스토리
초대용량 풍력발전기용 자석 개발
창원대학교 박민원 교수 연구팀(김석호 교수 및 성해진 연구교수 등 20여 명의 연구원)은 3일 대용량 풍력발전기의 경령화 핵심기술인 고자장 고토크를 견디는 풍력발전기용 회전자 고온 초전도자석을 개발하고, 그 성능을 입증하는 데 성공했다고 밝혔다.
박민원 교수 연구팀에 따르면 풍력발전기는 대용량화가 관건으로, 풍력 선진국들은 대형 풍력발전기 개발을 위해 사활을 걸고 있다. 풍력발전기는 태양광과 달리 풍력발전기의 날개가 수직으로 길어지기 때문에 대용량화와 면적이 정비례하지 않으며, 날개가 2배 길어지면 발전량은 4배 증가할 뿐만 아니라 유지보수 비용도 대폭 감소하기 때문에 10MW급(일반적으로 5MW 전후 시스템 설치) 이상의 대용량 풍력발전기 개발이 그 무엇보다도 중요하다.
풍력발전기의 날개만 길어진다고 대용량화가 이루어지는 것이 아니며, 바람에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 것이 날개(블레이드)라면 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜주는 것은 발전기이다. 발전기의 용량을 올려주는 방법은 세 가지로, 회전자와 고정자의 접촉면(물리적으로 비접촉상태, 공극 유지)을 널려 주는 것이 하나이고, 회전자의 자장(자석의 세기)을 강하게 해 주는 것, 나머지 하나는 회전속도를 증가시켜 주는 것이다.
고정자와 회전자의 접촉면을 널리면 무게와 부피가 증가하기 때문에 구조물에 또 다른 부담이 되고, 회전속도는 물론 기어박스(유지보수 및 고장 등으로 인해 사용이 감소 추세, 특히 대용량은 거의 사용 않음)가 있긴 하지만, 고정속이라 조정이 불가능하다. 이로 인해 발전기의 용량을 올리면서 무게와 부피를 같이 줄일 수 있는 유일한 방법이 회전자의 자석을 자기장이 매우 강한 자석으로 구성하는 것이다.
창원대학교에서 개발한 특성평가장치는 극저온의 상태에서 실제 10MW급 발전기 출력과 동일한 힘인 71kN을 발생시키고 이 힘이 초전도자석에 가해졌을 때 기계적 안전성을 확보할 수 있는지 평가했으며, 그 결과 안전성과 신뢰성 모두 확인할 수 있었다. 즉 10MW급 초전도풍력발전기를 제작 할 수 있는 가능성을 확인하게 된 것이다. 다시 말해, 지구의 대기권을 벗어날 수 있는 로켓기술은 제안됐지만, 대기권을 벗어나는 로켓을 확인한 적이 없다가, 로켓이 대기권 밖으로 진입하는 것을 본 것과 같이 10MW급 이상의 초대용량풍력발전기와 동일한 조건의 고정자용 초고자지장 자석의 성능을 세계최초로 확인하게 됐다.
현재까지 제작된 초전도풍력발전기의 최대용량은 유럽 Eco-Swing 프로젝트를 통해 개발된 3.6MW로써 한화로 약 186억 원을 지원받아 실제 초전도풍력발전기를 제작하고 풍력터빈에 탑재해 실증까지 완료한 프로젝트이다. 핵심기술인 초전도자석의 경우 창원대학교에서 개발한 10MW 초전도자석과 Eco-Swing의 초전도자석을 비교했을 때 창원대학교 초전도자석이 약 4배 큰 부피를 자랑하며 이는 세계최대 초전도풍력발전기용 초전도자석이 제작된 것이다. 또한 1극(초전도자석) 당 가해지는 힘을 비교했을 때에도 Eco-Swing의 경우 1극 당 23kN으로 창원대학교에서 제작된 초전도자석이 약 3배 높은 힘이 가해짐을 알 수 있다. 이는 세계에서 가장 강한 초전도자석 제작 및 성능평가에 성공했음을 나타낸다.
유럽 Eco-Swing 프로젝트를 필두로 미국 에너지부(Department of Energy)에서도 15MW급의 초전도풍력발전기 제작 및 실증 과제가 후발로 시작되는 등 선진국을 중심으로 초전도풍력발전기 개발에 대한 지원 및 개발이 적극적으로 이뤄지고 있는 가운데 국내에서도 본 결과를 기점으로 후속기술개발 및 상용화지원이 필요하다. 초전도풍력발전기 기술선점이 늦어질 경우 기존 풍력발전기(상전도방식) 기술과 같이 기술자립 및 국제표준화 등재를 놓치게 될 우려가 있다.
국내 초전도풍력발전기 상용화를 위한 핵심 기술력 및 공급사슬은 이미 구축돼 있으며 초전도발전기 제작 및 실증단계에 대한 수행 또한 충분히 가능한 단계이다. 그러므로 창원대학교에서 개발한 세계최대용량의 초전도자석 기술 및 세계최초 초전도회전기용 특성평가장치 기술을 발판삼아 추격형 기술 개발이 아닌 뛰어넘기식 개발을 통해 대용량 초전도풍력발전기 개발 및 세계 대용량 풍력발전기 시장을 선점할 수 있는 기회가 마련됐다.
