샌디아 국립연구소의 연구진이 주도한 연구에 따르면 새로운 탄소 섬유 소재가 상업적으로 개발되면 풍력 산업에 비용과 성능 면에서 이점을 가져올 수 있다고 합니다.
탄소 섬유를 함유한 바람 날개는 기존 섬유 유리 소재로 만든 날개보다 무게가 25% 더 가볍습니다. 즉, 탄소섬유 블레이드가 섬유유리 블레이드보다 길어 바람이 약한 지역에서 더 많은 에너지를 포집할 수 있습니다. 샌디아 연구소의 풍력 에너지 연구원이자 이 프로젝트의 수석 연구원인 브랜든 에니스는 탄소 섬유 소재는 피로 저항성이 높기 때문에 탄소 섬유로 전환하면 블레이드 수명을 연장할 수 있다고 말합니다.
The project is funded by DOE’s Wind Energy Technologies Office in the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Partners on the project include Oak Ridge National Laboratory and Montana State University.
Of all the companies producing wind turbines, only one uses carbon fibre materials extensively in their blade designs. Wind turbine blades are the largest single-piece composite structures in the world, and the wind industry could represent the largest market for carbon fibre materials by weight if a material that competed on a cost-value basis to fibreglass reinforced composites was commercially available, said Ennis.
풍력 산업에서는 부품 설계 시 비용이 주요 고려 사항이지만 터빈 제조업체는 블레이드가 최대 30년 동안 회전하면서 발생하는 압축 및 피로 하중을 견딜 수 있는 블레이드를 제작해야 합니다.
에니스와 그의 동료들은 오크리지 국립연구소에서 개발한 새로운 저비용 탄소 섬유가 풍력 산업에 비용 이점을 제공하면서 성능 요구를 충족시킬 수 있는지 궁금해했습니다. 이 소재는 두꺼운 아크릴 섬유 다발을 포함하는 섬유 산업에서 널리 사용되는 전구체에서 시작됩니다. 섬유를 가열하여 탄소로 전환하는 제조 공정에 이어 탄소 섬유를 판자로 만드는 중간 단계가 이어집니다. 판자를 만드는 인발 공정은 블레이드 제조에 필요한 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 탄소 섬유를 만들고 높은 생산 능력을 가능하게 합니다.
연구팀은 이 저비용 탄소 섬유를 연구한 결과, 풍력 산업에서 가장 관심 있는 비용별 특성 측면에서 현재 상용 소재보다 우수한 성능을 보인다는 사실을 발견했습니다.
ORNL은 탄소 섬유 기술 시설에서 탄소 섬유 개발 샘플과 이 소재로 만든 복합재, 상용 탄소 섬유로 만든 유사한 복합재를 비교하기 위해 제공했습니다.
몬태나 주립대학의 동료들은 새로운 탄소 섬유의 기계적 특성을 시판되는 탄소 섬유 및 표준 섬유 유리 복합재와 비교하여 측정했습니다. 그런 다음 Ennis는 이러한 측정값을 ORNL의 비용 모델링 결과와 결합했습니다. 그는 이러한 데이터를 블레이드 설계 분석에 사용하여 표준 탄소 섬유나 유리 섬유 대신 새로운 탄소 섬유를 풍력 블레이드의 주요 구조 지지대로 사용하는 것이 시스템에 미치는 영향을 평가했습니다. 이 연구는 미국 에너지부 풍력 에너지 기술 사무소의 지원을 받았습니다.
에니스와 그의 동료들은 새로운 탄소 섬유 소재가 업계 기준인 상용 탄소 섬유보다 달러당 압축 강도가 56% 더 높다는 사실을 발견했습니다. 일반적으로 제조업체는 부품을 만드는 데 더 많은 재료를 사용하여 압축 강도를 낮추기 때문에 비용이 증가합니다. 새로운 탄소 섬유의 비용당 압축 강도가 더 높다는 점을 고려할 때, 에니스의 계산에 따르면 풍력 터빈 블레이드의 주요 구조 부품인 스파 캡의 경우 새로운 탄소 섬유로 만들면 상용 탄소 섬유에 비해 재료비가 약 40% 절감될 것으로 예상됩니다.