기존 풍력 블레이드 수뢰부(왼쪽), 정극성 낙뢰 피해를 막기 위해 전기연이 가장자리 위치(파란색)에 새롭게 설계한 수뢰부(오른쪽). /한국전기연구원한국전기연구원(KERI) 전기환경연구센터 우정민 박사팀이 겨울철 해상풍력단지에서 빈번하게 발생하는 ‘정극성 낙뢰’ 피해를 막을 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.
전압이 +극과 –극이 존재하듯 낙뢰에도 정극성(+)과 부극성(-)이 존재한다. 구름이 양전하를 가지고 지면이 음전하를 띠면 정극성 낙뢰가 내리치고, 그 반대의 경우 부극성 낙뢰가 생긴다. 흔히 발생하는 낙뢰의 90%는 부극성 낙뢰로 정극성 낙뢰는 상대적으로 낮은 확률로 발생하지만, 전류의 세기가 매우 커서 큰 사고로 이어질 확률이 높다. 또 정극성 낙뢰는 구름의 고도가 낮아지는 겨울철에 주로 발생한다.
정극성 낙뢰에 취약한 게 풍력 발전기다. 해상풍력발전은 타워 높이가 높고 주위에 다른 구조물도 크게 없기에 비구름에 의한 낙뢰에 매우 취약하다. 특히 발전기 블레이드(날개)에 손상이 발생하면 풍력 발전기의 중단, 복구비용 발생 등 손해가 크다.
전기연의 성과는 정극성 낙뢰로부터 풍력터빈 블레이드를 보호하는 새로운 설계법을 고안한 것이다.
연구팀은 낙뢰에 취약한 블레이드를 철저하게 분석하기 위해 축소 버전의 모형을 제작하고, 고해상도 카메라를 사용해 인공낙뢰 실험을 반복적으로 수행하며 데이터를 축적했다. 또한, 다양한 블레이드 각도와 환경 조건을 재현하기 위해 정밀 측정 시스템과 시뮬레이션 기술도 활용했다. 이를 통해 블레이드 옆 가장자리에도 수뢰부(낙뢰를 유도하는 부분)를 최적으로 위치시키는 새로운 설계법을 고안해 정극성 낙뢰의 전하 분포를 제어, 피해를 최소화할 수 있다는 것을 확인했다.
우정민 전기연 박사는 “풍력터빈 블레이드를 대상으로 정극성 낙뢰 대책을 설계하고, 실험적 검증도 성공적으로 수행한 기관은 전 세계에서 우리가 유일”이라며 “우리의 기술로 풍력 발전기의 안정성과 효율성을 높여 재생에너지 보급 확대에 크게 기여하고, 궁극적으로 소비자 전기료 절감에도 긍정적인 영향을 미칠 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 높은 평가를 받아 재생에너지 분야 상위 5% 국제 학술지인 ‘Results in Engineering’에 논문이 게재됐고, 전기에너지산업 분야 글로벌 플랫폼인 ‘국제대전력망협의회(CIGRE)’의 공식 저널에도 기고됐다.
전기연은 개발한 설계법을 실제 규모의 풍력 블레이드에 본격적으로 적용해 실험 데이터를 더욱 확보할 예정이며, 관련 특허 등록, 기업체 기술이전도 추진할 계획이다.
또 해당 성과가 풍력뿐만 아니라 고층 건축물, 통신탑, 해양 구조물 등 낙뢰에 취약한 여러 분야에도 적용될 수 있을 것으로 보고, 연구 범위를 확대한다는 목표다.
