원자력을 이용해 고강도 풍력발전기 날개를 개발하다

우리나라의 100대 국정과제의 하나로 추진되고 있는 '그린홈 100만호 프로젝트'에 따라 해안이나 도서지역을 중심으로 10㎾급 소형 풍력 발전기 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기 시장은 미국의 경우 연 15% 이상의 성장률을 보이는 등 세계적으로 연구개발 및 투자가 증가하고 있습니다.

소형 풍력 발전기에 장착되는 회전날개는 가벼우면서도 내구성이 강한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이나 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)을 사용해서 제작됩니다.

이 날개 제작은 성형틀에 탄소섬유 또는 유리섬유와 화학 경화제를 넣고 1차적으로 24시간 상온에서 경화시킨 뒤, 2차적으로 열을 이용해서 경화시키는 방법을 이용하는데, 제작에 많은 시간과 비용이 소모됩니다.

□ 한국원자력연구원이 첨단방사선연구소 공업환경연구부 강필현 박사팀이 방사선 조사 기술을 이용해 10㎾급 소형 풍력 발전기 핵심 부품인 날개를 더 가볍고 더 저렴하고 더 빨리 만드는 방법을 개발했습니다.

이 기술을 이용할 경우 제작 시간은 기존의 1/50로 줄이고, 비용도 기존의 65% 수준의 비용으로 감소기키면서도 고강도의 날개를 생산할 수 있습니다.

연구팀은 방사선이 투과성과 에너지 전달 능력이 높아 섬유강화 복합소재 경화에 적합한 점에 착안해 탄소섬유와 유리섬유를 이용해서 성형한 발전기 날개에 100 k㏉(킬로그레이)의 전자선을 조사한 결과 그동안 만 하루가 넘게 걸렸던 날개 경화 시간을 30분으로 대폭 단축시켰습니다.

방사선 조사 중인 소형 풍력 발전기 날개

이번에 개발된 기술은 화학 경화공정을 생략함으로써 기존 대비 생산비용을 35% 절감했고, 경화 시간 단축을 통해 성형틀의 사용 횟수를 늘림으로써 추가적인 비용 절감 효과도 기대할 수 있습니다.

또한 방사선이 조사된 소형 풍력 발전기 날개는 섬유 분자 내부의 결합이 단단해져 기존 대비 인장강도가 10%, 압축강도는 90% 향상돼 운전 과정에서의 변형 및 균열 발생 위험을 줄일 수 있게 됐습니다.

한국원자력연구원은 이번에 개발한 소형 풍력 발전기 날개를 실제 풍력 발전 시스템에 적용하기 위해 한국에너지기술연구원 제주 글로벌신재생에너지연구센터에서 피로 시험평가를 거친 뒤 인증 절차를 진행할 예정입니다.

또 관련 기술을  기업에 이전시켜 항공기 이착륙이나 회전시 앞날개를 움직이게 하는 탄소복합소재 페널 제작에 활용하고, 향후 방사선 조사 기술을 자동차 부품이나 건축 소재 등 기타 섬유복합소재 제작에도 확대 적용할 계획입니다.

방사선 조사 기술 이용해서 제작한 소형 풍력 발전기 날개

 용  어  설  명

전자선 :
텅스텐 등을 고온으로 가열해서 발생한 전자에 고압의 전기를 가해 빛의 속도에 가깝게 가속함으로써 높은 에너지를 띄도록 한 것. 전자선의 에너지를 이용하면 물질의 구조를 바꾸고 화학반응이 선택적으로 일어나게 할 수 있다.

<강필현 박사>   인적사항  ○ 성    명 : 강필현 (姜弼鉉, 45 )  ○ 소속기관 : 한국원자력연구원     학    력   ○ 1986년 ~ 1990년  충남대학교 공과대학 화학공학과 학사   ○ 1990년 ~ 1994년  충남대학교 대학원 공업화학과 석사   ○ 1994년 ~ 1998년  충남대학교 대학원 공업화학과 공학박사   주요경력   ○ 2011년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 공업환경연구부장   ○ 2000년 ~ 2012년 2. 현재 한국원자력연구원, 책임연구원   ○ 2007년 ~ 2009년 2. 전북대학교 화학공학부 겸임교수     주요연구업적 <연구 주제>   - 방사선 이용 원자력, 항공우주, 자동차 산업에 필요한 첨단 복합신소재 개발   - 방사선 융합기술이용 풍력블레이드 탄소복합소재 및 메트릭스 고분자 개발 <연구 성과>   - 연구논문 : 「전자선 가공기술을 이용한 탄소 폴리아크릴로 니트릴(PAN) 탄소나노섬유 특성연구」등 107건   - 특허출원 : '방사선 기술을 이용한 풍력블레이드용 섬유강화 복합소재의 제조방법' 등 32건   - 특허등록 : '방사선 조사에의한 탄소섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 탄소섬유' 등 14건