옵티컬 스트레인 게이지 (Optical strain gauge)에 의한 구조 측정

상태 감지 시스템(Condition monitoring System)은 풍력 발전소의 효율 을 장기적으로 확보하도록 설계되었습니다. 향후 이 시스템은 로터 날개, 탑 및 받침대 등의 중요한 구성품도 감시하게 됩니다. 여기서 초점은 전기 기술의 대안인 옵티컬 센서 기술(optical sensor technology)로 옮겨 갑니다.

교량 및 건물 등의 구조물에 대한 구조 및 상태 감시 시스템은 오랜 기간 연구개발의 주제였습니다. HBM사는 실험 응력 분석 분야에서 60년 넘에 전문 기업으로 활동하면서, 전체 측정 사슬에서 이 분야에 정확하게 합치되는 솔루션을 제공해 왔으며, 이 분야에서 수 많은 실험 결과를 발표한 바 있습니다. [1]. [2], [3]

고장안전 정비를 가능하게 하는 CMS

풍력 발전소(WPP) 분야의 상태 감시 시스템 (Condition Monitoring System - CMS)의 목적은 발전소의 장기 효율 확보 입니다. CMS는 또한 조작자들이 실제로 발생한 부하 이력 에 주로 기초를 두는 "고장안전 정비"를 실시할 수 있게 해줍니다. 이 유형의 CMS는 GL 연안 지침[4] 에 따라 2005년 이래로 연안 풍력 시스템에 의무화되었지만, 처음에는 구동렬(drive train)에만 요구되었습니다. 다양한 인증 기관(예: DNV GL 재생가능 인증) 및 기타 유관 전문가 그룹은 향후 CMS가 풍력 시스템의 다른 중요 구성품 감시까지 확대될 것으로 기대하고 있습니다. 이는 로터(rotor), 날개, 탑 및 받침대 등을 포함합니다. [5]; [6] 

여기서 주목할 만한 점은 전기기술의 대안인 옵티컬센서 기술 입니다. 옵티컬 센서 기술에는 이 접근법을 정립하는데 이미 크게 기여한 많은 장점이 있습니다.

  • 스트레인 계측시, 옵티컬 스트레인게이지는 매우 안정적으로 오랜기간 사용가능 합니다.
  • 낙뢰 문제가 없으며, 따라서 측정 장치 및 전자장치가 파손될 위험이 없습니다.
  • EMC 간섭이 발생하지 않습니다 (전자기 신호 간섭 및 접지 루프 등).
  • 구리선(copper) 연결 케이블에 비해 중량 뿐 아니라 원가 및 자재 경상비도 줄일 수 있습니다.

정보 콘텐츠의 상당한 증가

이러한 장점으로 인해, 옵티컬 센서를 이용하여 날개면(blade)에 센서를분산적으로 설치할 수 있으며, 이로 인해 더욱 더 많은 정보 수집이 가능합니다. 이는 주로 옵티컬 센서 라인의 다중 수용능력(multiplex capability)과 라우팅(routing) 덕분 입니다. 옵티컬 센서 및 전기 센서를 적절하게 조합하면 하이브리드 솔루션도 창출할 수 있습니다. 이들 시스템은 변동 사항을 매우 빠르게 기록할 수 있습니다. [8]

스트레인 게이지 는 대부분의 경우 탑 및 받침대 등의 주요 위치 감시(구조 동역학적 매개변수 및 강성률 행렬의 감시)에 이용됩니다. 하지만, 연안 풍력 시스템에서는 해양 환경에 의한 각종 간섭을 센서가 견뎌야 하므로, 응용 장비 및 상응하는 기술 복잡성을 설계할 때 각별한 주의가 필요합니다. [9]

습도에 대한 저항성 (내습성)

옵티컬 기술의 경우, 저항을 기반으로 하는 기술과 대조적으로, 습도에 의한 간섭 효과의 총 복합도가 적용되지 않습니다. HBM 사가 공급하는 옵티컬 그리드 기술인 OptiMet by HBM 은 옵티컬 게이지(사슬 내의 다중 브래그 그리드 (bRAGG GRID)가 장착된 OptiMet PKF )의 형태로 가용합니다. [10]

옵티컬 센서용 측정 시스템의 측정 채널 당 비용은 연결되는 센서의 개수가 증가할 수록 감소합니다. 옵티컬 사슬 내에서 몇개의 브래그 그리드를 연속 배열할 수 있습니다. (통상적으로 8 내지 13개) 이는 동시에 전기 스트레인게이지와 비교하여 해당 계수만큼 배선 경비를 줄여주며, 분석 장치의 효과를 높혀줍니다.

옵티컬 센서의 잠재력은 총체적 접근의 관점에서 효과가 가장 큽니다. 따라서 옵티컬 솔루션은 전도 유망하며 발전 가능성이 있는 매력적인 접근법 입니다.

참고문헌:

[1] Henke, V. "Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts"; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; pages 10-20, Darmstadt, 2007

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: "Keeping an eye on the effects of heavy goods traffic: long-term monitoring of a prestressed concrete bridge," HBM application report 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; "Are our bridges safe? bridge monitoring with measurement technology from HBM," pp. 22-23; HBM customer magazine "hotline" issue 1/2012

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005

[5] Steingröver, K.; et al. "Condition Monitoring Systems for Wind Turbines: Current status and outlook on future developments from the perspective of certification"; VDI report on "Vibrations in wind turbines," Bremen, 2010

[6] Steingröver, K.; et al. "CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer" [CMS for wind energy systems from the point of view of the certifier] "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, issue 5/2012, Göller Publishing house, Baden-Baden

[7] Frieling, G.; Walther, F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. In: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), No. 7, p. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen" [Early detection of damage on rotor blades of wind power plants], Lightweight Design issue 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004.

[10] HBM [online]. www.hbm.com, 2014. OptiMet by HBM

(jv)

* Dr. Karl-Heinz Haase, Product and Application Manager Optical Technology & Asset Monitoring; Dr. André Schäfer, Product and Application Manager Calibration/Wind Energy; Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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