다양한 에너지 개발·융합… 미래가치 창조

한국에너지기술연구원(원장 이기우)은 1977년 설립 이후 에너지 자원빈국인 우리나라의 현실을 극복키 위해 국민의 생활과 국가 안보에 밀접한 에너지 관련 기술 연구에 주력하면서 국가성장동력의 창출을 견인해왔다. 

시간이 갈수록 에너지는 한 사회의 삶의 수준을 결정할 뿐 아니라 국가 경쟁력과 안보에 막대한 영향을 미치고 있는 가운데 연구원은 에너지효율화와 신재생에너지, 기후변화대응, 에너지소재, 육해상융복합 등 원자력을 제외한 다양한 에너지기술 연구에 박차를 가하고 있다. 이러한 시대적 요구를 반영해 1980년대에는 에너지 안보와 국내자원의 효율적 이용 기술을, 1990년대는 에너지의 수급 안정과 에너지 고효율화 기술을, 2000년대에는 기후변화와 에너지환경 관련 기술을, 그리고 2010년대에는 다양한 에너지기술의 융합을 통해 새로운 미래 가치를 창조해 나가는 데 앞장서고 있다. 

◆초대형 풍력발전기 블레이드, 차세대 기술개발로 주목

전세계적으로 화석 에너지 고갈과 지구 온난화 문제를 해결키 위한 신재생 에너지의 적용이 확대되고 있다.

그 중 에너지 효율과 경제적으로 특히 우수한 풍력 에너지가 주목을 받고 있다. 풍력발전기는 발전용량(발전기가 만들어 낼 수 있는 전력의 양)이 커질수록, 많은 수가 모인 발전단지로 운영될수록 더욱 경제적이라 해외 주요 풍력발전 시스템 제작사들은 약 5년 전부터 3~5MW급 해상풍력(바다, 호수와 같은 물속에 설치한 풍력발전의 종류) 발전기를 상용화하고 최근 7MW급 시제품을 개발하고 있다. 풍력발전기의 다양한 구성품 중 블레이드(날개)는 풍력발전기 전체 시스템의 설계 하중에 큰 영향을 끼쳐 구조적 안전성과 가격을 결정하는 가장 중요한 요소로 꼽힌다. 블레이드가 다양한 바람과 환경조건에 맞서 내구성을 유지하면서도 최대한 가볍게 만드는 것이 풍력발전기 설계의 주요한 목표가 된다. 

다만 10MW급 초대형 풍력발전기는 80m를 넘는 길이의 블레이드가 필요하므로 기존 설계 방법으로는 블레이드의 무게와 그로 인한 설계하중을 줄이는 데 한계가 있다. 이를 해결키 위해 연구원에서는 10MW급 초대형 풍력발전기 블레이드 개발을 위한 차세대 원천설계기술을 개발, 많은 관심을 받고 있다. 연구원은 일반적인 유선형 에어포일(공기역학적인 특성을 지니도록 설계된 유선형의 날개 단면 형상)과 달리 뒷전(끝부분)이 뭉툭한 두께를 가지도록 설계돼 블레이드 단면에 걸리는 하중을 분산하고 더 큰 강성을 지니는 플랫백(flatback) 에어포일 형상을 개발해냈다. 다만 이러한 플랫백 에어포일은 기존 에어포일에 비해 소음이 커지는 단점을 지니고 있어 이를 해소키 위해 에어포일 뒷전 부착물 형상을 최적화하는 연구를 수행, 기존 대비 에어포일 총소음도를 23dB 저감할 수 있게 됐다. 

현재 대부분의 블레이드가 주재료로 사용하는 복합재료는 무게에 비해 매우 높은 강성과 강도를 지녀 경량화를 가능하게 한다는 주요한 장점 외에도 적층 각도과 패턴을 조절해 원하는 물성으로 최적화 할 수 있다는 특성을 갖고 있다. 이를 활용해 연구원은 블레이드가 휘어지는 굽힘 거동과 비틀림 거동을 임의로 연계토록 설계하는 기술을 개발했다. 이를 통해 풍속이 순간적으로 변하는 돌풍 상황에서 블레이드의 휘어짐에 따라 에어포일과 바람 사이의 받음각을 의도하는 만큼 줄이거나 늘릴 수 있어 블레이드의 하중을 저감할 수 있다. 에너지연은 형상 설계기술과 경량화 설계기술을 서로 순환하며 반복하는 최적화 과정을 거쳐 85.5m의 10MW급 초대형 블레이드 설계를 진행했다. 그 결과 효율적 하중분산 설계로 세계최고 수준인 41t의 무게를 가지는 경량화 설계를 구현할 수 있었다. 또 통합적인 블레이드 최적화 설계 절차를 구축하고 복잡한 형상의 3차원 모델링을 자동화하는 프로그램을 개발함으로써 블레이드 설계기간을 기존 6개월에서 3개월로 크게 단축시켰다. 

◆국내외 기술개발 현황 및 향후 계획

현재 초대형 풍력발전기의 선두주자는 유럽으로 독일의 풍력발전기 제작업체를 중심으로 5~7MW급 해상풍력발전기 개발이 가속화되고 있다. 이에 따라 풍력 선진국에서는 2020년 이후 차세대 해상풍력발전 시장 선점을 위해 초대형 해상풍력발전기 및 블레이드 개발을 위한 핵심기술개발에 많은 투자를 하고 있다. 특히 네덜란드에너지연구소(ECN)과 델프트공과대학(DTU), 미국 샌디아국가연구소(SNL)와 같은 주요 풍력발전 연구기관들은 10MW에 이르는 초대형 해상풍력발전기에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 국내에서는 에너지연구원이 2012년 3MW 해상풍력발전기를 제주해역에 설치해 시험운전에 성공하는 등 긍정적 돛을 올린바 있다. 그동안의 블레이드 설계기술은 주로 해외설계업체에 많이 의존해왔으나 2009년부터 연구원에서 블레이드 설계기술의 국산화를 위한 연구를 진행해오면서 2MW, 3MW 블레이드를 순수 국산 기술로 국내업체와 함께 개발하고 있다. 이를 통해 확보한 설계기술을 바탕으로 10MW급 풍력발전기 개발을 위한 원천설계기술을 개발, 개발된 설계 결과와 모델 데이터는 국내 풍력발전기 업체 및 연구기관에 공개돼 초대형 풍력발전기 개발에 소중한 기반이 되고 있다.

-강은경 기자 ekkang@cctoday.co.kr

-원본기사 http://www.cctoday.co.kr/?mod=news&act=articleView&idxno=971100