재료연구소, 두산중공업과 '풍력터빈용 카본 블레이드' 세계 최초 개발

풍력핵심기술연구센터 박지상 연구팀, 

두산중과 TBC 기술 등 적용해 개발

길이 65.5m·중량 3.8t으로 가장 길어

  창원 재료연구소(소장 김해두)는 풍력핵심기술연구센터 박지상 책임연구원 연구팀이 탄소섬유 복합재 기술과 TBC(Torsion-Bending Coupling) 기술을 적용해 대형 풍력터빈용 카본 블레이드를 세계 최초로 개발, 상용화에 성공했다고 20일 밝혔다.

재료연구소와 두산중공업이 설계한 대형 블레이드. 길이와 중량은 65.5m에 3.8t으로, 3MW급 블레이드 중 세계

에서 가장 가벼우면서도 가장 길다./재료연구소/

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TBC는 풍력 터빈의 블레이드 제작에 사용되는 복합재료의 이방성 특징을 이용한 기술이다. 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 있다. 

하지만 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. 결국 블레이드의 길이를 늘이기 위해서는 구조적 강도와 강성은 높이고 중량은 절감하고 하중을 경감시킬 수 있는 방법이 필요한데, 연구팀은 이를 탄소섬유 복합재 기술과 TBC 기술을 적용해 해결한 것이다. 

이를 위해 연구팀은 두산중공업(풍력터빈 시스템사)과 함께 대형 블레이드의 설계에 착수했다. 이 과정에서 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. 연구팀이 제작한 풍력터빈 블레이드는 국내 최초로 정하중-피로하중-피로후정하중의 완전한 전 단계(Full Cycle) 인증시험을 거쳐 신뢰성 검증에 성공, 국제인증(IEC 61400-1, IEC 61400-23)을 획득했다.

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 쫓던 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. 

이명용 기자 mylee@knnews.co.kr 경남신문

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