에너지혁신인재포럼은 에너지분야의 학생연구원 및 산⋅학⋅연 전문가들이 참여해 에너지인력양성사업의 우수성과를 공유하는 자리로, 에너지산업 발전에 기여한 대학과 학생을 격려하고 미래 에너지분야의 인재육성 방향을 모색하기 위해 개최되었다. 2020년에 10주년을 맞은 이번 포럼은 코로나 19 확산에 따른 사회적 거리두기 일환으로 모든 행사는 비대면 온라인으로 개최하고 온라인 생중계 방식으로 진행되었다.




이와 함께 학생우수성과 경진대회가 진행되었으며, 에너지인력양성사업을 통해 창출된 우수성과를 공유하고, 우수한 인재양성에 힘쓴 교수 2명과 탁원한 연구와 산학협력 성과를 보인 학생연구원 10명에게 상장이 수여되었다.







총 2개의 참여부문(산학협력, 우수연구) 중 산학협력부문으로, 성과형태는 특허(디자인 출원: 30-2020-0033469)로 선정하였으며, 연구명은 ‘고유익형 KA2가 적용된 풍력블레이드 설계 기술’로 신청하였다.




전 세계의 풍력발전의 누적 설치 용량은 680 GW(육상: 651 GW, 해상:29 GW)로 Fig. 2와 같이 매년 10% 이상 설치 용량이 증가하고 있다.





앞으로도 풍력발전은 Fig. 3과 같이 지속적으로 성장할 것으로 예상되며, 육상 풍력의 경우 누적 설치 용량이 2018년 대비 2030년에는 3배 이상, 2050년에는 약 10배 증가 할 것으로 예측된다(약 5,000 GW). 해상 풍력의 경우 누적 설치 용량이 점진적으로 증가 하여 2050년에 약 1,000 GW까지 설치될 것으로 예측된다.





이러한 풍력발전기는 운전 높이 및 로터 직경에 대한 지속적인 혁신 및 기술 향상을 통해 에너지 생산량을 개선하고 용량 단위당 비용을 줄이기 위해 대형화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2030년에는 Fig. 4와 같이 최대 20 MW, 로터 직경 230m의 해상풍력발전기가 개발 될 것으로 예측되고 있다.





풍력산업 후발국인 우리나라 풍력의 기술 수준은 2018년 기준 세계최고 대비 74%로 평가되었으며, 이는 기초 개발/연구가 미흡하기 때문인 것으로 확인되었다. 우리나라는 현재 풍력발전 시대에 발맞춰 8 MW급 대형 풍력발전기의 개발이 진행 중에 있으나, 아직까지 회전하는 블레이드의 공력 설계를 외국에 의존하고 있으며, 블레이드의 단면을 구성하는 익형 또한 외국에서 개발된 익형이 적용되고 있다. 현재 국내에서 풍력 블레이드 설계에 관련된 우수한 연구가 다수 이루어졌으나, 블레이드의 단면을 구성하는 익형에 대한 연구가 매우 부족한 실정이기 때문에 자국 내 블레이드 개발에 한계가 있다. 따라서 국내 풍력산업의 활성화를 위해 익형과 풍력 블레이드의 원천기술 확보가 필요하다.





본 연구를 통해 익형과 풍력 블레이드의 원천 기술을 확보하고, 이를 활용하여 초대형 풍력 블레이드를 개발하는 것이 최종 목표이며, 현재는 본 연구진에 의해 개발된 고유익형 KA 2를 활용하여 풍력 블레이드를 설계하고, 현장 시험을 통해 풍력 블레이드 개발 가능성을 확인하기 위한 시작 단계이다.

 

고유익형 KA2(미국특허-특허번호:US9664173B2)는 고유익형 KA2는 캠버 4.4%, 두께비 14%의 비대칭형 익형으로 형상은 Fig. 5와 같다. 최대 양력계수는 1.55로 수치해석과 실험으로 공력특성을 검증이 검증되었으며 Fig. 6에 공력특성을 나타내었다.






 

고유익형 KA2가 적용된 풍력블레이드 설계 시 풍력 블레이드 설계프로그램 L-BLADE(디자인 출원:S-2010-002260)가 활용되었다(Fig. 7 참조). L-BLADED는 BEMT(Blade Element Momentum Theory)를 기반으로 제작되었으며, Fig. 8과 같은 프로세스를 통해 블레이드 설계가 이루어진다.








L-BLADE에 적용된 코드길이 설계 식은 Schemist theory로 식 (1)과 같이 표현된다. Schemist theory로 코드길이를 설계 시 블레이드 길이 방향으로(루트에서 팁 방향) 코드길이가 증가하다 블레이드 길이의 17% 지점의 최대 코드길이를 가진 후 점차 감소하는 경향을 나타낸다.





회전하는 블레이드는 풍속과 함께 블레이드의 회전속도가 더해진 상대 풍속을 실제 풍속으로 느끼게 되며 이를 기준으로 어려가지 힘이 발생하게 된다. 회전하는 블레이드 끝에서 풍속에 대한 회전속도의 크기는 식 (2)과 같이 끝단 속도비로 나타내며, 블레이드에 입사되는 상대 풍속이 블레이드의 회전면과의 이루는 각도는 식 (3)과 같이 끝단속도비의 함수로 표현된다. 그리고 바람에너지의 회전에너지 변환 때문에 변화되는 풍속에 대해 Belts limitation을 적용하면 블레이드 선상에서의 풍속과 회전면과 이루는 각도를 식 (4)과 같이 나타낼 수 있다. 식 (4)과 같이 도출된 각도에 블레이드 설계점 받음각을 고려하면 식 (5)과 같이 익형의 부착각도가 구해진다. 이렇게 구해지는 부착각도는 블레이드 루트에서 팁 쪽으로 갈수록 작아지는 특성을 갖는다. 이것은 회전하는 블레이드의 반경방향에 따라 증가되는 회전속도가 상대풍속과 회전면과 이루는 각도를 감소시키기 때문에 나타나는 특성이다. 블레이드 설계 점의 받음각은 익형마다 그 최적값이 다를 수 있으며, 부착각도는 받음각에 따라 값이 결정된다.





공기 흐름 안에서 풍력 블레이드의 익형은 양력, 항력, 추력, 회전면에 작용하는 힘 등이 발생된다. 이와 같은 힘들은 Fig. 9와 같이 표현될 수 있다. 블레이드 설계 점에서 사용되는 날개선상의 풍속은 Betz limitation 에 근거하여 입구풍속 V1 의 2/3 로 적용된다. 공력 설계 점에서의 양력과 항력은 각각 식 (6)과 식 (7)처럼 표현되며, 이때의 상대속도는 식 (8)과 같이 계산된다.





설계풍속, 주속비, 블레이드 반지름, 부착각도를 설계한 후 추력은 양력과 항력의 벡터 y 축 요소의 합으로 식 (9)와 같이 계산되고, 회전방향에 작용하는 힘은 양력과 항력의 벡터 x 축 요소의 합으로 식 (10)과 같이 계산된다. 토크는 식 (11)로 계산된다. 위와 같은 계산 방법은 블레이드의 밑단부터 끝단까지 여러 개의 요소로 분리된 구간에 차례로 적용되며 각 구간의 계산 값을 합산하여 블레이드 전체의 값을 산출하게 된다. 여기에 식 (12)와 같이 블레이드의 회전수와 블레이드 수를 곱하여 출력이 산출 된다.





본 연구에서는 Table 2와 같은 사양을 갖는 20kW 급 풍력 블레이드를 설계하였으며, 설계된 블레이드의 코드길이와 부착각도는 Fig. 10과 같다.






 

위와 같이 설계된 풍력블레이드는 Lab scale 모델 제작과 풍동 실험을 통해 성능이 확인되었다. Fig. 11과 12에 풍력블레이드의 3D 형상과 Lab scale 실험을 위해 제작된 모델을 나타내었다.







Lab scale 실험 시 본 연구진에 의해 개발된 디지털 풍동이 활용되었다. 디지털 풍동은 좁은 실내 환경에 설치하여 고유익형 개발 및 블레이드 성능 실험에 필요한 바람 제공 및 도시 주변에서 관측되는 다양한 형태의 바람 분포 모사 등이 가능하도록 제작되었으며, Fig. 13과 같이 사각 덕트의 한쪽 측면에 96개의 DC Fan이 장착되었다.





일반적으로 사용하는 DC Fan의 경우 유량이 20 ~ 90 CFM(Cubic feet per minute)인데 반해 보유중인 DC fan은 유량이 145 CFM이며, 자세한 제원은 Table 3에 나타내었다. 또한 개발된 디지털 풍동은 다른 풍동과는 달리 확산부, 정체실 등이 구분되어 있지 않는 특징을 가지고 있는 토출형식으로 외형은 알루미늄 프로파일과 PC(Polycarbonate)로 제작되었다. 또한 DC Fan에서 발생되는 유동이 바로 시험부로 이어져 유동이 재순환하지 않고 밖으로 배출되는 개회로식 풍동이다.





실험 장치는 Fig. 14 (a)와 같이 모터를 활용한 실험과 Fig. 14 (b)와 같이 브레이크를 활용한 실험이 진행되었다. 이는 Lab scale 실험에서 전 영역의 출력계수 측정이 가능한 실험기법으로 저풍속에서 블레이드가 자가 회전이 불가능할 경우 모터를 활용한 실험 방식이 적용되며, 풍속의 증가에 따라 블레이드가 자가 회전이 가능할 경우 브레이크 방법이 활용된다. 모터를 활용한 실험 방식의 경우 식 (13)과 같이 모터의 작동 유무에 따라 발생하는 토크 값을 이용하여 성능을 도출한다.








고유익형 KA2가 적용된 풍력블레이드의 Lab scale 실험 결과는 Fig. 15와 같으며 불확도는 약 6%로 확인되었다.



 

풍력블레이드의 정확한 성능 검증을 위해 실제 20kW 풍력 블레이드를 제작하고, Fig. 16과 같이 현재 군산대학교 내에서 현장시험이 진행되고 있다. 또한 KA2가 적용된 풍력블레이드는 그 특징을 활용하여 Fig. 17과 같이 풍력블레이드 디자인특허가 진행되었다.






 

우연한 기회에 운이 좋아 제가 대표로 상을 수여했지만, 본 연구 결과는 지금까지 실험실에서 진행되어온 연구의 종합적인 결과물 중 하나입니다. 앞선 연구를 통해 후속 연구의 발판을 만들어준 선배들, 뒷받침해주는 후배들, 많은 도움을 주시는 강기원 교수님과 김동현 교수님그리고 이끌어 주시는 지도교수 이장호 교수님의 도움으로 일구어낸 성과이기에 모두에게 감사한 마음을 전합니다.