3㎿급 해상 풍력발전기 자체 기술로 국내 첫 개발  

  두산重 기술연구원 신재생에너지개발팀장 박종포 박사 기존 보다 용량 대폭 늘려·실물 프로토타입 제작 앞둬 “풍력발전에 관심을 갖고 연구하는 기업이나 기관은 많지만 3MW급 해상 풍력발전기를 자체 기술로 개발한 것은 저희가 국내 최초입니다.”

두산중공업 기술연구원 신재생에너지개발팀장 박종포(45ㆍ사진) 박사는 자체 개발한 3MW급 풍력발전기인 ‘WinDS 3000’의 실물 프로토 타입 제작을 앞두고 마무리 연구에 박차를 가하고 있다.

‘WinDS 3000’은 날개 지름이 92m이고 3개의 회전날개 무게만 31.5톤에 달하지만 약 80m 높이 타워 위에 설치되는 나셀(Nacelle) 무게는 약 120톤으로 경량화했다.

나셀은 날개를 잡아주는 축과 증속기ㆍ발전기 등을 내장하고 있는 핵심장치를 말하며 회전축을 중심으로 46m 길이에 1개의 무게만도 10.5톤인 회전날개를 고정시켜주는 역할도 한다. 특히 이 회전날개는 바람의 방향과 힘에 따라 최대의 회전력을 얻기 위해 헬리콥터 날개처럼 각도를 조절할 수 있도록 설계됐다.

 현재 기본적인 기술개발과 상세설계는 완료단계이며 올 9월부터 ‘WinDS 3000’의 각 구성요소에 대한 성능 테스트를 시작해 내년 8월에는 제주도 월정리에 프로토 타입 건설을 마칠 계획이다.

바다에 설치하는 해상용이지만 약 1년간의 테스트를 위한 프로토 타입은 육상에 설치된다. 박 박사가 개발 중인 풍력발전기의 가장 큰 특징은 3MW급 대용량이라는 점과 증속기ㆍ날개 등 핵심기술을 국산화했다는 것이다. 그

동안 국내에서 개발된 풍력발전기는 750kW와 1.5MW급 수준이었으며 이보다 큰 용량은 대부분 수입에 의존해왔다. 실제 전기를 생산하는 발전기 부분에 대해 “두산중공업은 원자력ㆍ화력발전소의 발전기 부분의 선두업체로 풍력발전기용 역시 크게 어려운 기술이 아니며 경량화 설계와 효율성 향상이 핵심요소”라고 박 박사는 설명한다.

국산화의 핵심요소인 증속기는 천천히 회전하는 풍력발전기의 날개로부터 발생한 느린 회전력을 자동차의 변속기와 같은 기어장치를 이용해 전기를 생산할 수 있을 만큼의 빠른 회전력으로 바꿔주는 장치이다.

현재 대부분의 풍력발전기는 크게 증속기가 있는(Geared Type) 것과 증속기가 없는(Gearless Type) 것으로 구분된다.

박 박사는 “증속기가 없는 경우는 회전날개 뒤쪽에 바로 발전기를 연결하는 것으로 구조적으로는 단순하지만 느린 속도에서도 전기를 생산하기 위해서는 발전기 장치의 크기가 커져 1MW 이상으로 대용량화하기 어려운 단점이 있다”고 말한다.

이 증속기는 크기가 다른 여러 개의 톱니바퀴를 이용해 회전력을 높이는 장치에 불과하지만 내구성을 유지하면서 무게를 줄이는 것이 가장 어렵다.

‘WinDS 3000’은 증속기 무게가 1MW당 최소 10톤 이상이라는 공식을 파괴하고 20톤으로 줄이는 데 성공했다. “해상에 설치되는 풍력발전기는 발전성능뿐만 아니라 유지보수에 대한 문제해결이 핵심이며 ‘WinDS 3000’은 이러한 문제를 상당 부분 해결했다”고 박 박사는 강조한다.

현재 해외에서 개발된 해상 풍력발전기는 유지보수를 위해 대형 해상 크레인을 동원해야 하는 실정으로 수리비용보다 해상 크레인을 임대하는 비용이 오히려 더 큰 실정이다.

박 박사는 “유지보수를 위해 풍력발전기에 20톤 무게를 들어올리는 자체 크레인을 장착하는 아이디어를 적용했으며 다시 이를 이동이 가능하도록 설계해 풍력발전단지 안에 있는 1개의 풍력발전기에만 자체 크레인을 부착하고 바지선 등을 이용해 이동시켜가며 사용할 수 있도록 개발했다”고 말했다.

또 해상용이기 때문에 바다의 염분을 견디는 소재와 설계를 적용해야 하며 이를 위해 나셀 부분을 완전 밀폐해 외부 바람 유입을 차단했으며 내부에서 발생되는 열은 내.외부 공기가 직접 섞이지 않으면서 냉각이 이뤄지도록 설계했다.

 그는 “민간기업의 특성상 원천기술보다는 발전효율 대비 원가 절감 및 유지보수 비용 최소화가 기술개발의 핵심으로 한마디로 정리하면 ‘당장 쓸 수 있는 풍력발전기를 국산화’하는 것”이라고 강조했다.