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창원대학교(총장 이호영) 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.
자기장이 매우 강한 자석을 이용한 풍력발전기가 영구자석형(PM형; Permanent Magnet) 풍력발전기이다. 대부분의 대형 풍력발전기에 사용되는 방식이지만, 영구자석형은 시간이 지날수록 자석의 자기장이 약해지는 단점과 희토류를 원재료로 사용하기 때문에 수급에 있어서 안정적이라 할 수 없다. 결정적으로 2T(테슬라) 이상의 자기장을 발생하기가 어려워 기존의 영구자석형으로는 더이상 풍력발전기의 부피와 무게를 줄일 수가 없다. 이에 전 세계적으로 주목을 받고 연구가 활발하게 진행되고 있는 것이 MRI(자기공명장치) 같은 곳에 사용되는 초전도자석을 이용한 대용량 풍력발전기이다.
초전도자석을 이용한 초고자장 고에너지밀도형 대용량 풍력발전기는 미국, 유럽, 중국 등 다양한 나라에서 개발이 시도됐고, 10MW급 이상의 대용량 풍력발전기용 초고자장자석의 개발은 성공이 보고된 적이 없다. 그 이유는 초전도상태를 유지하기 위해 영하 230℃ 이하를 유지하면서 기계적 에너지를 전기적 에너지 변환할 때 발생하는 강한 토크(힘x길이)를 견뎌야 한다. 10MW 풍력발전기가 국내해역의 평균풍속 8.5m/s를 고려해 9.69rpm으로 회전할 때 회전축은 10.34MNm라는 강한 토크가 발생해야만 기계적 에너지가 전기에너지로 전환된다.
10MW급 40극 풍력발전기의 경우 1극 당 가해지는 토크는 258.5kNm이며 반지름 3.6m에서 힘으로 환산하였을 경우 약 71kN이 1극에 가해진다. 이를 좀 더 직관적으로 표현하게 된다면 약 7ton 가량의 무게가 중력가속도로 지속적으로 1극에 가해지는 것과 동일하다.
그러므로 초전도자석으로 이루어진 초전도풍력발전기의 경우 10MW급 출력을 발생시키기 위해서는 초전도자석 1극 당 7ton의 무게를 견뎌야 하기 때문에 기계적으로 강한 자석이 필요로 한다. 또한 초전도풍력발전기의 경우 영하 230℃이하의 극저온에서 운전하기 때문에 극저온 상태에서 고토크를 견딜 수 있는 구조의 초전도자석이 필요하다.
한국전력공사가 지원하는 ‘에너지 거점대학 클러스터사업’에 참여한 창원대학교 박민원 교수 연구팀은 세계최초 초전도회전기용 특성평가장치 개발 및 10MW급 초전도풍력발전기용 3극 제작, 성능평가에 성공했다. 그동안 초전도회전기의 경우 초전도자석에 대한 기계적 부하특성을 사전에 검증할 수 있는 시스템이 없어 신뢰성 문제에 대해 지속적으로 제기돼왔으나, 본 특성평가장치가 개발됨으로써 대형초전도회전기기에 대한 초전도자석의 사전성능평가를 할 수 있게 됐다. 기존의 초전도자석에 대한 성능평가는 온도와 전자기적 특성만 확인할 수 있었던 반면에 본 특성평가장치의 경우 온도 및 전자기적 특성뿐만 아니라 극저온의 상태에서 실제 회전기의 부하특성과 동일한 토크를 구현할 수 있어 초전도자석의 기계적 스트레스 평가 또한 가능하다.
10MW급 초전도풍력발전기용 3극의 경우 세계최대 초전도풍력발전기용 마그넷으로써 지난해 제작에 성공한 데 이어 올해는 개발된 특성평가장치 내 3극을 탑재해 그 성능을 평가하는 데 성공했으며, 또한 이 특성평가장치에는 초전도풍력발전기를 -230도로 냉각하기 위해서 대용량 초전도회전기기에 적합한 회전형 네온/헬륨 하이브리드 냉각 시스템을 세계최초로 적용해 냉각을 수행함으로써 성공적으로 마무리했다.
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.
