소중립 시대를 이끄는 필수 청정에너지원 중의 하나로 여기고 있으며, 가까운 미래에는 풍력 발전이 에너지전환의 중심이 될 것이라고 생각하고 있다.

풍력발전은 빠른 속도로 성장하고 있으며, 최근 해상풍력발전 기술과 시장이 급속히 성장하고 있는데, 이는 세계가 탄소중립 목표 달성을 위해 지속적인 기술 개발과 풍력 산업생태계 구축을 위해 노력하고 있기 때문이다.

풍력 산업생태계는 풍력발전시스템 설계와 제조 기술 분야, 각종 소재와 부품 제조 분야, 단지건설 분야, 유지보수 분야, 인허가 분야, 전기사업, 엔지니어링 및 서비스 분야, 그리고 금융 및 보험 분야 등 다양한 분야로 구성되어 있으므로, 체계적인 풍력 산업생태계가 구축된다면, 많은 투자와 고용을 창출하는 국가의 중요한 산업으로 성장하는 등 경제적 파급 효과가 매우 클 것으로 기대되며, 향후 풍력에너지 시장 선점과 에너지 안보 그리고 신재생에너지 무기화 대응에 필요할 것으로 전망된다.

본 교재는 풍력을 공부하는 대학생과 대학원생의 교재로 활용할 수 있도록 풍력에너지 기술과 산업에 대한 전반적인 내용으로 구성하였다. 아울러 본 교재는 풍력에너지 분야를 공부하는 학생뿐 아니라 다양한 풍력 산업생태계에 종사하는 관계자들이 풍력에너지 산업과 기술에 대한 폭넓은 이해에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

마지막으로 공저자로 본 교재의 집필에 참여해주신 황병선 박사님, 강기원 교수님, 박식교수님께도 감사의 말씀을 드리며, 도표와 그림 교정 작업을 도와주신 박승범 박사님께도 감사의 말씀을 드린다. 아울러 긴 시간 편집 작업과 인쇄와 출판에 노고를 해 주신 박영사 출판사 관계자분들께도 감사드린다.

2024. 11

대표저자 이 상 일

저자소개

이상일 

교수, 공학박사

국립군산대학교 풍력에너지학과 / 해상풍력연구원

한국풍력에너지학회 회장

황병선 

연구소장, 공학박사

㈜ 동서디앤씨

전. 군산대학교 해상풍력연구원 연구교수

강기원 

교수 / 센터장, 공학박사

국립군산대학교 기계공학부

국립군산대학교 초대용량풍력발전시스템 혁신연구센터

박 식 

대표, 기술사

㈜ 디엔아이코퍼레이션 및 ㈜ 피앤디솔라 대표

전주비전대학교 전기과 겸임교수

목차

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