배경

독일 연방의 연구기술산업부[1]에서 자금을 지원한ET 4063 연구 프로젝트는 풍력 에너지가 에너지 공급을 보장하는데 기여할 수 있다는 점을 명확하게 보여주었습니다. 그림 1은 그 당시에 사용되었던 전체 파일럿 플랜트를 보여주고 있습니다.

그림 1: 3날 고속 터빈, 기둥, 시험 및 계측 장비를 위한 별도 건물을 포함하는 전체 설치

1980년대에 사용된 토크 트랜스듀서

그림 2: 로터와 발전기 사이의 T30FN 토크 트랜스듀서
그림 3: 토크=-풍속도

연구 프로젝트의 과정 중에, 10 kN•m 공칭(정격) 토크를 제공하는 T30FN 토크 트랜스듀서가 사용되었습니다.


유형 명칭에서 F주파수 조절 신호 전송 방법을 나타냅니다. 이것은 결합 요소(예: 에어 갭 변동)의 영향을 받지 않는 로터의 접촉 없는 계측 신호 및 에너지 공급을 의미합니다.


유형 명칭에서 N통합 자기 회전 속도 계측을 지칭합니다. 발전기 입력량으로서 기계 동력이 토크와 회전 속도에서 결정됩니다.


그림 2는 기둥 꼭대기에 설치된 토크 트랜스듀서를 보여주고 있습니다.


그림 3풍속 및 토크[2] 사이의 관계를 명확하게 보여주고 있습니다. 회전 속도가 변경되지 않은 상태로 유지되는 동안 토크는 증가하는 풍력과 함께 증가합니다. 그 결과, 추가 기계 동력이 생성됩니다. 하지만, 이는 또한 발전기가 더 많은 전력을 생성할 수 있다는 사실을 의미합니다.

현재 상태: 오늘날의 풍력 에너지

오늘날, 풍력 에너지는 주요 재생 가능한 에너지 가운데 하나이며, 계속해서 매력적인 성장율을 보이는 미래 시장이 되어가고 있습니다. 더욱이, 에너지 요구는 빠르게 증가하고 있으며, 대체 형태의 에너지에 대한 요구가 핵연료의 단계적 폐지 결과로 사실상 폭증하고 있습니다.

 
1990년대 초에, 윈드 터빈의 평균 정격 출력은 200kW였습니다. 오늘날에는 2MW에 달합니다. 10년 이상, 15년 미만에 요인을 통한 정격 출력상의 증가가 있었습니다. 이러한 증가는 주로 더 큰 로터 직경으로 인해 발생합니다. 로터 직경을 두 배가 되게 하면, 유효 범위가 네 배가 됩니다.

윈드 터빈의 기계적 계측량

회전체의 출력을 토크의 속도와 각속도를 곱해서 구하게 됩니다.

P = 출력, N•m/s (1N•m/s = 1 W = 0.00136 미터법 마력)

M = 토크(N m)

ω = 각속도(s-1)

N = 회전 속도(rpm)

전환 및 몇몇 다른 단계에서는 계측할 양인 토크에 대한 관계를 나타냅니다.

 

 

계산된 토크는 토크 플렌지를 선택하는 기초로서 결코 직접 사용되어서는 안 되는데, 그 이유는 추가적인 영향 요인(예: 시동 성능 또는 진동)을 고려하지 않기 때문입니다. 토크 계측에 관한 일반 정보가 [3]에 제시되어 있습니다.

 

기어 장치

그림 4: Rexroth 테스트 벤치(Werksbild Bosch Rexroth/Witten)의 T10FM 토크 플랜지

윈드 터빈에는, 제한된(예: 피치 속도에 의해) 로터의 구동 속도와 발전기의 요구되는 회전 속도 사이에 Conflict of interests이 있습니다. 두 개의 극 쌍으로, 1500 rpm의 회전 속도가 50 Hz의 주 주파수에 요구됩니다. [4]


솔루션은 기어 장치를 사용하는 것입니다. 기어 장치는 회전 속도와 토크를 전환시키며, 높은 전력을 전송합니다. 현대의 다중-메가와트 윈드 터빈[5]에서, 기어 장치는 대략 14 rpm인 로터의 낮은 회전속도를 대략 1400~1650 rpm인 발전기 샤프트의 높은 회전속도로 전환시키는데 사용됩니다. 이러한 전환에는 기어 비율에 따른 높은 로터 토크의 감소가 포함됩니다. 그림 4는 발전기 입력단(input end)에 사용된 40 kN•m 공칭(정격) 토크가 포함된 유형 T10FM* 토크 플랜지를 보여주고 있습니다.


윈드 터빈 기어 장치는 수 톤의 중량이 나가며, 대부분의 경우에, 소형의, 결합된 유성 스퍼 기어 장치(planetary-spur gear unit)입니다. 기어 장치가 없는 윈드 터빈이 오늘날 논의되고 있긴 하지만, 로터 날에 의해 생성된 토크는 충분한 전력을 생성할 수 있도록 항상 매우 높아야 합니다.

* T10FM 토크 플랜지는 HBM에서 더 이상 판매되지 않습니다. 후속 모델은 디지털  T40FM

토크플랜지입니다.

Torque

Torque to be measured often ranges from the kilonewton range (kN•m) up to several Mega-Newtons (MN•m).This is to be illustrated by the following example:

Generator:    P=2 MW
Gear unit:    1:100

The generator power of 2 MW and a rotational speed of 1500 rpm give the following formula:

(1)     MD=12.74 kN•m / n=1500 rpm

(2)     MD=1.3 kN•m / n=15 rpm

Bigger generators with lower rotational speeds are being discussed. However, the torque transducers will then reach their limits as well. Fig. 5 shows the implementation of a 1.5 MN transducer and a design proposal for higher nominal (rated) torques.

Fig. 5: Implementation of a 1.5 MN transducer and design proposal

However, the traceability of a calibration of this huge torque transducer is not guaranteed. The German National Metrology Institute (PTB) in Brunswick, Germany, houses the world's largest torque calibration machine at present. It enables test equipment up to 1.1 MN torque to be calibrated with 0.1% measurement uncertainty [6]. HBM's current torque calibration offer is shown in Fig. 6.

Fig. 6: HBM's torque calibration offer

결론

이 논문에서는 윈드 터빈에서 토크 계측이 수 년 전에 얼마나 중요했는지, 또한 오늘날에도 여전히 얼마나 중요한지 보여주고 있습니다. 회전 없이는 전력이 전혀 발생하지 않으므로, 각속도 및 토크 없이 전력은 발생하지 않습니다.

References

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2,  Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4
    Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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