모듈식 드라이브 트레인 구조의
4MW급 풍력발전기 사업화
드라이브 트레인 모듈화 기술을 적용하여, 기존 육상 풍력터빈 설치 한계로 여겨졌던 3MW급 용량을 넘어
국내 최초로 4MW급 풍력발전기의 육상 설치에 성공하였다.
이 기술은 현장 모듈 조립 방식을 도입함으로써 설치 시간과 비용을 획기적으로 절감하였으며,
U151-4.3MW 터빈 상용화를 통해 연간 에너지 생산량을 17.7% 향상시키고 지형적 제약 없이 전국 단위 설치가 가능한 확장성을 확보하였다.
이를 통해 LCOE 저감을 실현하여 대형 육상 풍력발전단지의 경제성을 확보하였고,
정부의 재생에너지 확대 정책(RE3020) 및 2050 탄소중립(Net Zero) 목표 달성에 핵심적으로 기여할 수 있는 기반을 마련하였다.
| 사업명 | 신재생에너지핵심기술개발사업 |
|---|---|
| 부처명 | 산업통상자원부 |
| 세부분야 | 신재생에너지 |
| 세부과제명 | 3.5~4.0MW급 육상용 모듈식 드라이브 트레인 개발 및 실증 |
| 성과명 | 모듈식 드라이브 트레인 구조의 4MW급 풍력발전기 사업화 |
| 연구자명 | 방조혁 |
| 소속기관 | 유니슨(주) |
| 성과내용 |
[우수성 및 차별성]
[성과의 활용도 및 파급효과] |
|---|---|
| 대표성과 |
[사업화] |
기술 개발 배경
풍력발전 산업의 시장 요구 조건은 터빈 대형화와 LCOE(Levelized Cost of Energy, 균등화발전단가) 저감에 있다. 그러나 기존 육상 풍력은 운송 및 설치 제약으로 인해 최대 3MW급 용량이 설치 한계로 인식되어 왔다.
이에 따라, LCOE 저감과 운송·설치 한계 극복을 동시에 달성하여 사업 경쟁력을 확보할 수 있는 새로운 기술 개발의 필요성이 대두되었다.
연구성과
모듈화 드라이브 트레인 기술 개발
본 성과는 드라이브 트레인 모듈화 구성을 통해 기존 육상 운송·설치 제약을 극복하고 4MW급 풍력발전기를 육상에 성공적으로 보급한 국내 최초 사례로, 국내 최고 수준의 기술 경쟁력을 확보한 성과로 평가된다.
육상 설치 가능한 4MW급 모듈식 드라이브 트레인 기술 확보
본 기술은 드라이브 트레인, 나셀(Nacelle), 전력변환장치의 모듈식 분할 구조로 설계되었으며, 국내 운송 및 설치 제약을 고려한 크기와 무게로 구성하여 2MW급 크레인 제원으로 설치가 가능하다.
모듈식 구조
국내·외 기준에 부합한 공인 인증 획득
개발된 풍력발전기는 국제 기준(IEC)에 부합하는 UL 공인형식인증을 획득하였으며, 동시에 국내 KS 인증(한국에너지공단)을 취득하였다.
본 과제를 통해 해당 드라이브 트레인이 탑재된 풍력발전기 시제품을 개발하여 공인 인증을 획득하였고, 추가적인 확장 모델을 개발하여 사업화에도 성공하였다.
국내·외 공인인증서
풍력터빈 공급 계약 체결 및 사업화
최근 3년(2021~2023년) 약 2,493억 원의 매출을 달성하였으며, 이는 정부 예산 95억 원 대비 약 26배의 투자 대비 효과(ROI)를 기록한 성과이다.
관련항목
-
사업화
U136-4.2MW/U151-4.3MW 풍력터빈 공급 및 설치 외 2건
2021
우수성 및 차별성
세계 수준 기술 확보
모듈화 드라이브 트레인 구성 기술을 통해 육상 풍력발전기의 운송 및 설치 한계를 극복하였다.
본 기술은 4MW급 이상 대형 육상 풍력터빈 중, 모듈 또는 분할식 드라이브 트레인 기술로는 세계에서 세 번째로 상용화된 기술이다.
4MW급 이상 대형 육상풍력터빈 개발 현황
-
2015
Gamesa G128 4.5MW(분할식)
Enercon E126 4.2MW(모듈식)
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2018
Nordex N149 4.5MW
Unison U136 4.2MW(모듈식)
-
2019
GE 158 5.3MW
Vestas V150 4.2MW
Unison U151 4.3MW(모듈식)
경쟁 기술과 차별성
본 기술은 경쟁사 대비 저풍속 영역에서 연간에너지생산량(AEP)을 향상시켜 높은 효율성과 경제성을 확보하였다.
또한 2MW급 크레인으로 설치가 가능한 Plug & Play 방식의 모듈 구조를 구현함으로써 설치비 절감 및 운송 효율 극대화를 달성하였으며, 태풍·지진 등 극한 환경과 해상 조건을 모두 고려한 설계를 통해 육·해상 겸용 적용이 가능하다.
기존 분할 설치 기술은 현장에서 부품 단위 조립을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되는 문제가 있었으나, 당사는 드라이브 트레인을 3개의 모듈로 구성하여 운송 및 설치가 가능하도록 설계함으로써 현장 조립 공수와 설치 시간을 획기적으로 단축하였다.
사업화 현황(개발품 보급 사이트)
태백가덕산 (U136-4.2MWx5기, 21MW)
양양만월산 (U136-4.2MWx11기, 46.2MW)
봉화오미산 (U151-4.3MWx14기, 60.2MW)
영덕해맞이 (U151-4.3MWx8기, 34.4MW)
전남 약수 (U151-4.3MWx1기, 4.3MW)
경쟁 기술과 차별성
본 기술은 경쟁사 대비 저풍속 영역에서 연간에너지생산량(AEP)을 향상시켜 높은 효율성과 경제성을 확보하였다.
2MW급 크레인으로 설치가 가능한 Plug & Play 방식의 모듈 구조를 구현함으로써, 설치비 절감 및 운송 효율 극대화를 달성하으며, 태풍·지진 등 극한 환경과 해상 조건을 모두 고려한 설계로 육·해상 겸용 적용이 가능하다.
기존 분할 설치 기술은 현장에서 부품 단위 조립을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되는 문제가 있었으나, 당사는 드라이브 트레인을 3개의 모듈로 구성하여 운송 및 설치가 가능하도록 설계하였으며, 이를 통해 현장 조립 공수와 설치 시간을 획기적으로 단축하였다.
성능 우수성
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동력 전달장치
회전 구성체를 하나의 모듈로 일체화하여, 공장 내에서 정밀하게 조립된 상태를 현장에서도 추가 조정 없이 바로 설치 가능한 Plug & Play 구조로 구현
복열 베어링 구조 적용으로 기어박스에 토크 이외의 하중이 전달되지 않도록 설계하여 내구성 확보
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블레이드
공력 성능 향상을 위해 Vortex Generator와 R-Spoiler 적용
소음 저감을 위해 Trailing Edge Serration 적용
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피치 & 요 시스템
자기진단 기능이 탑재된 3중 보완 시스템 적용으로 지속적·안정적 운전 구현
Active & Smart Yaw 제어 기법 도입으로 급격한 돌풍 시에도 안정적인 터빈 제어 가능
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기어박스
Robustness 시험 및 DNV·GL 부품 인증을 통해 구조 강건성과 신뢰성 확보
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발전기
매립형 영구자석 구조 채택으로 구조적 안정성 확보
완전 밀폐형 구조 적용으로 외부 오염 공기 유입 차단 및 내구 수명 대폭 향상 /p>
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제어기 & 모니터링시스템(SCADA)
자체 개발 제어 기술 적용으로 능동적 대응 가능
웹(Web) 기반 실시간 서비스 제공으로 사용자 편의성과 시스템 유연성 확보
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전력변환장치
2대 병렬 운전 시스템을 통해 한쪽 고장 시에도 절반 출력 운전 가능
Full AC/DC/AC 계통 연계로 높은 신뢰성 확보, 정지 시간 최소화 및 유·무효전력 제어 가능
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냉각 시스템
자연바람을 활용한 패시브(Passive) 냉각 시스템 도입으로 팬 구동에 따른 전력 손실·소음 제거
나셀 공기 순환 및 염분·수분 제거 필터 적용
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타워
국내 산악지형을 포함한 전 지역 운송이 가능한 분할 섹션 구조 설계
해상 기준 코팅 등급(C5-M) 적용 및 지진(MMI VII, 0.261g) 고려 내진 설계 반영
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유지보수
내부 서비스 크레인 및 호이스트 장치 적용으로 유지보수 효율성 향상
원격 모니터링 시스템을 통해 24시간·365일 상태 감시가 가능한 유지관리 체계 구축
연구개발효과
성능 향상 및 공인 인증 획득
본 과제를 통해 개발된 4.2MW급 풍력발전기를 업그레이드하여, 연간에너지생산량(AEP)이 17.7% 증가한 4.3MW 터빈을 개발하였다(@6m/s 기준).
또한 타워의 다변화(95m, 117m, 125m)를 통해 산악 지역과 해안가 등 지형 제약이 있는 전 지역에서도 터빈 설치가 가능하도록 하였다.
이후 원가 상승을 최소화하면서 출력 성능을 더욱 향상시킨 U136-4.4MW 및 U151-4.5MW 풍력발전기를 개발하였으며, 해당 터빈들은 국제 최신 기준(IEC 등)에 부합하는 공인 인증을 획득하여 성능의 안정성을 공식적으로 검증받았다.
국산화율 향상 및 동반성장 기반 마련
이번 기술 개발을 통해 제어기, 발전기, 요&피치 베어링, 유압 및 냉각장치 등 핵심 구성품의 국산화를 추진하였으며, 이후 커플링, 요 드라이브, 브레이크 등의 추가 국산화를 통해 국산화율을 높이고 동반 성장의 기반을 마련하였다.
초대형 육상용 풍력터빈 개발 기반 확립
해당 기술은 운송·설치 과정에서 기존 대비 혁신적인 경제성을 확보하였으며, 이를 토대로 5MW급 이상 육상용 초대형 풍력터빈 개발의 기반을 확립하였다.
경제사회적 파급효과
대형 육상 풍력 발전단지 기반 확립
기존에는 운송 및 설치 제약으로 인해 4MW급 이상의 풍력터빈을 육상에 보급하는 것이 사실상 불가능하였으나, 이 기술의 도입으로 4MW급 이상 대형 풍력터빈을 활용한 육상 발전단지 조성이 가능해졌다.
특히 저풍속 지역에서도 최적의 에너지 생산이 가능한 성능을 확보함으로써, 신규 대형 육상 풍력발전단지 설립은 물론 기존 단지의 리파워링(Repowering) 시에도 높은 경제성과 효율성을 동시에 확보할 수 있게 되었다.
정부 정책에 부합
모듈식 대용량 풍력발전 기술은 운송 한계로 설치가 어려웠던 지역에도 대용량 터빈 보급을 가능하게 함으로써, 정부의 RE3020 등 신재생에너지 보급 정책에 기여하였다.
또한, 탄소 배출이 없는 청정에너지 보급 확대를 통해 정부의 2050 탄소중립(Net Zero) 정책 실현에도 기여하였다.
국산 기술 경쟁력 제고 및 산업 기반 육성
LCOE(균등화 발전단가) 저감을 통해 풍력발전의 경제성과 경쟁력을 강화하였으며, 자체 기술을 적용한 대용량 풍력발전시스템의 국산화 개발을 통해 국내 풍력발전 제조 산업 및 관련 부품 산업의 활성화를 도모하고 수입 대체 효과를 기대할 수 있다.
이는 고용 창출 효과로도 이어져, 4.3MW급 풍력발전기 10기 공급 시 약 200명의 일자리 창출이 예상된다(MW당 4.5명, NREL).
아울러 육·해상 모두에 적용 가능한 설계를 통해 국산 풍력발전기의 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대되며, 동남아시아 등 풍력발전 후발 국가에 공급 가능한 수출 전략 상품으로도 활용 가능할 것으로 기대된다.
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