풍력 에너지 산업의 적층 가공을 위한 5가지 기회

레슬리 랑나우 | 2019년 1월 30일

재료 과학자이자 엔지니어인 Inês Castro 작성

적층 제조(AM) 기술은 풍력 산업에 다양한 이점을 제공합니다. 다음 예는 보다 시장 경쟁력이 있는 에너지 공급업체의 경우 구현이 가능하고 심지어 권장된다는 점을 보여줍니다. 기술이 더욱 개발되고 신뢰할 수 있으며 표준화되면 공급망이 줄어들고 생산이 더욱 현지화되어 운송 시간과 비용이 줄어들어 풍력 산업에서 AM을 구현할 수 있습니다.

일반적으로 AM은 부품 개발 시간을 최대 75% 단축하고 재료 자원을 최대 65% 절감하며 가스 배출을 최대 30% 줄일 수 있습니다. 또한 단일 부품을 한 단계로 제조할 수 있어 2차 접합 공정이 필요하지 않습니다.

또한 적층 가공은 부품 수리에도 사용될 수 있습니다.

풍력 터빈에 적용되는 적층 제조 세계풍력에너지협의회(Global Wind Energy Council)는 풍력 산업이 해상 풍력 터빈 시장의 도움으로 최근 몇 년간 기하급수적인 성장을 경험하고 있다고 밝혔습니다. 따라서 풍력 산업이 번영하고 연간 에너지 생산량을 지속적으로 늘리기 위해서는 재료 및 제조 기술을 통한 개발과 혁신이 필수적입니다[7].

풍력 터빈의 블레이드는 바람의 작용에 따라 회전하고 이동하여 로터를 회전시킵니다. 기어박스는 저속 샤프트와 고속 샤프트를 연결하여 분당 회전수를 30~60rpm에서 약 1,000~1,800rpm으로 증가시키며, 연결된 발전기는 이러한 회전을 변환하여 전력을 생산하는 데 사용됩니다. 타워는 타워 상단의 구성 요소를 수용하고 보호하는 나셀을 통해 터빈 구조를 지지합니다[9].

AM 기술은 특정 위치의 자원에 대한 고유한 요구 사항에 맞게 설계된 터빈 부품을 현장에서 제조할 수 있으므로 풍력 산업과 관련하여 많은 잠재력을 보여줍니다. 예를 들어 이는 운송, 운송 및 취급 비용을 줄이고 새로운 블레이드 프로토타입을 테스트할 수 있는 속도를 높일 수 있습니다[6].

적층 제조 금형 미국 에너지부 산하 AMO(Advanced Manufacturing Office)는 AM 기술을 사용하여 블레이드용 금형을 프린팅하기 시작했습니다(그림 2). 금형 산업에서 이 응용 프로그램을 확장하면 금형 제작 단계, 비용 및 시간이 줄어들 것입니다. 왜냐하면 전통적인 경로는 전체를 달성하는 데 몇 주에서 몇 달이 걸릴 수 있는 프로세스이기 때문입니다[6, 10].

그림 2의 금형은 Oak Ridge National Laboratory의 BAAM(대면적 적층 제조) 3D 프린터에서 여러 섹션으로 인쇄되었습니다.

그림 4: 인쇄된 금형에 생산된 블레이드 섹션

소형 독립형 터빈의 적층 제조 Kyle Bassett가 시작한 '큰 차이를 만드는 작은 터빈'이라는 프로젝트는 전기에 대한 접근이 최소화된 외딴 지역에 소규모 플라스틱 기반 3D 프린팅 풍력 터빈을 설치하는 것을 목표로 합니다. 이 프로젝트의 창립자는 생성된 에너지를 개인용 배터리에 저장할 수 있는 터빈을 설계하는 것부터 시작했습니다[11].

터빈의 축소 모델은 Printerbot Simple Metal 3D 프린터를 사용하여 개발되었습니다. 여기에는 블레이드, 허브, 로터 커넥터, 프레임 및 블레이드 끝이 포함되었으며, 이는 전통적인 제조 방법을 통해 제작된 경우 가장 비싼 구성 요소입니다[13].

인쇄된 나셀 다른 응용 분야에는 나셀 생성이 포함될 수 있습니다. 이러한 구조에 AM을 통합하면 금형 생산에 대한 경제적 인센티브 등의 이점이 비슷하지만 날씨 보호, 수동 냉각 및 높은 기하학적 복잡성을 제공해야 하는 필요성과 같은 과제도 직면합니다.

그러나 AMIE(적층제조통합에너지) 프로젝트는 나셀 구조를 성공적으로 제조했습니다.