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블레이드 시험평가 기술(2)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(18)
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.

블레이드 파손방지, 정확한 시험기술 개발 必



■ 블레이드 정하중 시험기술

1) 국내 동향

MW급 대형 블레이드의 인증시험을 수행할 수 있는 국내 유일의 블레이드 시험센터는 2011년 11월 전라북도 부안에 설립되어 한국기계연구원 부설 재료연구소에서 운영하고 있다. 부안 블레이드 시험센터 설립 이전에는 <그림 3-2-3-6>에서 보는 바와 같이 실외에서 대형 크레인을 사용하여 휘플 트리(whiffle tree)로 하중을 가하여 블레이드 정하중 시험을 수행하였다. 이 방법으로는 하중방향을 정확히 조절하기 힘들뿐만 아니라 블레이드 위에 분포시킨 다수의 하중을 동시에 제어하는 것이 불가능하므로 개략적인 시험만이 가능했다. 부안 블레이드 시험센터는 <그림 3-2-3-7>에서 보는 바와 같이 실내에서 다수의 윈치(winch)를 사용하여 수평 방향으로 블레이드 정하중 시험을 수행하며 최대 70m 블레이드까지 시험수행이 가능하다. 다수의 윈치는 측정된 하중신호를 바탕으로 동시에 제어되므로 정확한 하중제어가 가능하며 윈치 와이어(winch wire)의 높이를 조절하여 하중방향을 비교적 정확히 구현할 수 있다. 부안 블레이드 시험센터는 2012년부터 2016년 상반기까지 48.3∼68.0m 크기의 블레이드에 대한 총 6건의 정하중 시험을 수행하였다.

2) 해외 동향

세계적으로 MW급 블레이드의 인증시험을 수행할 수 있는 블레이드 시험센터는 다음의 그림에서 보는 바와 같이 분포되어 있다. 대다수의 블레이드 시험센터는 유럽에 위치하고 있으며 미국에는 3개의 블레이드 시험센터가 존재한다. 아시아의 경우 중국, 한국, 인도에 블레이드 시험센터가 존재한다.

가. 유럽

1980년대부터 블레이드의 실규모 구조시험을 시작한 유럽에는 다수의 블레이드 시험센터가 존재한다. 네덜란드의 WMC, 덴마크의 RISØ, 그리스의 CRES가 초창기 블레이드 시험기술 개발을 주도했으며, 풍력 선진국인 덴마크의 블레이드 및 풍력터빈 업체들은 RISØ에서 개발된 시험기술의 영향을 많이 받았다.

세계 1위 블레이드 제조사인 덴마크의 LM Wind Power는 <그림 3-2-3-9>와 같은 정하중시험 설비가 있으며 최대 80m 블레이드까지 시험수행이 가능하다. 다수의 윈치를 사용하여 수평방향 정하중 시험을 수행하고 있으며, 블레이드를 장착하기 위한 시험설비인 테스트 리그(test rig)를 6개 보유하고 있다. LM Wind Power는 블레이드 정하중 인증시험 이외에도 블레이드의 극한강도를 직접 측정하기 위한 블레이드 파손시험 수행 이력을 갖고 있다.

유럽 1위 풍력시장을 갖고 있는 독일은 Fraunhofer IWES에서 2009년 블레이드 시험센터를 설립하였으며 최대 80m 블레이드까지 시험수행이 가능하다. 다음의 그림에서 보는 바와 같이 IWES 블레이드 시험센터는 다수의 유압 액추에이터를 사용하여 수직방향 정하중 시험을 수행하고 있으며, 2개의 테스트 리그를 보유하고 있다. 독일 풍력터빈 사인 Enercon은 <그림 3-2-3-10>에서 보는 바와 같이 IWES의 블레이드 시험방법을 도입하여 최대 70m 블레이드까지 시험수행이 가능한 자체 블레이드 시험센터를 건립하였다.

세계 최대 해상풍력 시장을 갖고 있는 영국은 Offshore Renewable Energy Catapult(ORE Catapult, 구 National Renewable Energy Center(NaREC))에서 2002년 블리스(Blyth)에 블레이드 시험센터를 설립하였다. ORE Catapult는 다음의 그림과 같이 세계 최대 규모의 블레이드 시험설비를 보유하고 있으며, 다수의 윈치를 이용한 수평방향 정하중 시험을 수행한다.

나. 미국

1990년대부터 블레이드의 실규모 구조시험을 시작한 미국은 National Renewable Energy Laboratory(NREL)가 시험기술 개발을 주도하였다. 콜로라도 볼더(Boulder)에 위치한 NREL 산하 National Wind Technology Center에서 블레이드 시험기술을 개발해 왔으며, <그림 3-2-3-13>에서 보는 바와 같이 MTS 사와 협력하여 블레이드 시험장비도 함께 개발하였다. 개발된 장비를 바탕으로 2011년 매사추세츠 보스턴(Boston)에 90m급 블레이드까지 시험을 수행할 수 있는 Wind Turbine Testing Center를 설립하였다. <그림 3-2-3-13>의 WTTC 시험센터는 다수의 유압 윈치(hydraulic winch)를 사용하여 수직방향 정하중 시험을 수행하고 있으며, 3개의 테스트 리그를 보유하고 있다. 메인대학교(University of Maine)의 복합재료센터(Composites Center)에서는 2011년에 최대 70m급 블레이드까지 시험을 수행할 수 있는 <그림 3-2-3-16>의 블레이드 시험센터를 설립하였으며, 2014년 스페인 풍력터빈 업체인 Gamesa의 56m 블레이드에 대한 정하중 인증시험 수행이력을 갖고 있다.

다. 중국

풍력산업의 후발주자이지만 세계 최대 시장을 갖고 있는 중국은 블레이드 시험기술에서는 아직 낙후되어 있다. 중국 1위의 블레이드 시험센터는 스위스에 본사를 둔 글로벌 시험평가 기업인 SGS의 Wind Energy Technology Center (WETC)이다. 최대 70m 블레이드까지 시험을 수행할 수 있는 WETC는 2011년에 설립되었으며, <그림 3-2-3-16>에서처럼 3개의 테스트 리그와 MTS 시험 장비를 갖추고 있다. China General Certification Center (CGC)에서는 100m 블레이드까지 시험을 수행할 수 있는 <그림 3-2-3-17>의 블레이드 시험센터를 2011년에 설립한 후 U.S.-China Renewable Energy Partnership을 통해 미국 NREL로부터 블레이드 시험기술을 습득하기 위해 노력하고 있다.

대다수의 중국 블레이드 제조사 및 풍력터빈 제조사는 실외 테스트 리그를 이용하여 정하중 시험을 수행하고 있다. 중국 1위 블레이드 제조사인 Sinomatech Wind Power Blade는 실외 테스트 리그와 크레인을 사용하여 <그림 3-2-3-18>의 76m급 블레이드 정하중 시험을 수직방향으로 수행하였으며, 중국 2위 블레이드 제조사인 LZ Blade는 실외 테스트 리그에 도르래와 윈치를 이용하여 <그림 3-2-3-19>의 62m급 블레이드 정하중 시험을 수직방향으로 수행하였다.


부안 블레이드 시험센터, 국내유일·최대 70m 시험 수행

세계적 시험센터 유럽·美 분포, 中 시장 최대·시험 낙후



■ 블레이드 피로하중 시험기술

1) 국내 동향

국내 풍력터빈 블레이드 피로하중 시험은 2011년부터 시작되어 43.8~59.5m급 블레이드 5건의 인증시험이 수행되었다. 국내 초기 블레이드 피로하중 시험은 <그림 3-2-3-20>에서 보는 바와 같이 40m급 블레이드에 추가질량과 가진기를 장착한 후 플랩(flap) 방향과 에지(edge) 방향에 대해 각각 피로시험을 진행하는 단축공진 피로시험이었다. 블레이드가 점점 대형화되면서 보다 큰 시험 진폭을 보다 효율적으로 구현해야 할 필요성이 커졌으며, 이를 위해 2012년에 페어링(fairing) 기술이 개발되었다. 페어링은 블레이드 피로시험 중 공기유동에 의해 발생하는 에너지손실을 줄이기 위해 블레이드 팁 부근에 장착되는 초경량 구조물로 시험 진폭을 40% 이상 증가시킬 수 있다. 2014년에는 55.6m 블레이드에 <그림 3-2-3-21>과 같이 페어링을 장착한 후 플랩(flap) 과 에지(edge) 방향 시험을 동시에 수행하는 이축공진 피로시험기술을 시험 장비와 함께 개발하였으며, 이 기술을 적용하여 세계 최초로 이축공진을 이용한 블레이드 피로인증 시험을 독일 인증기관인 DEWI-OCC와 함께 수행하였다. 현재 재료연구소는 풍력터빈 블레이드의 이축공진 피로시험 기술에 있어서 세계 최고 기술을 보유하고 있다.

2) 해외 동향

가. 유럽

1984년 덴마크의 RISØ에서 <그림 3-2-3-22>와 같은 회전편심 질량을 이용한 탑재 방식의 장비를 사용하여 세계 최초로 블레이드 피로시험을 수행하였다. 이 장비는 공진현상을 이용하는 방식으로 편심 질량의 회전주파수를 블레이드의 공진주파수에 맞추어 회전시켜 블레이드에 시험 진폭을 발생시킨다. 이 기술은 현재에도 덴마크에 위치한 풍력터빈 블레이드 제조사와 시험센터인 <그림 3-2-3-23>의 Siemens, LM Wind Power, BLAEST 등에서 사용하고 있다.

영국 ORE Catapult는 회전편심 질량 대신 <그림 3-2-3-24>와 같은 선형 유압 액추에이터를 이용한 공진시험 방법을 사용하고 있으며, 이는 덴마크 방식보다 진보된 시험 방법이다. 회전편심 질량을 이용한 시험방식은 진폭에 매우 민감한 공진주파수 부근에서 시험주파수를 조절하여 블레이드 시험 진폭을 조절해야 하므로 정밀한 진폭조절에 어려움이 많다. 하지만 선형 유압 액추에이터를 이용할 경우 시험주파수 이외에도 액추에이터의 스트로크 조절이 가능하므로 보다 정밀한 시험 진폭 조절이 가능해진다.

또 다른 시험방식은 1986년 네덜란드의 Delft University of Technology에서 개발한 <그림 3-2-3-25>의 외부 가진기를 이용하는 방식이다. 개발 당시에는 공진을 이용하지 않고 직접 하중을 가하는 방식으로 시작하였으나, 블레이드가 점점 대형화되면서 공진 방식으로 변화하였다. 현재는 Delft University of Technology에서 분리된 WMC에서 이 방식을 이용하여 블레이드 피로시험을 수행하고 있다. 독일의 Fraunhofer IWES 또한 외부 가진기를 이용한 방식을 적용하고 있다. 이 외부 가진기는 <그림 3-2-3-26>에서처럼 긴 스트로크(stroke)를 갖는 유압 액추에이터로 구성되어 있다. 외부 가진기를 이용하는 방식은 외력을 직접 전달하기 때문에 회전 편심질량을 이용한 탑재방식의 회전 가진기나 유압 액추에이터를 이용한 탑재 방식의 선형 가진기와 달리 이송질량의 관성력을 이용하지 않는다. 이송 질량의 관성력을 이용할 경우 중력에 대한 일을 피할 수 없게 되는데, 외부 가진기는 이 점에서 중력에 대한 일을 피할 수 있어 관성력을 이용한 탑재 방식의 가진기에 비해 효율적으로 블레이드를 가진시킬 수 있다. 하지만 외부 가진기를 이용하는 방식은 유압 액추에이터의 오작동 시 블레이드를 파손시킬 위험성이 크다는 단점도 함께 갖고 있다.

나. 미국

미국의 NREL은 1990년대에 회전 편심질량을 이용한 탑재 방식의 회전 가진기가 갖는 한계를 극복하고자 <그림 3-2-3-27>과 같은 유압 액추에이터를 이용한 탑재 방식의 선형 가진기를 개발하였다. 미국 시험장비 제조사인 MTS와 함께 이 방식의 가진 구조를 더욱 개선하여 IREX라 불리는 <그림 3-2-3-28>의 시험장비를 개발하였으며 중국 및 스페인의 블레이드 시험센터에 IREX 장비를 판매하였다. 하지만 IREX 장비는 40m 이상의 대형 블레이드의 피로시험을 수행하기에 장비용량이 충분하지 않아 GREX라 불리는 <그림 3-2-3-29>의 외부 가진기를 추가로 개발하였으며, 이 장비 또한 중국 및 스페인의 블레이드 시험센터에 판매하였다.

다. 중국

중국은 2014년 9월 중국 내 풍력터빈 인증에서 블레이드의 피로시험을 강제화하면서 본격적으로 블레이드 피로시험에 관심을 두기 시작했다. 초기에 덴마크의 회전 편심질량을 이용한 탑재 방식의 회전 가진기를 벤치마킹(benchmarking)하여 <그림 3-2-3-30>과 같은 장비를 개발하고자 노력하였으나 대형 블레이드에 적용하기에는 장비의 용량이 부족하였다. 이후 <그림 3-2-3-31>에서처럼 미국 MTS사의 IREX 장비를 도입하여 블레이드 시험을 수행하였으나 이 장비 역시 40미터 이상의 블레이드에 적용하기에는 장비의 용량이 부족하다. 현재 중국에서 블레이드 시험 관련 국제표준인 IEC 61400-23을 만족하는 피로시험을 수행할 수 있는 블레이드 시험센터는 SGS-WETC가 유일하다. SGS-WETC는 회전 편심질량을 이용한 탑재 방식의 회전 가진기와 미국 MTS사의 IREX 및 GREX 장비를 모두 보유하고 있다.
<그림 3-2-3-6>휘플 트리(whiffle tree)를 이용한 블레이드 정하중 시험(a)과 윈치(winch)를 이용한 블레이드 정하중 시험(b)
<그림 3-2-3-7>세계의 블레이드 시험센터
<표 3-2-3-1>블레이드 시험평가 기술–국내 선도연구기관
<표 3-2-3-2>블레이드 시험평가 기술–해외 선도연구기관

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