허 용 학 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
최근 풍력에너지 발전기술이 해상 풍력 및 대형 풍력으로 천이되어 감에 따라 더 향상된 신뢰성 기술을 요구하고 있 고, 풍력 블레이드는 풍력발전시스템에서 고장 빈도가 비교적 낮지 않고, 고장 발생 시 심각도가 상대적으로 높아 신 뢰성을 고려해야 하는 부품이다. 블레이드 제작 생산 과정과 사용 중에 발생하는 손상 및 결함은 신뢰성의 심각성에 큰 영향을 미치고 있어 본 기술에서는 블레이드에서 발생할 수 있는 결함 유형, 결함을 탐지하는 기술 그리고 신뢰성 을 평가하는 시험/평가 기술에 대하여 소개하고자 한다.
풍력발전 블레이드 기술
풍력발전 블레이드는 공역학적으로 최적화된 유선형 의 단면 형상으로 블레이드에 작용하는 공력 하중에 충 분히 강하고 안전하게 설계 제작되며, 블레이드 각 부 분의 공력 하중에 적합한 강성과 경량의 재료로 제작된 다. 블레이드에 작용하는 풍하중은 블레이드의 각 부분 에 플랩방향(flapwise)과 에지 방향(edgewise)의 굽힘 모멘트, 자중, 축 방향의 인장, 압축 등을 발생시키고 블 레이드는 이러한 응력을 지지할 수 있는 외부 셸(shell) 과 박스 빔(box beam)과 같은 스파(spar)로
구성된다. 대부분의 블레이드는 에폭시와 같은 매트릭스에 섬유 강화된 복합재(FRP composite)로 제작되고, 블레이드 스팬방 향으로 하중을 지지하는 스파(spar)는 단축 방향의 복합재가 부착되는 샌드위치 폼이 그리고 패널(wide panel)부분은 발사 샌드 위치(balsa sandwich)가 사용되고, 스파와 외 부 복 합 재 스 킨 은 접 합 재 로 본 딩 (bonding)되어 있다. 이러한 기본 구조로 만들어지는 블레이드가 장대화되기 위하여 효율적인 비용-품질을 확보하는 것이 필요
하며 블레이드 설계, 재료 및 생산에 대한 기술적 향상 이 요구된다. 공역학적 성능 향상, 블레이드 길이 및 재 료 기술에 의하여 에너지 비용(LCOE)을 저감 혹은 직 접적인 재료 비용(DM) 저감, 실제 에너지생산량(AEP) 향상 그리고 소음 저감 내구성 향상 등을 이룰 수 있는 설계 기술, 무게 대 비용 효과적인 성능을 향상시킬 수 있는 재료 기술, 그리고 자동화 및 몰드 비용 저감 등을 통한 생산 기술 향상 등이 연구되고 있다. 그림 1은 이 러한 블레이드 기술을 고려한 첨단 기술이 포함된 블레 이드 개념의 한 예를 나타낸다.
풍력발전 블레이드 제작 및 사용에서의 신뢰성 기술
그림 1 첨단 기술 블레이드 개념도(Ref. Wendy Lin, WInd Blade Technologies to Enable New Paradigms)
블레이드 파손 유형
복합재료 블레이드의 제작과 접합(bonding) 공정에 서는 다양한 유형의 제작 결함이 발생할 수 있으며, 이
의 제작 공정과 접합 공정 과정에서 발생하는 일반적인 제작 결함은 그림 2와 같은 층간분리(delamination), 접 착이 이루어지지 않는 부분 혹은 기공, 불완전한 경화, 복합 층간의 주름, 강화 섬유 결함, 섬유방향의 오류, 접 착분리, 섬유 방향을 따르는 모재 균열 등이 발생할 수 있고, 사용 중에는 이물질의 충돌, 낙뢰 등에 의한 손상 이 발생하고, 블레이드의 대 변형으로 타워와의 충돌에 의한 손상, 블레이드 표면의 침식 그리고 과하중 혹은 주기적인 하중에 의한 복합재료의 계면 손상 등이 발생 하게 된다. 이와 같은 블레이드의 제작 및 사용 중 발생 하는 손상은 그림 3에서 보여준 바와 같이 사용 중 블레 이드 파손에서 발생한 손상 유형의 50% 이상이 제작상 의 결함으로 발생하고 있다.
블레이드 신뢰성 기술
세계의 풍력발전 기술의 방향이 대형화 및 해상 풍력 으로 전개됨에 따라 풍력발전 블레이드를 포함한 시스 템의 신뢰성은 세계 시장 경쟁력 확보를 위해서 가장 중요한 요인으로 등장하고 있다. 유럽(EU)의 “2030 Vision”에서도 2030 Vision을 실현하기 위해서 발전시 스템의 신뢰성 극대화는 풍력발전 기술의 전략적 연구 분야에서 주연구 분야로 설정하고 있다. 미국에서도 2008년도부터 기대 이하의 신뢰성과 증가하는 유지 관 리 비용 등에 의한 산업체 위기에 특별히 관심을 가지 게 되어 DOE 협력 프로그램이 시작되었고, 이는 DOE 지원 CREW(Continuous Reliability Enhancement for Wind) 데이터베이스 사업이 Sandia 국립 연구소 중심 으로 시작되어 미국 내 풍력발전기 신뢰성 성능 기준을 설정하고 부분품 수준의 파손과 정지시간에 대한 주요
그림 2 블레이드 제작 공정상 발생하는 손상 유형
그림 3 블레이드 파손 원인별 분석 (출전: WINDPOWER, 2005)
그림 4 CREW로 ORAPWindⓇ데이터 전달 절차
풍력발전 블레이드 제작 및 사용에서의 신뢰성 기술
요인을 찾고자 신뢰성이 가능한 풍력발전소 운영 데이 터의 국가 신뢰성 데이터베이스를 구축하고 있다. 그림 4는 샌디아 국립연구소에서 구축하고 있는 CREW의 연 계도를 나타내며, 그림 5는 2012년 미국 내 풍력발전기 기준에 따른 비 이용률(unavailability)을 나타낸다. 풍 력발전기 블레이드는 발전기, 제어시스템과 함께 2012 년에 미국 내 이용률이 낮은 3대 부품으로 인식되고 있 고 최근 3년 내에서도 이용률이 낮은 2대 부품으로 선 정되어, 신뢰성을 지속적으로 향상시켜야 하는 부품으 로 인식되고 있다.
또한 미국에서는 블레이드 신뢰성 협력 프로그램 (BRC: Blade Reliability Collaborative)을 SANDIA, NREL, MSU, 산업체 그리고 대학 기관 등이 참여하여 진행하고 있고, 이로부터 풍력발전 현장에 도달되는 블 레이드의 신뢰성 향상에 요하는 기술을 조사하며, 주요 신뢰성 인자로서는 수지 주입 품질, 검사 능력, 접합 품 질, 환경 보호, 조립 라인, 인증 및 기술 피드백 등에 대 한 데이터를 확보하고 있다.
독일의 Fraunhofer Wilhelm-Klauditz-Institut(WKI)에 서는 복합재 풍력발전 블레이드에서 결함 허용 설계 개 념을 정립하고 있으며, 제작에서부터 결함을 검사하는 단계적 방법과 함께 이에 대한 신뢰성 모사 및 해석을 진행하고 있고 그림 6과 같은 체계도로 이루어지기를 제안하고 있다.
블레이드 손상 검출 기술
블레이드 제작 결함 탐지 및 결함 발생 영향을 포함 하는 신뢰성 정량화를 위하여 스마트 측정 기술 개발이 진행되고 있다. 블레이드 제작 품질 및 성능을 향상시 킬 수 있는 공정상의 결함 탐지 능력, 이에 따른 성능의 향상을 측정할 수 있는 기술 그리고 공정 연계기술의 개발이 이루어지고 있다. 그림 7에서와 같이 블레이드 의 설계를 시작으로 생산, 검사, 손상 임계 하중 이하에 서의 시험 그리고 인증 절차의 단계로 이루어지고, 이
런 절차 후 블레이드는 풍력발전에 사용되고 각 단계에 서는 블레이드의 신뢰성을 확인하기 위한 각각의 검사 기법이 활용되도록 제안되고 있다.
블레이드 결함은 제작 공정상에서 일차적으로 검사 할 수 있는 공정 내(in-process) 검사 기법으로 탐지하 고 최종 검사단계에서는 초음파 및 열영상 등의 검사 기법을, 작은 하중에 의한 시험에서는 하중 부하 장치
그림 5 풍력 시스템의 비이용률 데이터; 발생 빈도수와 정 지시간
그림 6 블레이드 제작에서의 결함 허용 구조 고려 모식도 (Ref. Defect-Tolerant Structural Design of Wind Turbine Blades, Kyle K. Wetzel, EWEC 2009)
그림 7 블레이드 생산 공정 단계에 따른 신뢰성 검증 절차
하중하에서 음향 방출 센서로 결함 부위에서 발생하는 소리를 모니터링함으로써 결함의 위치 및 결함 정도를 정량적으로 나타나게 한다. 초음파 기술(UT)은 블레이 드 표면 밑의 공기 틈이나 작은 결함들에서는 반사되어 돌아오는 원리를 이용하여 결함의 크기, 형태 등에 대 한 정보를 얻을 수 있으므로 비파괴검사 중 대표적인
경우 얇은 복합재료의 층간 박리나 디본딩(debonding) 등을 초음파 가진을 통하여 결함부에 운동에너지를 부 과하여 그 부분에서 열분포를 만들어 내고 이를 통해 결함의 존재를 가시화하는 기술이며, 현재 검출 능력을 향상시키는 연구가 진행되고 있다(그림 9 참조). 레이 저 초음파 기술(LUT)은 레이저빔 조사(impinging)에 의
그림 9 블레이드 결함 탐지를 위한 열영상시스템 (Fraunhofer Institute, Germany)
그림 8 초음파 검출법에 의한 (a) 현장 검사 및 (b) 결함 검출(SNL, USA)
(a) (b)
그림 10 디지털 이미지 상관법(DIC)에 의한 블레이드 손상 가시화(RISO, Denmark)
풍력발전 블레이드 제작 및 사용에서의 신뢰성 기술
해 발생하는 초음파를 이용하며 비접촉 원거리 고속 스 캐닝이 가능하여 자동으로 공정 중에 결함을 검출하고 영상화할 수 있는 비파괴 검사 신기술로 개발되고 있 다. 이외에도 한국표준과학연구원, 덴마크 RISO 등에 서 디지털 이미지 상관 기법(DIC: Digital Image Correlation)이 결함 정량화 검출 기술로 개발되고 있 다.(그림 10 참조)
풍력발전 블레이드의 운영 및 관리(O&M: Operation
& Maintenance)는 사용 중 결함을 검출하기 위하여 앞 에서 언급한 비파괴적 기법을 이용하고 있으며, 검사 능력을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 사용 중의 결함 혹은 손상을 상시적으로 모니터링하기 위하여 스 마트 구조 건전 모니터링(SHM) 기법에 대한 연구가 블 레이드 제작 시 광섬유의 삽입 혹은 임피던스 센서, 음 향 방출 센서 등을 블레이드 재료내부에 함침(embed ding)의 방법으로 진행되고 있다.
블레이드 손상 평가 기술
블레이드에 존재하거나 발생하는 손상에 대한 구조 임계성은 해석적, 실험적 및 통계적 접근으로 평가하고 있다. 블레이드 손상에 대한 해석적 모델은 손상의 발 생, 유형, 성장 그리고 최종 파단 등을 예측할 수 있도록
이루어지며 파손 기준, 손상 논리 그리고 손상 거동을 포함한다. 손상 모델링은 손상을 모사하는 재료 열화를 고려하는 연속체 손상 모델링(CDM)과 실제 손상을 모 델링하는 이산 손상 모델링(DDM)이 개발되고 있다. 통 계적 신뢰성 평가에서는 블레이드에 작용하는 하중, 재 료 거동, 구조적 특성에 대한 통계적 분석 데이터와 사 용 중 평가에 의해 얻어진 손상의 통계적 분석을 기반 으로 통계적 구조 해석을 하게 되고 이로부터 신뢰성/
위험평가 사용 수명 추정이 이루어지도록 하고 있다.
블레이드 구조 시험 및 평가 기술
블레이드의 구조적 건전성을 평가하거나 인증 성능 을 평가하기 위한 시험 규격으로 IEC61400-23이 있다.
일반적으로 IEC 표준에 근거한 인증에서는 블레이드의 실규모 정적 및 피로 구조 성능을 평가하도록 권고하고 있으나, GL 인증 기준에서는 정적 구조 성능만을 측정 하고 있다. 그러나 최근 풍력발전기의 신뢰성 문제가 깊이 고려되면서 일반적으로 블레이드의 정적 및 피로 성능을 같이 평가한다. 실규모 블레이드의 정적 성능은 블레이드의 플랩 방향과 에지 방향, 그리고 비틀림 방 향으로의 정적 성능을 평가한다. 블레이드의 피로 성능 은 단축 방향의 피로 성능을 측정하고 있으나, 최근 블
그림 11 미국 NREL에서 구축한 (a) 대형 블레이드 정적 시험 설비와 (b) 이축 피로 공진 시험 시스템
(a) (b)
