[풍력발전의 현재와 미래] ② 풍력발전의 기술적 특징과 특허동향

1. 풍력발전의 기술적 특징

 풍력발전은 날개의 회전축의 방향에 따라 크게 수직형과 수평형으로 구분할 수 있으며, 최근에는 에너지 효율과 관련하여, 수직형은 소형 규모에만 국한되어 사용되고 있으며, 중대형 규모 이상의 풍력발전은 수평형이 적용되고 있다.

 2000년대 초반까지는 Vestas社를 중심으로 한 덴마크류 풍력기술이 주류를 차지하여 왔다. 덴마크류 풍력기술은 ① rigidㆍhub ② stall 제어 ③ 정속운전 ④ 3매익 설계를 기본으로 하는 것으로서, 비교적 안정적인 바람 환경을 갖춘 지형에 적합하며, 안정적인 전력 생산과 높은 에너지 효율을 그 특징으로 하고 있다.

 그러나 우리나라의 산간 지형과 같이 북유럽에 비하여 바람의 세기나 방향이 불규칙적인 지형에서는 이러한 덴마크류 풍력기술을 개선한 새로운 기술이 적용되어야 할 필요가 있다. 이러한 새로운 기술의 하나가 DC Ring System을 통한 전력변환기술이다. 이는 변동하는 바람으로부터 안정된 전력을 얻기 위한 가변속 운전기술을 의미하는 것으로서, 최근 MW급 풍력발전설비에서는 가변속 변동범위를 정격회전수의 60-125% 정도로 설정하여, 돌풍과 같은 변동하중을 받을 경우에도 출력변동을 자동으로 제어하여 안정적인 전력 생산을 가능하게 한다. 또한, 풍력발전의 큰 문제점으로 지적되어 왔던 소음과 관련하여 기존의 증속기어트레인을 배제하고, 증속비만큼의 다극화된 발전기를 채용하는 직접구동방식(direct drive system)을 채택하여 기계적 소음을 제거하는 기술이 적용되고 있기도 하다. 또한, 장애물이 적어서 바람의 변동 정도가 약한 연안에 대규모의 해상풍력발전단지를 건설하여 풍력발전단지의 대규모화를 통한 대규모 전력생산을 도모하고 있다.

2. 풍력발전의 특허출원동향

[그림 1] 특허 점유율 및 출원(등록) 추이

[그림 2] 국적별 점유율 및 특허등록 추이(한국특허)

 수평축 풍력발전과 관련된 특허출원동향을 나타내는 위 그림으로부터 알 수 있듯이 풍력발전과 관련된 특허시장에서 우리나라 특허가 차지하는 비중은 약 9.6%에 불과하다. 게다가 우리나라 특허 중에서도 외국인에 의한 출원이 52%를 차지하고 있으며, 내국인에 의한 출원 또한 개인 출원이 중심을 이루고 있고, 실질적인 연구개발의 주체라 할 수 있는 기업이나 연구기관의 참여는 극히 미미하다.

 또한 풍력발전과 관련된 기술 분야에 있어서도 우리나라는 동력계통 분야에 집중되어 있는 반면, 선진국은 제어나 모니터링과 관련한 고부가가치의 기술 분야가 중심을 이루고 있음을 알 수 있다.

[그림 3] 주요국의 역점기술분야

 특허의 인용빈도를 바탕으로 한 특허의 질적 수준과 시장확보력을 기반으로 하여 주요 국가의 특허경쟁력을 살펴 보면 다음과 같다.

[그림 8] 피인용도 및 시장확보력

 전체적으로 스웨덴, 네덜란드, 덴마크와 같은 북유럽 국가들, 프랑스, 독일, 미국을 중심으로 한 기초과학의 강국들이 풍력발전 분야에 있어서도 높은 경쟁력을 가지고 있음을 알 수 있다.

 풍력발전 분야의 기술순환주기는 평균 16.93년으로 다른 기술 분야에 비하여 매우 길어서 투자에 따른 기술혁신의 영향력이 다른 산업에 비하여 오랜 기간 지속되는 특징이 있다. 특허출원동향과 특허경쟁력을 통하여 살펴본 풍력발전 분야에서의 우리나라의 기술경쟁력은 현재 매우 취약한 상태에 있음을 알 수 있다.

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