풍력발전기의 Generator: 지속 가능한 에너지원으로서의 가능성

풍력발전기 뿐아니라 모든 발전 장비들에 핵심적으로 포함되어 있는 것이 바로 발전기(Generator)입니다. 블레이드에서  바람의 운동 에너지를 전화하고 드라이브트레인을 통해서 동력이 전달되어 전기에너지로 변환하는 기술로, 화석연료의 사용을 줄이고 지속 가능한 에너지를 제공하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 풍력발전기의 핵심 부품인 Generator(발전기)는 풍력의 물리적 에너지를 전기로 전환하는 기능을 합니다. 이번 블로그 포스팅에서는 풍력발전기의 작동 원리와 함께 Generator의 종류에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. Generator의 종류

풍력발전에서 사용되는 Generator는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다: **유도 발전기(Induction Generator)**와 **동기 발전기(Synchronous Generator)**입니다. 이 두 가지 발전기는 각기 다른 방식으로 전기를 생산하며, 그 장단점 또한 다릅니다.

 

1. SOIG (Squirrel Cage Induction Generator)

• 특징:
  • 구조가 간단하고 유지보수가 쉽습니다.
  • 외부 전력 없이 자력으로 기동이 가능합니다.
  • 가격이 저렴하여 소규모 풍력발전기에서 많이 사용됩니다.
• 단점:
  • 전압 및 주파수 제어가 어렵고, 효율이 상대적으로 낮습니다.
  • 고정 속도로 작동하므로 다양한 바람 조건에 대응하기 어렵습니다.

2. PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator)

• 특징:
  • 고효율의 전력 생산이 가능하며, 외부 전력 공급이 필요 없습니다.
  • 가변 속도에서 작동이 가능하여 다양한 바람 조건에서도 높은 효율을 유지할 수 있습니다.
  • 구조가 단순하고 신뢰성이 높습니다.
• 단점:
  • 영구자석 사용으로 인해 초기 설치 비용이 높습니다.
  • 자석의 가격 변동성에 영향을 받을 수 있습니다.

3. EESG (Electrically Excited Synchronous Generator)

• 특징:
  • 자기장을 전기적으로 조절할 수 있어 다양한 운전 조건에 대응이 가능합니다.
  • 주파수 및 전압 조절이 용이하며, 대형 발전기에 적합합니다.
• 단점:
  • 구조가 복잡하며 유지보수가 어렵고, 초기 비용이 높습니다.
  • 외부 전원(여자 전원)이 필요합니다.

4. WRIG (Wound Rotor Induction Generator)

• 특징:
  • 외부 저항을 통해 회전자 전류를 조절할 수 있어 전력 제어가 가능합니다.
  • 다양한 바람 조건에서 효율적인 작동이 가능합니다.
• 단점:
  • 슬립 링과 브러시 등의 마모 부품이 있어 유지보수가 필요합니다.
  • 구조가 복잡하여 비용이 높고, 유지보수가 어렵습니다.

• WRIG는 "권선형 회전자 유도 발전기"로, 회전자에 권선이 감겨 있어 외부 저항을 통해 회전자 전류를 조절할 수 있는 유도 발전기입니다. 이 발전기는 Slip Rings(슬립 링)이라는 장치를 통해 회전자에 전기적으로 연결됩니다.
• EESG는 "전기적으로 여자된 동기 발전기"로, 회전자에 전기적으로 공급된 여자 전류를 통해 자기장을 생성합니다. EESG는 주로 대형 풍력발전기에서 사용되며, 자기장을 전기적으로 제어할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.
• PMSG는 "영구자석 동기 발전기"로, 회전자에 영구자석이 내장되어 있는 동기 발전기입니다. 이 발전기는 자기장이 일정한 속도로 회전할 때 전기를 생성합니다.
• SOIG는 우리말로 "농형 유도 발전기"라고 불리며, 가장 일반적으로 사용되는 유도 발전기 중 하나입니다. SOIG는 고정자에 교류 전류를 공급하여 자기장을 생성하고, 이 자기장에 의해 회전자(로터)가 회전하면서 전기를 발생시킵니다.

지금 풍력발전기에서 사용하고 있는 발전기는 대부분 PMSG를 이용하고 있으며 Enercon에서 EESG 타입을 사용하고 있습니다. 

 

2. Generator의 선택 기준

풍력발전에서 Generator를 선택할 때 고려해야 할 요소는 여러 가지가 있습니다. 발전기의 용량, 설치 환경, 유지보수의 용이성 등이 주요한 요소로 작용합니다. 유도 발전기는 소형 풍력발전기에 적합하며, 유지보수가 간단한 장점이 있습니다. 반면, 동기 발전기는 대형 풍력발전기에 적합하며, 효율적인 전력 생산을 위해 많이 사용됩니다.

또한, 풍력발전기의 위치에 따라도 Generator의 선택이 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 해상 풍력발전기에는 높은 내구성과 안정성이 요구되므로 동기 발전기가 선호됩니다.

 

반면, 육상 풍력발전기에는 비용 효율성과 유지보수의 용이성을 중시하여 유도 발전기가 많이 사용됩니다.

해상 풍력 발전기에서 사용하고 있는 발전기는 대부분 PMSG를 이용하고 있으며 Enercon에서 EESG 타입을 사용하고 있습니다. 

 

3. 미래의 풍력발전 기술과 Generator의 발전 방향

현재 풍력발전 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 이에 따라 Generator 기술도 계속해서 진화하고 있습니다. 특히, 가변속 풍력발전기의 등장으로 인해 더욱 효율적인 에너지 생산이 가능해졌습니다. 가변속 발전기는 바람의 속도 변화에 따라 발전기의 회전 속도를 조절하여 최대의 효율을 낼 수 있는 기술입니다.

또한, 고온 초전도체를 이용한 발전기도 연구 중이며, 이는 기존 발전기보다 훨씬 높은 효율을 자랑합니다. 이러한 기술들은 풍력발전의 경제성을 더욱 높여줄 것으로 기대됩니다.

 

 

4. 결론

풍력발전은 지속 가능한 에너지 생산을 위한 중요한 기술로 자리매김하고 있으며, 그 핵심 부품인 Generator의 역할은 매우 중요합니다. 유도 발전기와 동기 발전기는 각각의 장단점을 가지고 있어, 발전기의 용도와 환경에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 앞으로도 풍력발전과 Generator 기술은 더욱 발전할 것이며, 이는 우리의 미래 에너지 문제 해결에 큰 기여를 할 것입니다.