발전소의 종합적 관리

풍력발전기 제작사와 운영사에 대한 경제적 압력이 심해지면서, 블레이드(blade), 나셀(nacelle), 타워(tower), 기초(foundation)에 가해지는 하중을 측정하기 위한 구조물 모니터링 시스템(structural health monitoring system) 등이 표준이 되었습니다. 이러한 추세는 발전소 전체를 모니터링하기 위한 종합적인 시스템을 향하고 있습니다. 여기에서 하이브리드 측정 기술 시스템은 흥미로운 대안을 제시하고 있습니다. ‘광학적’ 측정과 ‘전기적’ 측정의 장점만을 취합한 새로운 대안입니다.

지금까지 전 세계에 설치된 풍력발전 용량은 450GW로서, 풍력발전은 이제 보편화되었습니다. 그리고 비록 풍력을 수천 년 동안 동력원으로 사용해왔지만, 현재의 발전 형태는 아직도 미숙한 단계이며, 아직도 기술적, 상업적 응용에 있어 풀어야 할 과제가 많습니다. 여전히 경험적 데이터가 부족하기 때문에, 그러한 발전소의 사용 수명에 관한 과제도 있습니다.

해안에 위치한 풍력발전소를 비롯한 많은 풍력발전소는 강한 물리적 힘과 비틀림 모멘트(torsional moment), 기타 영향 요소에 노출되어 있습니다. 풍력발전소에서 가장 많은 경제적 편익을 산출하려는 운영자, 투자자, 풍력발전소 개발자에게 이는 불가피한 문제입니다.

  • 풍력발전소의 사용 수명을 추정하는 방법이 있는가?
  • 다운타임(downtime)을 줄이고 전력 산출을 극대화하기 위해 가장 최적으로 예비부속(spare part) 요구를 관리할 방법이 있는가?
  • 운영자가 풍력발전소의 현재 상황을 항상 인지하도록 할 수 있는 효율적인 방법이 있는가?

구조물 상시 감시 시스템을 이용한 현대의 측정 기술을 사용하면, 과거 어느 때보다도 이러한 문제에 응답할 수 있는 훨씬 유용하고 의미 있는 데이터를 얻을 수 있습니다.

구조물 상시 감시 시스템을 통해 미래를 예측할 수는 없지만, 일정한 정도까지는 ‘측정하고 예측할 수 있도록’ 할 수 있습니다.

풍력발전소에 구조물 상시 감시 시스템(SHM)을 설치할 때 고려해야 할 요소는 정확히 무엇일까요? 이 시점에서 기술과 제품을 자세히 살펴볼 수 있습니다. 실제로 이러한 질문은 그러한 시스템을 설치할 때 두 번째 질문이 되어야 합니다. 목적을 분명히 고려하는 것이 다른 모든 것보다 더 중요합니다. 즉, 구조물 상시 감시 시스템이 실제로 내가 풍력발전소를 최대한 경제적으로 활용하기 위한 데이터를 얻는 데 도움이 될 것인가를 고려해야 합니다.

 

지금 추세는 ‘종합 관리’

구조물 상시 감시 시스템은 일반적으로 풍력발전소의 드라이브 트레인(drive train)에 사용하였습니다. 이러한 방식은 논리적으로 볼 때 적절한 방식입니다만, 매우 주의하여 조사해야 하는 풍력발전소의 심장부에 있는 이 중심 구역에는 상당한 토크와 하중이 발생합니다.

그래서 많은 풍력발전소 운영자들은 이러한 접근법이 충분하지 않다는 사실을 인식하게 되었습니다. 운영자들은 풍력발전소를 전반적으로 관찰하기를 원합니다. 예를 들면 폭풍과 같은 심한 기상 사건 이후의 안정성 검증, 상태 감시 또는 풍력발전소의 잔여 사용수명을 추정하기 위한 데이터를 얻기를 원합니다.

그러나 이러한 문제는 단순히 드라이브 트레인만을 측정하는 것으로는 해결할 수 없습니다. 풍력발전소의 타워, 기초, 블레이드에도 측정 시스템을 설치해야 합니다.

다운타임 감소로 인한 신속한 설치비 회수

풍력발전소에 가해지고 있는 경제적 요구를 감안하면, 이러한 종합적인 방식은 더욱 시급해지고 있습니다. 시장에서 경쟁력을 유지하려면 풍력발전소의 제조비용을 계속 줄여야 합니다. 그러기 위해서는 불가피하게 재료를 줄여야 합니다. 그러나 그렇게 최적화를 할수록, 풍력발전소 상태에 관한 최신 데이터가 더욱 중요해집니다. 예를 들면, 타워나 기초의 재료 균열과 같은 심각한 문제를 방지하기 위해 이러한 데이터가 필요합니다.

종합적인 구조물 상시 감시 시스템을 활용하면 사용자는 조기에 문제를 확인할 수 있고 비용이 낮을 때 조치를 취할 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 다운타임을 계획하고 최소화할 수 있습니다. 다른 말로 하자면, 다운타임이 줄어들기 때문에, 구조물 상시 감시 시스템을 설치하는 일부 비용을 즉시 회수할 수 있습니다.

구조물 상시 감시 시스템의 구성요소

실제로 이러한 시스템의 모습은 어떨까요? 다른 측정 시스템과 마찬가지로, 구조물 상시 감시 시스템은 세 가지 요소로 이루어져 있습니다. 첫 째로, 감시해야 할 풍력발전소의 구성품에 설치되는 센서가 있습니다. 예를 들면, 이것들은 재료의 신장(stretching)과 스트레스를 감시하기 위한 스트레인 게이지 또는, 온도, 힘, 기울기, 토크 등을 측정하는 센서가 될 수 있습니다. 이러한 센서들은 고전적인 전기적 측정 기술 또는 혁신적인 옵티컬 센서 를 활용할 수 있습니다. 적용 유형에 맞게 적절한 시스템을 선택할 수 있습니다.

측정 시스템의 두 번째 구성요소는 측정 앰프(measuring amplifier)와 측정 데이터를 디지털화하고 연속으로 장치에 데이터를 저장할 수 있는 데이터 기록기(data recorder)와 같은 측정 전자기기입니다. 광학 센서의 경우, 이러한 앰프를 “인터로게이터” 라고 부릅니다.

그리고 마지막으로 사용자에게 있어 궁극적으로 중요한 세 번째 요소는 소프트웨어입니다. 소프트웨어에서 측정 데이터가 디스플레이되고(시각화되고), 핵심적인 상황에서 다양한 계산 또는 촉발(trigger)이 제공될 수 있습니다. 소프트웨어는 구조물 상시 감시 임무에 있어서도 중요합니다. 소프트웨어는 이제 단순히 디스플레이하고 추가적으로 처리하는 기능을 훨씬 넘어서고 있습니다.

HBM nCode GlyphWorks 와 같은 피로 및 하중 소프트웨어를 사용하면, 발전소의 CAD 데이터를 이용하여, 복잡한 사용 수명을 예측하고 계산할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 이미 많은 발전소에서 사용하고 있습니다.

전기 및 광학 측정 기술: 기술 비교

HBM FiberSensing이 개발한 다양한 측정량을 위한 광학 센서

풍력 터빈에 간편히 설치할 수 있는 SLB 스트레인 센서

그러나 통상적인 측정 기술 활용으로 되돌아가보면 이미 설명한 바와 같이, 구조물 상시 감시 시스템에 광학 측정 기술과 전기 측정 기술 등 두 가지 기술을 사용할 수 있습니다.

특히, fibre Bragg 기술을 적용한 광학 측정 기술이 최근 몇 년 동안 풍력발전소의 감시 시스템에서 점점 중요해지고 있습니다. 왜일까요?

그 명칭에서 알 수 있듯이, 광학 센서는 빛을 측정에 활용합니다. 센서는 특수 패터(patter)인 ‘fibre Bragg grid(FBG)’가 내장된 광학 도파관(optical waveguide)으로 이루어져 있습니다. 전달되는 광파의 속성이 다르기 때문에 물리량을 식별할 수 있습니다.

이러한 기술적 특징으로 풍력발전소에 fibre Bragg 센서를 활용할 때 몇 가지 장점이 있습니다. 광학 센서는 ‘수동으로(passively)’ 작동하게 됩니다. 이는 낙뢰에 대한 저항성이 있다는 것을 의미합니다. 피로 징후에 대한 저항력이 높고, 매우 긴 기간 동안의 많은 재하 사이클에 대한 측정이 가능합니다. 멀티플렉서(multiplexer) 속성이 있기 때문에(인터로게이터 하나만을 앰프 모듈로 하여, 하나의 광학 도파관에 센서 몇 개를 사용할 수 있음) 배선이 줄어듭니다. 또한 광학 센서를 이용하면 케이블이 길어도 정보가 거의 손실되지 않고 안전하게 데이터를 전송할 수 있습니다.

풍력발전소에서 사용할 때, 이러한 많은 유용한 속성은 어떤 의미를 가질까요? 대답은 분명합니다. 재하 사이클이 많고 사용 기간이 매우 긴 풍력 터빈에 사용하기에 적합하며, 필요한 배선이 최소화된다는 점입니다. 단 하나의 케이블에 수많은 광학 스트레인 센서를 설치하여(멀티플렉싱) 수행하는 풍력발전소의 블레이드에 대한 스트레인 측정이 그러한 사례입니다.

 

측정 기술 공급업체인 HBM Test & Measurement는 ‘FiberSensing’ 제품군에 스트레인, 경사, 온도 등 측정을 측정하기 위한 센서가 포함된 제품 등 다양한 광학 FBG 센서와 인터로게이터를 제공합니다. 특히 풍력발전소 운영자에게는 “FiberSensing WindMETER” 종합 시스템을 추천합니다. 이 시스템은 풍력발전소의 회전자 블레이드 감시를 위해 특별히 개발된 신뢰할만한 종합 솔루션입니다. 이 시스템은 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 사용할 수 있는 저전력형 광학-전기 인터로게이터(opto-electrical interrogator)와 fibre Bragg grid(FBG)를 적용한 스트레인 및 온도 센서로 구성되어 있습니다.

이 혁신적인 시스템은 측정 표준이 설치되어 있어서, 자동으로 매 10밀리초(ms)마다 모든 측정 데이터를 스스로 교정하여, 영구적인 동력을 제공합니다.

WindMETER는 다른 많은 애플리케이션에 내장할 수도 있으며, 피치(pitch), 상태 감시, 하중 평가, 회전자 블레이드 재질 검증, 진동 감시, 착빙(ice) 탐지 등의 솔루션을 지원합니다. WindMETER는 언제나 개별적인 요구사항에 맞춰 변형할 수 있습니다.

하이브리드 시스템: 장점만 취합한 최고의 제품

앞에서 언급한 바와 같이, 풍력발전소 블레이드를 감시해야 할 뿐만 아니라 전체적인 안정성을 고려해야 합니다. 여기에서 광학 측정 기술을 이용하여 많은 측정을 할 수 있지만, 스트레인 게이지를 이용한 일반적인 전기 센서 기술을 이용하는 경우, 하이브리드 시스템을 사용할 수 있으며, 합리적입니다. 높은 신뢰성, 간편한 설치, 낮은 비용이라는 장점이 있습니다.

그렇기 때문에, 전기적 측정 기술을 사용하는 곳에 하이브리드 구조물 상시 감시 시스템도 사용하고 있습니다. 예를 들면, 타워나 기초에 설치하기에 적합합니다. HBM은 이 분야에서 보통 SLB 스트레인 게이지와 KMR 힘 센서를 이용하는 전기 툴 키트를 제안합니다.

이 센서들은 감시할 풍력발전소의 일부분에 매우 간단히 설치할 수 있으며, 실외에서 사용하기에 매우 적합합니다.

방청 스테인리스 스틸로 제작된 SLB 스트레인 게이지는 오히려 기존의 스트레인 게이지보다 더욱 쉽게 설치할 수 있습니다. SLB-700A를 이용하여 정적 또는 동적 하중 하에서 스트레인을 감시합니다.

KMR 힘 와셔(force washer)는 정적 및 동적 압축력(compressive force)을 측정하며, 예를 들면 생산 공정이나 스크류 연결부위에서의 힘 감시에 특히 적합합니다. 방호 수준이 IP 67이기때문에 개방된 곳에서도 측정이 가능합니다.

풍력발전소에서 흔히 사용하는 이러한 두 센서 이외에도, HBM은 정밀도와 방호 특성이 다양한 수백 가지 형태의 스트레인 게이지, 측정용 앰프, 데이터 기록기 등 다양한 센서를 제공합니다.

맞춤 솔루션을 위한 모듈형 시스템

전체 풍력 터빈에 구조물 상시 감시 솔루션을 적용하는 작업은 복잡하지만 불가능하지 않습니다. 특히, HBM과 같이 모든 측정 기술 솔루션을 제공하는 공급자가 전체 측정 사슬, 다양한 센서, 측정용 앰프, 소프트웨어 패키지로 이루어진 모든 모듈형 시스템을 제공하여 측정 업무에 최적으로 맞춤화할 수 있다면 이 작업이 훨씬 쉬워집니다. 결론적으로 말하자면, 감시의 목적에 맞게 기술을 선택합니다. 선택된 기술에 맞춰 감시 목표를 세우는 것이 아닙니다.

특히 풍력발전 분야에서는 많은 고객들이 HBM이 제공하는 기술 전문가의 설치 서비스에 의존하고 있습니다. 심지어는 해안에서도 작업할 수 있습니다. 전체 풍력발전소 무게 측정과 같은 부가적인 서비스도 제공합니다.

그렇기 때문에, 풍력발전소 운영자는 HBM이 가진 종합적인 측정 기술과 풍력발전 분야의 많은 응용 경험을 활용할 수 있습니다. HBM 센서는 일찍이 1976년에 최초의 독일 풍력발전소인 ‘GROWIAN’이 개발될 당시에 거기에 있었습니다. 당시에는 그 누구도 풍력발전소가 이렇게 훌륭히 발전하리라고 예상할 수 없었습니다. 그렇지만 ‘HBM이 만든(made by HBM)’ 결과는 여전히 이 분야의 기술적 발전에 있어 신뢰할만한 동반자입니다.

PES – 전력 및 에너지 솔루션(Power and Energy Solutions)

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