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 풍력발전이야기 
풍력터빈의 설계

풍력터빈(Wind Turbine)은 우리가 주위에서 쉽게 접할 수 있는 청정 에너지원인 바람을 이용해 생활에 필요한 전기 에너지를 생산하는 전력 변환장치를 의미한다. 약 50년 전에 현대적 개념의 200 kW급 풍력터빈이 덴마크의 Gedser Coast 에 의해 개발된 이후 1973년 오일 쇼크를 거치면서 풍력터빈의 설계 기술은 비약적으로 진보되었다. 최근 들어 독일과 덴마크를 중심으로 2.5 ~ 3MW 이상의 대형 풍력터빈이 개발되면서 풍력발전에 대한 다양한 연구가 진행되어 전체 에너지 생산량의 상당부분을 풍력 에너지로 대체하고 있다. 이번 호에서는 이러한 풍력터빈의 설계 개념 및 절차에 대해 설명한 후 본사에서 개발중인 750 kW급 풍력터빈에 대해 소개하고자 한다.


1. 풍력터빈의 이해
풍력터빈은 로터 블레이드를 통해 외부 바람 자원으로 부터 얻은 회전 운동 에너지를 이용해 전기 에너지를 생산하는 전력 변환장치이다. 이러한 풍력터빈은 그림 1에서 알 수 있듯이 바람으로 부터 회전에너지를 만드는 회전자(Rotor), 전기를 생산하는 발전기(Generator), 회전자의 회전에너지를 발전기로 전달하는 구동장치(Drive Train), 이러한 주요 장치를 지면으로 부터 높이 위치시키기 위한 타워(Tower)로 구성된다. 그림 2는 세계 최초로 개발된 현대적 개념의 풍력터빈(Gedser Turbine)으로서 회전자의 직경이 20미터, 정격 출력 200 kW 이며, 1957년 덴마크에 설치되어 11년 동안 유지보수 없이 정상적으로 운전되었다. 또한, 그림 3은 덴마크 Vestas사에서 제조된 V80 모델로서, 회전자 중심부의 높이는 지면으로부터 80미터, 회전자의 직경은 80미터, 정격출력은 2000 kW 이다. 이 두 모델의 비교에서 알 수 있듯이 지난 50년 동안 풍력터빈 설계 기술은 비약적으로 발전해 왔다.



2. 풍력터빈의 설계
2.1 설계 기준
IEC(International Electrotechnical Commi-ssion) 61400-1 규격에서 규정하는 풍력터빈 전체 시스템의 구조에 대한 설계 기준은 다음과 같다.

■극한강도 : 극한 풍속에 의한 풍력터빈의 극한강도는 아래와 같이 Safety margin, SSt≥1.0 의 조건을 만족해야 한다.

여기서 σ : 하중, σa : 재료의 허용응력, γF : 하중의 안전계수, γM : 재료의 안전계수 이다.

■피로강도 : 20년 동안 반복적인 하중에 의한 풍력터빈의 피로강도는 아래와 같이 Damage, D 1.0 의 조건을 만족해야 한다.


여기서 ni : 작용하중의 빈도, Ni : 재료의 피로수명 이다.
■구조적 안정성 : 비틀림이나 좌굴이 발생하지 않아야 한다.

2.2 설계 조건
바람의 풍속, 풍향은 일정하지 않고 항상 변화하므로 풍력터빈에 반복적인 피로하중 및 극한하중을 유발시킨다. IEC 61400-1 에서는 풍력터빈의 수명이 최소 20년 이상이 되도록 설계시 고려해야 하는 하중조건들을 아래 표 1과 같이 정의하였다.


2.3 설계 절차



3. 750 kW급 Gearless형 풍력발전 시스템 개발
3.1 시스템 설계

본사의 기술연구소 풍력개발팀에서는 2002년부터 750 kW급 Gearless형 풍력터빈(이하 KBP-750D)을 개발(과제명: 750 kW급 Gearless형 풍력발전 시스템 개발, 2002. 1. ~ 2004. 12., 에너지관리공단)하고 있으며, 2004년 12월까지 개발을 완료하여 시제품을 설치할 계획이다.
KBP-750D의 주요 특징은 영구자석을 이용한 동기발전기를 사용하며, 구동장치 내에 기어박스가 없는 Gearless Type의 직접 구동방식으로 설계되었다. 그림 5는 본사에서 개발 중인 풍력터빈(KBP-750D)의 기계장치 구성을 도시한 것이다. 3개의 로터 블레이드가 로터 허브에 조립되며, 로터 허브 내에 제어장치(Pitch Control System)를 설치하여 가변적인 풍속에 대해 블레이드의 깃각을 자동 조정하여 시스템의 성능을 유지할 수 있도록 설계하였다. 또한 풍향이 변할 경우 풍향이 블레이드의 회전 평면과 수직을 유지할 수 있도록 나셀을 회전시키기 위해 타워 상단에 요 시스템(Yaw System)을 장착하였다. 요 시스템은 그림 5에서 알 수 있듯이 3개의 전기 모터와 베어링으로 구성된다. 회전자에 의한 운동에너지는 구동장치 내의 회전축을 통해 발전기로 직접 전달되며, 회전축은 나셀 프레임과 2개의 베어링으로 조립되어 있다.

3.2 주요 기계장치 설계


■나셀 프레임 : 나셀 프레임은 회전자와 발전기를 연결하는 회전축을 지지하기 위한 구조물로서 용접 공정을 통해 제작된다. 바람 하중에 의한 굽힘응력이 가장 크게 작용하며, 용접부에서 응력집중이 발생한다. 따라서 돌풍에 의한 극한하중, 20년 이상의 운전에 따른 피로하중을 견디기 위해 하중을 분산시킬 수 있는 구조로 설계하였다. 그림 6은 수치해석을 통해 바람 하중에 의한 나셀 프레임의 응력 분포를 계산한 것이다.

■회전축 : 회전축은 회전자와 발전기를 연결하는 중요한 장치로서 운전기간 중 계속 회전하기 때문에 피로하중에 대한 내구성 설계가 가장 중요하다. 또한 베어링 고정을 목적으로 회전축 표면에 여러 개의 홈을 파게 된다. 이러한 홈은 노치라 부르며, 응력집중과 피로파괴의 직접적인 원인이 된다. 따라서 구조적 내구성을 유지할 수 있도록 노치의 형상, 위치를 설계하였다. 그림 7은 수치해석을 통해 회전 토크에 의한 회전축의 응력 분포를 계산한 것이다.

■로터 허브 : 로터 허브는 3개의 블레이드가 조립되는 장치로서 형상이 매우 복잡해 주조 공정을 통해 제작된다. 그림 8은 회전자가 회전할 때 로터 허브 내에 발생하는 응력 분포를 시뮬레이션을 통해 계산한 것이다. 적색 부분은 블레이드가 조립되는 부분으로 응력이 집중되는 곳을 의미한다. 설계 단계에서 여러 차례의 시뮬레이션을 통해 이 부분이 충분한 내구성을 가질 수 있도록 두께를 결정하였다.

■타워 : 타워는 풍력터빈의 회전자, 구동장치, 발전기 등 모든 기계장치를 지면으로부터 높이 위치시키기 위한 지지 구조물이다. 타워의 하단은 땅속으로 매설되며, 상단은 요 시스템이 조립되어 모든 기계장치가 놓이게 된다. 높이는 50미터, 평균 직경은 3미터 로서 원통형 실린더 형상을 갖는다. 동적 하중에 가장 취약하며, 타워의 고유진동수를 계산하여 운전시 공진을 피하는 방향으로 설계하였다. 또한, 좌굴에 의한 붕괴의 위험이 있으므로 설계단계에서 좌굴해석을 통해 타워 형상을 결정하였다. 그림 9는 타워 상단부에 분포하는 응력을 계산한 것이다.

3.3 시스템의 사양


4. 맺음말
풍력터빈 기술개발의 선진국가들은 이미 1960년대부터 개발에 착수하여 시대별로 다양한 형태의 풍력터빈들에 대한 기술과 경험을 축적해오고 있다. 그 결과, 1970 ~ 1980년대 사이에 개발된 수평축, 기어박스, 유도발전기, 정속운전 등의 특징을 갖는 정통 덴마크형 풍력발전기가 1990년대 풍력터빈의 주류를 이루게 되었다. 이후 Gearless, 영구자석을 이용한 동기발전기, Variable speed, Pitch control의 특징을 갖는 풍력터빈이 개발되어 세계시장에서 그 가능성을 인정 받고 있다. 최근 풍력터빈의 기술개발 동향은 Variable speed, MW class, Pitch control 분야로 집중되고 있다. 현재 본사에서 개발중인 750 kW급 Gearless형 풍력터빈은 이러한 최근 설계기술이 집약된 것으로서 향후 MW class 풍력터빈 개발의 기반기술이 될 것이다.




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