■ 기술의 정의 및 분류

블레이드 인증시험은 풍력터빈의 개발에 있어서 반드시 수행해야 할 필수 시험으로 정하중 시험과 피로하중 시험 두 종류로 구분된다. 정하중 시험은 블레이드의 극한강도를 검증하기 위한 시험이며, 피로하중 시험은 블레이드의 수명을 검증하기 위한 시험이다. 블레이드 시험 관련 국제표준인 IEC 61400-23에서는 블레이드 정하중 시험을 수행하여 극한강도를 검증한 후, 동일 블레이드에 대해서 피로하중 시험을 수행하여 수명을 검증하고, 마지막으로 다시 정하중 시험을 수행하여 잔류강도를 검증하도록 명시되어 있다.

블레이드 인증시험에 사용되는 목표하중은 다양한 바람 조건에서의 풍력터빈 해석을 통해 구해진다. 육상풍력터빈의 하중해석은 국제표준인 IEC 61400-1을 따라 수행되며, 고정식 해상풍력터빈의 하중해석은 국제표준인 IEC 61400-3-1을, 부유식 해상풍력터빈의 하중해석은 국제표준인 IEC 61400-3-2를 따라 수행된다. 정하중 시험의 목표하중은 다양한 하중해석조건에서 구해진 블레이드 각 위치별 극한하중 결과에 블레이드 간의 물성산포를 고려한 안전계수와 온도에 따른 강도변화를 고려한 안전계수를 각각 곱해서 구해진다. 피로하중 시험의 목표하중은 다양한 하중해석조건에서 구해진 블레이드 피로하중을 동일한 피로 데미지를 발생시키는 일정진폭의 등가하중으로 변환시킨 후 블레이드 간의 물성산포를 고려한 안전계수, 파손발생 시 위험도를 고려한 안전계수, 등가하중 유도에서 발생하는 오차를 고려한 안전계수를 각각 곱해서 구해진다.

시험하중은 시험 중 발생하는 실제하중으로 목표하중에 최대한 근접한 목표하중 이상의 하중이다. 인증시험 전에 수행되는 시험해석은 시험하중을 발생시키는 최적의 테스트 셋업(test setup)을 찾는 과정이며, 테스트 셋업 및 해석결과를 포함한 테스트 플랜(test plan)은 인증기관으로부터 사전에 승인받아야 한다. 블레이드 인증시험은 승인된 테스트 플랜을 따라 수행하며, 측정된 시험하중은 시험성적서(test report)를 통해 인증기관에 보고된다. 인증기관은 이 시험성적서 결과를 바탕으로 블레이드 인증서 발급 여부를 결정하게 된다.

■ 기술의 원리

블레이드 정하중 시험기술의 원리는 <그림 3-2-3-2>와 같다. 정하중 시험의 목표하중은 블레이드에 걸리는 굽힘 모멘트(beding moment)이다. 길이 60m 이상의 블레이드는 최대 변형 시 블레이드 팁(tip)이 20m 가까이 움직이기 때문에 비선형 거동을 하게 된다. <그림 3-2-3-2>에서 보는 바와 같이 블레이드 대변형 후에는 모멘트 암(moment arm)이 짧아지기 때문에 이 효과를 고려한 블레이드 위치별 굽힘 모멘트를 계산해야 한다. 일반적으로 하중은 네다섯 군데의 서로 다른 위치에 가해지며 블레이드의 최대 변형상태에서 하중이 블레이드 면에 수직이 되도록 위치시킨다. 블레이드 위치별 100% 시험하중은 이러한 분산된 하중이 일으키는 굽힘 모멘트의 합력이다.

풍력터빈 내구성 문제, 시험기술 개발 필요

목표 하중 맞는 큰 시험 진폭 구현이 핵심

블레이드 피로하중 시험기술의 원리는 <그림 3-2-3-3>과 같이 공진현상을 이용하여 시험 진폭을 구현하는 것이며, 목표 하중에 맞는 큰 시험 진폭을 구현하는 것이 시험기술의 핵심이다. 백만 사이클 수준에서 길이 60m급 대형 블레이드의 피로시험을 진행하기 위해서는 건물 사오층 높이와 맞먹는 10~15m 높이의 왕복운동이 필요하다. 일반적인 직접하중 부가방식으로는 이러한 대규모 변형을 구현하기 힘들기 때문에 구조의 공진현상을 이용하여 효율적으로 대규모 변형을 발생시켜야 한다. 공진에서 블레이드에 걸리는 시험하중은 앞에서 언급된 정하중 시험원리와 달리 외부에서 가해준 하중에 의해 결정되지 않는다. 공진은 외력이 없는 상태의 자유진동이므로 자유진동 형상을 의미하는 모드 형상(mode shape)이 블레이드 시험하중 분포를 결정하게 된다. 시험하중을 조절하기 위해서는 모드 형상의 조절이 필요하며, 이를 위해 블레이드 위에 적절한 양의 추가질량을 부착하여 블레이드에 걸리는 굽힘 모멘트의 분포를 조절한다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

풍력발전은 기후변화대응 관점에서 가장 현실성 있는 대체에너지원이다. <그림 3-2-3-4>에서 보는 바와 같이 2000년 이후 유럽에 누적 설치된 에너지원 현황을 보면 1위가 풍력발전, 2위가 가스, 3위가 태양광 순서이며 다른 에너지원의 증가는 미미하고 원자력, 화석에너지원은 오히려 기존 발전시설을 감축하고 있다. 파리협약 이후 기후변화대응을 위해 기존의 GW급 화력발전 시설들을 신재생에너지로 전환시켜야하며, 이 때 GW급의 대형발전단지 구축이 가능한 풍력발전이 가장 현실성 있는 대체에너지원이다.

풍력터빈의 대형화로 GW급 발전단지의 구축이 가능해졌지만, 다른 한편으로는 풍력터빈의 내구성에 대한 문제가 야기되고 있다. <그림 3-2-3-5>는 풍력발전단지에서 발생된 풍력터빈 블레이드의 파손 사례를 나타내고 있다. 길이 수십 미터의 블레이드가 운영 중 파손될 경우 단순 구조물 파괴뿐만 아니라, 대형구조물의 추락에 의한 2차 피해가 나타날 수 있으므로 심각한 문제가 된다. 이를 방지하기 위해 2010년 기존의 블레이드 정하중 시험에 블레이드 피로시험이 추가 필수시험 항목(IEC 61400-22)으로 강제화되었다. 2014년에는 더 나아가 잔류강도 검증을 위한 피로 후 정하중 시험이 필수시험 항목으로 강제화(IEC 61400-23)되었다. 이러한 노력에도 불구하고 아직도 인증이 완료된 블레이드의 운영 중 파손이 세계적으로 매해 30건 이상 보고 되고 있다. 따라서 문제 해결을 위해 보다 정확한 블레이드 시험기술 개발이 필요한 상황이다.

▲ <그림 3-2-3-1>블레이드 인증시험.

▲ <그림 3-2-3-2>블레이드 대변형을 고려한 정하중 시험의 원리.

▲ <그림 3-2-3-3>공진을 이용한 블레이드 피로시험의 원리.

▲ <그림 3-2-3-4>유럽연합(EU)에 설치된 전력 에너지원 현황 및 풍력발전의 위치(2000-2014년).

▲ <그림 3-2-3-5>풍력발전단지에서의 블레이드 파손 사례.