겨울 낙뢰에 더 약한 풍력 발전기 피해 막는다

한국전기연구원(KERI) 전기환경연구센터의 우정민 박사 연구팀이 겨울철 해상풍력단지에서 빈번하게 발생하는 정극성 낙뢰로부터 풍력터빈 블레이드를 보호할 수 있는 새로운 설계법을 세계 최초로 개발했다.

낙뢰는 정극성(+)과 부극성(-)으로 나뉘며, 정극성 낙뢰는 발생 빈도는 낮지만 전류 세기가 매우 강해 큰 피해를 유발할 가능성이 높다. 특히, 정극성 낙뢰는 구름의 고도가 낮아지는 겨울철에 주로 발생하며, 해상풍력발전소의 높은 타워 구조는 낙뢰에 취약한 환경을 형성한다. 낙뢰로 인한 블레이드 손상은 발전기의 작동 중단 및 복구 비용 증가로 이어져 심각한 경제적 손실을 초래한다.

KERI 연구팀은 정극성 낙뢰가 기존 피뢰침 방식으로는 방호 효율이 낮다는 점에 주목해 이를 해결하기 위한 새로운 설계법을 개발했다. 기존 방식에서는 블레이드 끝에 위치한 수뢰부(리셉터)로 낙뢰를 유도했지만, 정극성 낙뢰는 블레이드 가장자리에 피해를 준다는 점을 실험적으로 확인했다. 이는 공기 중 양전하가 수뢰부 근처에 집중돼 정극성 낙뢰가 이를 피하고 부극성을 띤 블레이드 중간 부분을 타격하기 때문으로 분석됐다.

연구팀은 축소 모형과 고해상도 카메라를 이용한 인공낙뢰 실험을 통해 데이터를 축적하고, 정밀 측정 시스템과 시뮬레이션 기술을 활용해 다양한 블레이드 각도와 환경 조건을 재현했다. 이를 기반으로 블레이드 옆 가장자리에도 수뢰부를 최적 배치하는 새로운 설계법(edge receptor)을 고안해 정극성 낙뢰의 전하 분포를 제어하고 피해를 최소화하는 데 성공했다.

우정민 박사는 “정극성 낙뢰 방호 기술을 설계하고 실험적 검증을 성공적으로 수행한 사례는 전 세계에서 최초”라며, “이 기술이 풍력발전기의 안정성과 효율성을 높여 재생에너지 확대 및 전기요금 절감에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구 결과는 재생에너지 분야 상위 5% 학술지인 Results in Engineering에 게재됐으며, 전기에너지산업 분야 글로벌 플랫폼인 국제대전력망협의회(CIGRE) 공식 저널에도 기고됐다. KERI는 해당 기술을 실제 규모의 풍력 블레이드에 적용해 실험 데이터를 추가 확보하고, 관련 특허 등록 및 기술 이전을 추진할 예정이다. 또한, 이 기술은 고층 건축물, 통신탑, 해양 구조물 등 낙뢰 취약 분야에도 적용 가능성이 높아 연구 범위를 확대할 계획이다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이며, 이번 연구는 한국에너지기술평가원의 ‘대규모 해상풍력 발전단지 낙뢰 대책 플랫폼 기술 개발’ 사업의 지원으로 진행됐다.