현실성을 높인 "풍력 발전소 강수 침식" 테스트벤치 - 계측 및 제어 플랫폼 PMX를 이용

F1 레이싱 카보다 더 빠르다 --- Fraunhofer IWES (Institute for Wind Energy and Energy System Technology)가 새로 개발한 강수 침식 테스트벤치에서는 테스트 모델의 로터 블레이드를 550km/h까지 가속해 블레이드 표면에 떨어지는 비로 인해 부식이 얼마나 진행되는지를 실험합니다.

로터 블레이드는 거친 환경의 영향을 받습니다 --- 비, 우박, 모래, 짠 바닷물, 먼지가 표면에 부딪혀 페인트나 코팅 부분에 먼지와 지저분한 얼룩이 쌓이게 되는데, 특히 블레이드의 끝단이 영향을 많이 받습니다. 온도 변화와 UV로 인해 상태는 더 악화됩니다.

기후 및 환경 요건의 강화

비로 인한 침식으로 블레이드 재질이 마모되고 균열이 발생하여 결국 블레이드의 공기역학적인 특성이 계속 저하됩니다. 이로 인해 풍력 발전소(WPP)는 발전 효율이 떨어지고 소음 방출이 심해집니다.

해양 풍력 발전소는 다시 효율을 높이기 위해 로터를 더 빨리 회전시킬 것이고, 그러면 문제는 더 악화될 것입니다. 로터의 회전 속도가 올라가면, 빗방울은 블레이드 코팅에 더 강하게 부딪히게 되고, 따라서 블레이드는 더 빨리 손상되기 때문입니다.

페인트 및 코팅재가 손상되는 것이나 더러운 얼룩이 묻는 것은 특히 블레이드의 끝단에서 흔히 발생합니다. 이러한 현상은 풍력 발전소의 공기역학적 특성에 부정적으로 작용하여 그 성능을 떨어뜨립니다.

기후-통제 방식의 강수 침식 테스트벤치

환경, 자연 보호, 핵 안전 독일 연방 정부(BMU)가 후원하는 "Pluvial Erosion on Rotor Blades (로터 블레이드 강수 침식)" 프로젝트의 일환으로, 독일 브레머하펜(Bremerhaven)에 소재한 Fraunhofer IWES (Institute for Wind Energy and Energy System Technology)와 함께 이 산업 분야의 기업들이 회전 암(rotating arms)을 장착한 테스트벤치를 개발했는데, 이 회전 암을 이용하여 모델의 블레이드를 최고 속도 600km/h까지 테스트할 수 있습니다.

이에 따라, 전체적인 기후(UVA 영향, 다양한 물방울 크기, 온도, 염분 환경)를 통제한 상태에서, 강수로 인한 침식 작용에 로터 블레이드의 코팅이 얼마나 견디는지 그 내용을 추적하고 평가할 수 있게 되었습니다. 로터 블레이드의 코팅 시스템을 최적화하면 블레이드의 손상을 최대한 방지할 수 있고 또한 유지관리 사이의 기간 즉, 정상적인 작동 시간을 늘릴 수 있으며, 따라서 비용을 절감할 수 있게 됩니다.

그리고 테스트벤치 챔버에서 회전 암에 얼음이 형성되는 것을 테스트할 수 있는데, 강수 침식과 얼음 형성을 차례대로 실험하거나 한번에 조합하여 실험함으로써 코팅이 어떤 영향을 받는지 확인할 수 있습니다. 또한, 샘플을 UVA에 노출시켜 햇빛 아래 폴리머의 노화를 시뮬레이션할 수도 있습니다.

계측 데이터 수집:

모든 신호는 24비트에서 초당 19,200의 속도로 개별적으로 그리고 동시에 분석되었습니다. 이렇게 함으로써, 계측값을 실시간으로 처리하는 것이 가능해진 것입니다. 통합 이더넷 인터페이스를 이용하면 관련된 모든 계측값을 테스트벤치 PC에 저장할 수 있습니다. 미가공 데이터가 저장된 다음, 그 후속 분석은 HBM의 catman DAQ software 로 수행됩니다.

자동화:

PMX에 통합된 CODESYS-Soft PLC 및 진단 소프트웨어로 효율성이 크게 향상됩니다. 국제산업표준 61131에 따라 작동하는 PMX는 결정적 실시간 제어 프로세스를 가능하게 하는데, 이 기능은 강수 등 기후를 통제한 테스트벤치 회전 암의 동기 제어 프로젝트에서 중요한 부분을 차지합니다. CODESYS 개발 환경에서 코드가 한번 생성됩니다. 그다음, 컴파일러는 오류가 있는지 확인하고, 그 코드는 기계어로 PMX에 로딩됩니다.

추가적인 센서 신호는 PMX에 통합된 CANopen 인터페이스를 통해 판독할 수 있으며, 제어 신호를 피구동측에 전송할 수도 있습니다. 다른 제어 작업은 PMX의 아날로그 출력 및 디지털 I/O에 의해 수행됩니다.

시각화(Visualization) 및 작동

PMX를 선택한 또 다른 결정적인 기준은 일반적으로 이용하는 모든 웹 브라우저의 통합 웹 서버를 통해 장치를 작동시킬 수 있다는 점이었습니다. 그리고 이런 방식 덕분에, PC 소프트웨어를 설치할 필요가 없었고, 기존의 네트워크 기술을 이용하여 원격 관리 및 원격 조작을 할 수 있게 되었습니다.

통합 CODESYS Soft PLC는 또한 정밀한 웹 시각화 기능이 있습니다. 이 기능으로, 관련된 모든 신호와 제어 요소를 이용하여 테스트벤치를 조작하는 등 필요한 제어를 할 수 있습니다.
IWES의 Benjamin Buchholz(벤자민 벅홀츠)는 공동 프로젝트 "Rain Erosion on Rotor Blades (로터 블레이드 강수 침식)"에서 조정 역할을 맡고 있습니다. "테스트 조건은 다양합니다. 회전 속도와 기후 조건은 해당 로터 블레이드의 실제 조건에 따라 개별적으로 조정할 수 있습니다."라고 Buchholz는 설명합니다. 또한 그는 "날씨 기록과 작업 데이터에서 필요한 기준을 얻을 수 있습니다.

이런 방법으로, 우리는 테스트벤치의 품질과 최종 결과의 유효성 모두 보장하고 싶습니다. HBM의 통합 PMX 계측 및 제어 시스템을 통해, 우리는 필요한 모든 계측 및 제어 작업을 경제적이고도 효율적으로 수행할 수 있었습니다."라고도 덧붙입니다.

요약 및 전망

손상 분석 메커니즘(Demage mechanism)을 평가하면 포일(foil) 및 페인트 등의 코팅 재료를 최적화하는데 필요한 기초를 마련할 수 있고, 또한 WPP의 운영 지침을 변경한다거나 정비 스케줄을 조정하는 등의 추가 조치를 적용하는 데에도 유용하게 활용할 수 있습니다. 그리고 테스트벤치를 통해 전문가들은 손상 과정을 더 잘 이해할 수 있게 되었고, 그 이해를 토대로 하여 중요한 보호 개념(Protection concepts)을 발전시킬 수 있게 되었습니다.

총 비용 1,400,000유로의 "Pluvial Erosion on Rotor Blades (로터 블레이드 강수 침식)" 프로젝트는 환경, 자연 보호, 핵 안전 독일 연방 정부(BMU)가 후원합니다(인덱스 번호 41V6477). 이 프로젝트는 2016년 9월까지 진행됩니다.

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