“안전성과 경제성을 갖춘 신소재 풍력타워 기술은
유망산업인 신재생에너지 분야에서 우리나라의 기술경쟁력을
향상시킬 것으로 기대된다.”
2020년 신기후체제가 가동되면서 현실성 있는 청정에너지원으로 해상풍력이 각광받고 있다. ‘바다 위의
발전소’인 해상풍력발전기는 점점 대형화되고 있는 추세로, 소재 특성상 안전에 취약하고 비용이 비싸다는
단점이 있다. 이러한 때 안전성과 경제성을 갖춘 신소재 풍력타워 기술개발 소식은 국내 해상풍력발전
시장에 활기를 불어넣고 있다.
해상풍력 발전단지 건설로
신재생에너지 확보
화석연료의 고갈과 원자력에너지에 대한 불안감이 높아지면서 세계 각국은 앞다투어 신재생에너지 개발에
앞장서고 있다. 이중 풍력에너지는 생산성이 높은 분야로 이미 선진국들은 해상풍력 발전단지 건설에 뛰어
들고 있다. 한국신재생에너지협회 자료에 따르면 유럽은 현재 총 13개의 해상풍력단지를 건설중으로 완공
시 전체 설비용량 규모가 4.2GW를 넘을 것이로 예상되며 영국, 독일, 핀란드, 덴마크 4개국은 총 3.7GW 규
모의 해상풍력 프로젝트 7개에 총 140억 유로(약 17조 5,471억원)를 투자한 것으로 나타났다. 중국은 2010년
상하이에 아시아 최초로 해상풍력발전소를 전면 가동한 데 이어 2020년까지 장쑤, 산둥, 저쟝성 등에 대형 해
상풍력단지를 건설할 계획이다. 우리나라는 2010년 세계 3대 해상풍력 강국으로 도약하겠다는 비전을 내걸
고 ‘해상풍력발전 산업 추진 로드맵’을 발표했으며, 현재 2.5GW 규모의 서남해 해상풍력사업을 추진하고 있
다. 육상풍력발전과 달리 바다 한 가운데에 풍력발전기를 세우는 공사는 매우 복잡하며, 수심의 깊이와 발전
용량에 따라 지지구조의 비중이 커지므로 많은 비용이 발생한다. 해상풍력타워의 주재료는 ‘강재’로, 진동에
취약하고 부식이 빠른 특성 탓에 안전성에 문제가 있으며 유지보수비용도 만만치 않다. 이를 해결하기 위해
서는 해상풍력발전 기초구조물의 혁신기술 개발을 통해 경제성과 안전성을 확보해야 한다.
해상풍력타워의 설계기술 확보 위해
설계가이드 제작
풍력에너지 산업성장에 발 빠르게 대처하고 기존 강재 풍력타워의 문제점을 해결하기 위해 본 연구팀에서는
‘ICH RC’ 구조와 ‘FRP’를 적용한 ‘DSCT 구조’의 신형식 풍력타워 개발을 수행했다. ICH RC 구조는 콘크리트와
강재를 결합한 합성구조로, 철근 콘크리트 기둥의 중공면에 내부 강관을 설치하여 기둥의 강도와 연성을 향
상시켰다. 섬유보강 폴리머인 FRP(Fiber Reinforced Polymer)는 현재 항공기나 자동차에 사용되는 고강도 복
합재료로 내부식성이 강해 해양환경에 적합하다. 연구팀은 FRP관 사이에 콘크리트를 채우는 DSCT 구조를
통해 신형식 복합구조타워를 개발했으며, 개발된 기술의 실용화를 위해 다수의 국내외 특허를 출원하고 등
록했다. 아울러 신형식 풍력타워의 실제 적용을 위한 이론의 정립과 실험적 검증을 수행하여 연구결과를 세
계저명학술지에 게재해왔고 비선형 해석프로그램(CoWiTA)과 유한요소해석 프로그램을 통해 복합구조 풍
력타워의 거동을 분석했으며, 그 결과 안전성을 갖췄다는 평가를 받았다. 신형식 풍력타워의 설계기술 확보
를 위해 설계가이드도 제작했으며, 관련 프로그램도 개발했다.
FRP는 섬유의 보강 각도에 따라 성능의 차이가 발생하기 때문에 최상의 보강각도를 찾아내는 것이 중요하다. 연구팀에서
는 이를 위해 최적의 보강각도를 산출하고 생산방법을 정립했다. ICH RC 구조는 크게 콘크리트부와 내부강관, 종·횡방
향 철근으로 이뤄지며, 풍력타워 개발 시 4~5개의 모듈이 하나의 타워를 구성하여 무게에 따라 3~4개의 세그먼트가 하나
의 모듈을 구성한다. 각 모듈의 내부강관과 철근이 연결되어 타워가 구성되며 모듈 접합부의 내부강관은 볼트나 용접으
로 연결된다. 이렇게 조립된 풍력타워의 상부에 풍력터빈이 설치되어 계통연계가 이뤄지면 풍력발전시스템이 완성된다.
연구진은 개발기술이 산업화될 수 있도록 관련 기업에 기술이전을 적극 추진하고 정기 자문회의를 통한 실무자의 요구사
항 반영을 통해 실무적용 효율성 및 현장 활용성을 높이고 있다.
내부식·고내구성 갖춘 복합 신소재
풍력타워 기술 확보
본 연구를 통해 개발된 풍력타워는 강도와 내구성이 탁월하여, 기존 풍력타워보다 작은 직경으로도 더 큰
용량의 풍력발전기를 지지할 수 있다. 복합 합성구조 풍력타워는 초기에 3MW급 대응으로 개발이 시작되
었으나, 대용량 터빈에 적합한 합성구조를 갖춤에 따라 5~7MW급의 대형 터빈을 대상으로 적용할 수 있도
록 연구가 수행되었다. 신형식 합성타워 기술은 국내 해상풍력발전단지 프로젝트의 기본자료이자 해양플랜
트 핵심기술 개발에 필요한 기초자료로 제공되는 것은 물론 국제 공인인증을 획득한 비선형 해석 프로그램
(CoWiTA)의 보급을 통하여 실제 설계에 활용가능할 것으로 보인다. 내부식·고내구성을 갖춘 복합 신소재
풍력타워 기술은 기존재료로 만들어진 모든 구조물에 대체가능하기 때문에 기술을 갖춘 벤처기업의 성공을
이끌 수 있다. 특히 해상풍력 기초 및 파일과 바닥판, 보 등 항만구조물 까지 확장하여 적용할 수 있다는 장점
이 있다. 연구팀은 개발된 기술의 실용화를 위해 다수의 국내외 특허를 출원하고 등록했으며, 신형식 풍력타
워의 실제적용을 위한 거동이론을 정립하고, 실험적 검증을 수행하여 연구결과를 세계 저명학술지에 게재했
다. 정립이론을 바탕으로 해석 프로그램과 설계 프로그램을 개발해 향후 신기술의 보급에 크게 기여하고, 유
망산업인 신재생에너지 분야에서 우리나라의 기술경쟁력을 향상시킬 것으로 기대된다.
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