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풍력발전기용 대형단조품 소재기술(1)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(14)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

풍력발전, 인류 지속가능 위한 ‘필수불가결’



■ 풍력발전기 정의 및 핵심부품 범위

서두에 풍력발전기 부품소재를 기술하기 전에 풍력발전기에 대한 전반적인 내용을 먼저 소개해 둘 필요가 있다. 왜냐하면, 풍력발전기의 필요성, 원리 및 현황을 파악하고 그 원리에 필요한 핵심부품들이 각각 어떤 역할을 하고, 그 부품에 적용되는 소재를 알아야 하기 때문이다. 근래 급속한 산업화에 따른 온실가스의 급격한 증가로 인한 오존층 파괴 및 에너지 고갈 등의 문제가 전 세계적으로 심각하게 대두되고 있다. 또한 최근 초고유가시대를 맞이하여 신재생 에너지 및 대체에너지 등에 관심이 고조됨에 따라, 태양광발전과 더불어 가장 유망한 신재생에너지 중의 하나인 풍력발전에 대한 국가적 차원의 대응과 연구 및 개발지원이 기대되고 있어, 향후 국내의 풍력발전 제작업체의 세계시장 진입의 가능성이 높을 것으로 판단된다.

<그림 3-2-2-1>은 수평축형 풍력발전기 nacelle 내부의 핵심부품을 나타낸다. 풍력발전은 바람의 운동에너지를 블레이드(blade 혹은 rotor blade)에서 흡수 및 회전을 통해 회전에너지로 전환하고 그 회전을 고속으로 증가시키는 증속기(gear box)를 거쳐 고속회전력이 발전기(generator)에 전달되어 전기에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 발전플랜트로 정의할 수 있다. 풍력발전기(wind power 혹은 wind generator)는 풍력에너지 변환시스템(WECS, Wind energy Conversion System), 풍력시스템(wind system), 및 풍력터빈(wind turbine) 등으로도 통용된다. 본서에서는 풍력발전기로 명칭을 통일하겠다. 풍력발전기는 회전축 방향에 따라 수평축형(Horizontal Axis Wind Turbin : HAWT)과 수직축형(Vertical Axis Wind Turbine : VAWT) 풍력발전기로 크게 나누는데, 지면 혹은 바람이 불어오는 방향과 평행하게 회전축이 놓이면 수평축형 풍력발전기라 하고 수직으로 설치되는 것을 수직축형 풍력발전기라고 칭한다. 일반적으로 프로펠러형(덴마크형)이면서 업 윈드형(up wind type) 혹은 다운 윈드형(down wind type)인 중형 및 대형 풍력발전기는 대부분 수평축형 풍력발전기이며 다리우스형(Darrieus type), 자이로밀형(Gyromill type) 등의 소형 풍력발전기는 수직축형 풍력발전기이다.

수평축형 풍력발전기의 구조는 <그림 3-2-2-1>과 같이 바람이 가진 에너지를 회전하는 동력으로 변환시켜주는 블레이드, 보통 3개의 블레이드를 연결하는 허브, 로터 블레이드 회전력을 증속기에 전달하는 주축, 저 회전 고 토크를 고 회전 저 토크로 변환하는 증속기, 회전력을 전기로 바꾸는 발전기, 풍력발전기를 제어하는 제어/모니터링 시스템 및 요잉 시스템, 피치 시스템, 풍력발전기를 지지하는 타워 등으로 이루어져 있다. <표 3-2-2-1>에 수평축형 풍력발전기 Nacelle 내부 핵심부품의 명칭과 역할 및 기능을 요약하였다. 앞으로 기술할 풍력발전기는 중소형부터 초대형 풍력발전기의 대부분을 차지하고 있는 수평축형 풍력발전기에 대한 것이다.

■ 풍력발전기의 원리

풍력발전기는 한마디로 바람을 이용하여 전기에너지를 만드는 장치를 말한다. 풍력발전기의 원리를 파악하기 이전에 우선 바람이 생성되는 메커니즘을 알 필요가 있다. 태양이 지구의 일정한 표면을 가열할 때 같은 재질이 아닌 육지, 강, 바다, 빌딩, 산 및 사막 등으로 이루어진 지구표면은 빛과 열을 받은 양이 달라 즉 태양에너지를 흡수하는 정도가 달라서 밀도가 낮은 공기는 상승하고 이를 채우기 위한 공기덩어리의 이동이 곧 바람(Wind)이다. 인간이 바람에너지를 기계적 에너지 및 전기에너지로 전환하여 사용하는데 이때 얻어지는 에너지를 풍력에너지(Wind energy)라고 한다. 따라서 풍력에너지도 태양에너지의 일종으로 간주되어 재생에너지(Renewable energy)로 분류된다. 풍력발전기는 바람의 운동에너지를 기계적 에너지(Kinetic energy)를 거쳐서 전기에너지로 변환하는 장치를 말한다. 바람에너지를 전기에너지로 변환함에 있어 그 과정을 간단히 살펴보면 바람을 받아들이는 로터(Rotor)가 있고 축회전을 제동하기 위한 기계-전기적 브레이크, 저속의 로터 블레이드(Rotor blade) 회전을 고속으로 증가시키는 증속기(Gear box), 전단 축(고속축), 전기를 발생시키는 발전기(Generator)가 있기 때문에 로터가 바람을 받아 회전하면 주축(Main shaft, Rotor shaft), 증속기 등을 거쳐 회전력이 발전기에 전달되어 전기를 생산하는 원리이다. 또한 우리가 사용하는 고품질의 전기를 얻기 위해서는 제어장치, 전력변환장치 및 연계설비를 거치게 된다. 바람에너지는 로터 블레이드 및 구동장치를 거치면서 초기의 유입에너지의 약 20~40% 정도만 전기에너지로 변환된다.


수요 발생지에 설비, 분산적 이용·전력이송 손실 감소

발전단가 저렴, 자원 고갈 없이 지속적인 재생산 가능



로터 블레이드의 회전에 의한 터빈의 효율은 이론상으로는 최대 59.3%를 회수할 수 있다. 이후 증속기와 발전기 등이 구동할 때 발생하는 마찰에 의한 손실, 발전기의 효율 등을 고려하면 추가로 10~20%의 손실이 발생한다. 풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기 역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다. 회전자는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성되었다. 날개의 설계에 있어서 유체역학이 중요한 비중을 차지한다. 또한 풍력발전의 원리 중에 빠질 수 없는 것이 바람을 이용한 항력(drag)과 양력(lift)이다. 풍력발전에 있어서 항력 원리는 풍향계 돌리기, 블레이드 cut in 및 블레이드 회전수를 줄이는 등에 적용하며, 양력은 비행기가 뜨는 원리를 이용하여 블레이드에 회전속도를 높이는 데 적용된다. 풍력발전상의 양력을 간단히 설명하면, 블레이드 전단에서 출발한 바람은 곡면부와 편평한 부위로 분리되어 흐르게 된다. 곡면부를 통과한 바람은 편평한 부위를 지난 바람과 블레이드 후단에서 같은 시간에 만나기 위해 속도가 커지게 된다. 이와 같이 생성되는 블레이드 양면의 유속 차에 의해 양력이 발생하고, 이 힘으로 블레이드는 유속이 빠른 방향을 움직이게 된다. 비행기 날개의 설계와 같이 높은 양력 대 항력 비(LD ratio)가 효율적인 터빈 블레이드의 설계에 필수적이다. 터빈 블레이드는 각 단면에서 항상 이상적인 양-항력 비를 가지는 각도를 제공하도록 약간 비틀려있다. 항력은 바람의 속도에 다다를 수 없지만, 양력을 이용한 터빈에서는 바람의 속도보다 빠르게 회전할 수 있다. 현재까지 구현된 풍력 발전기는 회전자 축의 방향에 따라 수평축 방식과 수직축 방식으로 나뉜다. 이 밖에도 항력/양력을 이용한 여러 가지 풍력발전 방법이 개발되었다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

지구의 기후는 산업 근대화 및 현대에 접어들어 극심하게 변화하고 있다. 근대 산업혁명 이후 지난 140년간 약 0.6℃ 상승하여 평균 해수면은 20세기 중 10cm 이상 상승하였다. 금세기말 기준으로 하면 최고 6.4℃ 상승이 예상된다. 한반도는 지난 100년간 1.7℃가 상승하였다. 지난 40년간 제주도 해수면은 22cm 상승하여 세계 평균의 2배 이상에 이른다. 전 세계적으로 1960년대 이후 적설 면적은 10% 이상 감소하고 있으며, 지구 온난화로 인한 기상 관련 경제손실은 과거 40년 동안 10배 이상 증가하고 있다.

지구 온난화의 심각성에 대해 상기와 같은 수치적인 비교보다 더 실감 나는 사진을 소개한다. 30년간 아프리카 대륙에서 벌어진 환경 파괴의 실상을 적나라하게 보여주는 위성사진이 공개됐다. <그림 3-2-2-3>은 1976년(왼쪽)과 2006년(오른쪽) 킬리만자로 산의 위성사진으로서 지구 온난화에 의해 산 중턱 및 산정 부근의 적설량이 현격하게 줄어든 충격적인 사실을 알 수 있다.

이러한 심각한 지구 온난화는 200년 전 근대화까지 거슬러 올라가지만 최근 1990년대까지 선진국들의 에너지 과다소비 및 2000년대 이후 신흥공업국 수요급격 증가 및 중국의 석유소비 2배 이상 급증 등이 원인이 되었다는 게 정설이다. 석탄, 석유 및 천연가스 등의 화석연료는 이제까지 인류의 삶을 윤택하게 만든 고마운 에너지원이기도 하지만 지구온난화의 주된 원인이기도 하다. 하지만 이러한 에너지 자원인 화석연료가 과다한 소비 때문에 고갈의 위기에 봉착하였다. 지구 온난화 및 에너지 고갈에 대해 우리나라 또한 다른 나라 탓할 처지가 아니다. 우리나라는 세계 10대 에너지 소비국으로서 1인당 에너지 소비로 보면 세계 5위 수준이나 된다. 또한 우리나라는 지금 환경위기와 에너지, 자원 위기에 동시 직면한 심각한 나라 중의 하나이기도 하다. 이런 상황을 극복하기 위해서는 인류가 범국가적인 관점에서 화석연료의 방탕한 낭비를 저지하고 에너지의 원천이라 할 수 있는 태양에너지 기원의 깨끗하고 재생 가능한 자연에너지로 돌아가지 않으면 안 된다는 관점에서 풍력발전도 최근 들어 주목을 받게 되었다. 풍력발전기술의 향상은 전 인류의 지속가능한 발전을 위한 필수불가결한 사명이자 중요한 과제가 되었다.

재생에너지(Renewable energy) 중에서도 풍력발전은 20세기 말에 10년 정도의 단기간에 설치 대수나 누적용량도 눈에 띌 정도의 신장을 나타내 풍력발전기의 초대형화 및 해상풍력발전 등 기술진전의 정도도 놀랄 정도이다. 그리고 풍황이 좋은 사이트에서는 발전단가 역시 화석연료를 사용한 재래식 발전시스템과 현재 충분히 경쟁할 수 있는 단계까지 이르게 되었다. 사실 인류는 수천 년에 걸쳐 여러 가지 형태로 바람에너지를 이용해 왔다. 가장 오래된 풍력의 이용은 돛에 의한 배의 추진이지만, 중국, 이집트 등의 문헌상에는 풍차(windmill)에 관하여 기술해 놓은 것이 있고, 이 문헌들에 의하면 풍차는 3000년 이전부터 사용되어온 것이 된다. 그 이후 풍차는 원동력으로서 유럽에서는 제분과 양수 등으로 700년 이상이나 이용됐다. 19세기 말에 각국에서 풍력발전이 탄생하고 그 후 덴마크를 중심으로 발전했고, 이것은 대형화 및 새로운 설계개념의 도입에 의한 고성능화의 걸음이었다. 특히 1970년대 석유 위기를 계기로 대형 풍력발전의 재개발이 시작되어 1980년대 이후 환경문제의 대두로 풍력발전 도입의 움직임은 세계적으로 활발해지고 있다.

앞으로 새로운 국가 비전의 축으로 신재생에너지 중에 풍력발전이 새로운 패러다임에의 중심에 섰다. 이제까지 주된 에너지 자원이었던 화석연료의 고갈 직면 및 오존층 파괴에 따른 온난화가 급속하게 진행되면서 전 세계적으로 친환경성의 중요성 증대, 신재생에너지 시장의 확대에 박차를 가하고 있다. 특히, 풍력발전은 신재생에너지 중에서도 발전단가가 저렴하며 기존의 화석연료나 원자력보다 에너지의 이용에 따른 환경 부담이 적으며 지역 내에서 자원의 고갈 없이 지속적인 재생산이 가능하다. 또한 에너지 수요가 발생하는 곳과 가까운 곳에 에너지 생산 설비를 갖춤으로써 분산적 이용이 가능하며 전력이송에 따른 손실을 줄일 수 있다.

■ 풍력발전기 핵심부품 중의 단조품 소개

풍력발전기에는 8천 개 이상의 부품으로 이루어져 있는데, 본서에서는 핵심부품 중 단조품 위주로 소개한다.

풍력발전기 부품 중 단조품은 <그림 3-2-2-4>와 같이 로터 블레이드의 회전 에너지를 증속기에 전달하는 핵심부품인 주축(Main shaft, Rotor shaft), 주축의 회전 및 지지 역할을 하는 주축베어링(Main bearing), 블레이드의 각도를 조절하는 장치인 피치시스템(Pitch system)내의 피치베어링(Pitch bearing), 블레이드와 연결된 너셀(Nacelle)정면을 바람이 불어오는 방향으로 향하게 하는 요시스템(Yaw system)내의 요베어링(Yaw bearing), 블레이드 회전수를 발전기용 고속회전으로 변환하는 역할을 하는 증속기(Gear box)내의 각종 Gear류, 주축과 증속기를 체결해주는 쉬링크 디스크(Shrink disc, low speed coupling) 및 Tower 이음새 역할을 하는 타워 플랜지(Tower flange) 등으로서 주로 높은 기계적 특성을 요구하는 핵심부품에 적용되고 있다. 상기 전체 단조부품을 열거하기에 지면이 부족한 관계로 그중에 핵심 단조부품인 타워 플랜지, 피치/요베어링, 주축 등의 소재, 용도, 제조방법, 기계적 특성 등을 기술하겠다. 하지만 8,000개가 넘는 구성품을 가진 풍력발전기 내의 몇 개 부품에 대한 국내외 동향은 큰 의미가 없는 관계로 3장에 풍력시장의 국내외 동향에 대해 기술한다.
<그림 3-2-2-1>수평축형 풍력발전기 Nacelle 내부 핵심부품소개
<표 3-2-2-1>수평축형 풍력발전기 Nacelle 핵심부품의 명칭과 역할
<그림 3-2-2-2>풍력 발전기 원리
<그림 3-2-2-3>킬리만자로 산의 만년설 감소(1976년과 2006년 비교)
<그림 3-2-2-4>풍력발전기 주요 구성부품 및 소재부품

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