재료연구소(KIMS․소장 김해두) 풍력기술 연구개발팀 박지상 박사 연구팀은 세계 최초로 탄소섬유 복합재 기술과 TBC 기술을 적용해 대형 풍력터빈용 카본 블레이드를 개발 및 상용화하는데 성공했다. 이번 연구성과는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원이 지원하는 신재생에너지기술개발사업을 통해 진행됐다.

TBC(Torsion-Bending Coupling)는 풍력 터빈의 블레이드 제작에 사용되는 복합재료의 이방성 특징을 이용한 기술로 블레이드 표면에 적층되는 직물을 기존과 달리 비대칭 방향으로 배열해 블레이드가 바람을 받을 때 구조적으로 비틀리게 만듦으로써 바람의 하중을 적게 받도록 해준다.

풍력터빈 발전은 블레이드가 외부 바람의 하중을 받아 회전하는 운동에너지로부터 전기에너지를 발생시킨다. 이로 인해 블레이드가 오랜 기간 동안 돌풍을 비롯한 평균 풍속을 견딜 수 있어야 하며, 그 하중을 견딜 수 있도록 구조적인 강도와 강성을 가지게끔 설계된다.

풍력터빈의 대형화 추세에 따라 대형 블레이드 개발의 필요성 또한 증가하고 있지만 블레이드는 길이가 길수록 높은 강도와 강성을 위해 구조를 두껍게 만들어야 한다.

이 경우 블레이드 자체 중량이 커져서 풍력터빈의 하부 구조물이 받는 부담 또한 커지게 된다. 블레이드의 길이를 늘이기 위해 구조적 강도와 강성은 높이고 중량은 절감하고 하중을 경감시킬 수 있는 방법이 필요한데 연구팀은 이를 탄소섬유 복합재 기술과 TBC 기술을 적용해 해결했다.

연구팀은 두산중공업(풍력터빈 시스템사)과 함께 대형 블레이드의 설계에 착수했고 블레이드의 운행 시 바람의 하중을 낮추기 위해 TBC 기술을 적용하는 한편 블레이드에 카본 소재를 사용해 기존의 유리 소재 대비 블레이드의 중량을 절감시켰다.  

또한 이를 저풍속형 블레이드(3MW Class III)로 설계함으로써 낮은 풍속에서도 필요한 출력 성능을 낼 수 있도록 했다. 이는 국내 뿐 아니라 풍속이 낮은 유럽 등 세계 시장에서도 높은 경쟁력을 가지는 장점이 있다.

제작된 풍력터빈 블레이드는 국내 최초로 정하중-피로하중-피로후정하중의 완전한 전 단계 인증시험을 거쳐 신뢰성 검증에 성공해 국제인증(IEC 61400-1, IEC 61400-23)을 획득했다.

기술적인 측면에서 ‘소재개발 → 블레이드 설계/검증 → 블레이드 제작 → 블레이드 시험/평가 → 인증확보’에 이르는 전주기적 통합개발체계를 구축할 수 있다.

경제적인 측면에서 블레이드 소재의 국산화를 통해 수입 대체 효과와 소재 수급의 안정성을 확보함으로써 가격경쟁력까지 갖춘 우수한 품질의 블레이드 생산 확보가 가능하다는 장점을 가진다.

또한 탄소섬유 복합재 기술과 TBC 기술을 적용한 진보된 대형 블레이드 개발과 저풍속형 풍력발전 시스템 요구도를 만족시킴에 따라, 내수시장 뿐만 아니라 세계시장에서도 높은 경쟁력을 갖출 수 있게 됐다.  

이는 블레이드 소재 국산화, 설계기술 자립화, 공정기술 고도화를 통한 국내 블레이드 산업의 경쟁력 강화로 이어져 블레이드 수출전략의 산업화까지 기대해볼 수 있다.

개발된 블레이드가 적용된 풍력발전시스템은 두산중공업을 통해 국내 서남해 해상풍력발전단지 1단계 사업과 연계해 이미 20대(블레이드 60기)에 대한 수주계약을 완료했다.

재료연구소 박지상 책임연구원은 “이번 탄소섬유 복합재 TBC 블레이드의 개발 성공은 지금까지 선진 유럽기술의 뒤를 추격하는 국내 풍력기술이 블레이드 분야에 있어서만큼은 유럽기술을 앞지르는 세계 최고 수준을 달성한 것”이라며 “국내 풍력 산업 재도약을 위한 정부의 적극적인 정책 지원이 이어지길 기대한다”고 말했다. 

* 자료출처 : tinnews 바로가기