Siemens wind turbine monopile

해상 풍력 터빈 기초에 가해지는 부하를 측정하는 HBM 스트레인 게이지

HBM 스트레인 게이지와 데이터 수집 장비는 네덜란드 웨스터미르윈드(Westermeerwind) 풍력 발전 단지에서 해저의 풍력 터빈 부하 감쇠 효과를 조사하기 위해 실시한 독특한 실험에 사용되었습니다.

HBM 스트레인 게이지와 데이터 수집 장비는 네덜란드 웨스터미르윈드(Westermeerwind) 풍력 발전 단지에서 해저의 풍력 터빈 부하 감쇠 효과를 조사하기 위해 실시한 독특한 실험에 사용되었습니다.

풍력 에너지가 화력 발전보다 매력적이란 점을 부각하기 위해 그리고 경쟁에서 앞서기 위해 사업자들은 해상 풍력 발전 단지를 건설할 때 필요한 MWh를 최대한 경제적으로 공급할 수 있는 새로운 방식을 모색하고 있습니다. 지멘스 윈드파워(Siemens Windpower)는 해저와 풍력 터빈 기초 사이의 상호작용에 대해 자세히 알기 위해 프로젝트를 시작했습니다.

HBM 스트레인 게이지와 데이터 수집 장비는 네덜란드 웨스터미르윈드(Westermeerwind) 풍력 발전 단지에서 해저의 풍력 터빈 부하 감쇠 효과를 조사하기 위해 실시한 독특한 실험에 사용되었습니다. 그 목표는 풍력 터빈 기초의 설계 공정 표준화를 위해 신뢰할 수 있는 입력 변수를 얻는 것이었습니다.

지멘스 윈드파워는 풍력 에너지를 다루는 업체를 인수하고 기존의 여러 지멘스 사업부를 결합하여 2017년 1월 1일에 Siemens AG의 새로운 독립 회사로 설립되었습니다. 네덜란드에 기반을 둔 지멘스 윈드파워(Siemens Windpower B.V.)는 이후 약 120명의 직원을 둔 조직으로 성장했습니다. 이 회사는 기존의 풍력 발전 단지를 유지하면서 신규 풍력 발전 단지를 건설하기 위한 엔지니어링 및 프로젝트 관리도 관리하고 있습니다.

TU Delft와의 협업을 통해 네덜란드 지멘스 윈드파워는 풍력 터빈의 개발과 건설을 위한 역량 센터로 발전하고 있습니다. 관건은 부하를 계산하고 마스트와 기초를 설계하는 것입니다. 터빈 개발 및 제조에 관한 조사는 주로 이 회사의 덴마크 지사에서 실시합니다.

 

 

경쟁, 혁신 및 가격 압박

네덜란드 지멘스 윈드파워의 Jeroen Bongers는 "수십 년 전부터 최근까지 전 세계적으로 풍력 발전에 대한 인기가 상당히 높아졌습니다. 네덜란드의 풍력 터빈과 풍력 발전 단지 대부분은 지난 25년 동안 건설된 것입니다. 네덜란드에서 생산하는 전기의 5퍼센트 이상이 현재 풍력 터빈에서 나옵니다. 외국보다 많이 뒤처져 있지만 순조롭게 발전하고 있는 중입니다. 풍력 발전은 2015년 새로운 에너지 협약에서 확실한 입지를 굳혔습니다. 앞으로 몇 년에 걸쳐 네덜란드의 보셀레(Borssele)와 에이마위던(IJmuiden) 해상에 총 4500메가와트가 설치될 것입니다”라고 설명했습니다.

Bongers는 이렇게 빠른 성장의 단점 한 가지는 경쟁 증가라고 말합니다.

"새로운 입찰에 나서는 컨소시엄이 늘고 있어 가격에 대한 압박을 받고 있습니다. 어쨌든 정부에게는 잘된 일입니다. 몇 년 전에는 2020년의 메가와트당 평균 단가를 100유로로 추정했는데 벌써 73유로로 떨어졌습니다. Vattenfall이 덴마크에 개발한 새 풍력 발전 단지는 메가와트당 단가가 50유로 미만입니다. 최상위 컨소시엄인 Kennis en Innovatie Wind op Zee(TKI-WoZ)에서 계산한 바로는 2020년에는 가격 수준이 2010년보다 46퍼센트 떨어져 풍력 에너지가 경쟁력 있는 에너지원이 되어 보조금이 더는 필요 없을 것입니다.” 경쟁과 가격 압박으로 기업들이 풍력 터빈과 풍력 발전 단지의 원가를 낮춰야 한다는 점에서 상당한 연구가 진행되고 있습니다. 덕분에 이미 풍력 터빈의 발전량이 단 5년 만에 3.6MW에서 8MW로 두 배로 증가했습니다. 이에 대해 Bongers는

 

“각각 8MW의 풍력 터빈 13개로 구성되어 발전량이 100MW인 풍력 발전 단지의 가격이 각각 4MW를 공급하는 풍력 터빈 25개가 있는 단지보다 당연히 훨씬 더 매력적입니다" 라고 말합니다.

Foundation pile being driven

The Disstinct project

지멘스 윈드파워는 풍력 터빈에 관한 새로운 기술과 건설 방법도 광범위하게 연구하고 있습니다. 해저와 풍력 터빈 기초 사이의 상호작용을 조사하는 Disstinct 프로젝트는 2014년에 시작되었습니다. 

‘Disstinct’는 흙과 구조물의 동적 상호작용을 의미합니다. 

지멘스와 TU Delft 외에도 Fugro, Van Oord, DNV-GL 같은 기업들이 이 프로젝트에 참여합니다.

“잘 아시겠지만 풍력 터빈의 기초는 매우 중요합니다. 로터가 마스트에 엄청난 힘을 가합니다. 해상 풍력 터빈의 경우 바람뿐만 아니라 특히 파랑 하중(wave load)도 중요한 역할을 합니다"라고 Bongers는 말합니다. 그는 Disstinct 프로젝트도 책임지고 있습니다.

"구조물이 견딜 수 있는 하중을 결정하는 지지 구조물을 설계할 때 설치물 고유의 진동 주파수가 중요합니다.

 

이 주파수를 정확하게 예측해야 하는데 구조물과 해저의 상호작용이 큰 불확도 계수입니다

현재 구조물의 경우 토양의 강성이 전반적으로 과소평가되기 때문에 구조물을 보수적으로 계산하여, 기초를 더 튼튼하게 설계하고 스틸을 더 많이 사용합니다. 따라서 풍력 터빈 가격이 증가합니다. 이는 가격 압박이 큰 고경쟁 시장에서는 불리합니다.”

 

 

에이설메이르(IJsselmeer) 실험

Bongers는 "풍력 터빈에 가해지는 정적 힘과 동적 힘에 대해 많이 알고 있지만 해저의 감쇠 효과는 잘 모릅니다. 따라서 우리 연구는 해저의 역할에 주로 초점을 맞추고 진행했습니다. 일반적으로 말해 해저가 단단할수록 부하를 더 잘 흡수합니다.

따라서 풍력 터빈을 설계할 때 바닷속 토양 상태부터 고려해야 합니다. 광범위한 토양 조사를 통해 기초 설계에 필요한 더 좋은 입력 변수를 얻습니다.

Disstinct 프로젝트에서 이 관계를 세밀하게 표시하고 검증해야 했습니다. 컴퓨터 모델을 사용하는 것뿐만 아니라 실제로 그렇게 했습니다. 이렇게 웨스터미르윈드 풍력 발전 단지를 건설한 것입니다”라고 설명했습니다.

이 풍력 발전 단지는 위르크(Urk) 시 북쪽, 동북부 간척지 해안의 에이설메이르(IJsselmeer)에 있습니다. 이 단지는 144MW를 발전하는 데, 이는 160,000개 가구에 공급하기에 충분한 전력량입니다. 48개의 지멘스 풍력 터빈이 약 400~500미터의 간격을 두고 두 줄로 늘어서 있습니다. 높이는 95미터이며 로터는 직경이 108미터입니다. 이들이 서 있는 수심은 4~7미터입니다.

지멘스는 Westermeer Wind B.V.와 계약을 맺은 Van Oord, BM4Wind, VMBS와 함께 건설한 풍력 발전 단지의 턴키 시공업체였습니다. 이 풍력 발전 단지는 2016년 6월 21일 경제부 장관 Kamp에 의해 공식적인 시운전에 들어갔습니다.

스트레인 게이지가 사용된 기초

Disstinct 프로젝트를 위해 내진 시험을 포함해 웨스트미르윈드 풍력 발전 단지 밑에 있는 에이설메이르 바닥을 꼼꼼하게 조사했습니다. 이러한 시험을 바탕으로 스틸 기초를 설계했습니다.

직경 5미터, 무게 2백 톤 이상의 모노파일을 해저면에서 약 25미터 깊이까지 박았습니다. 기초 파일 중 하나에는 실험용 측정 장비를 장착했습니다. 이 파일 안쪽에 스트레인 게이지 4개로 이루어진 링을 7개 높이에 설치하여 스틸의 신장량을 측정할 수 있도록 했습니다.

링 수는 하나 이상이 제대로 작동하지 않아도 스트레인 게이지로 필요한 정보를 얻을 수 있을 정도로 정했습니다.

이 프로젝트에 참여한 북서 유럽 HBM의 스트레인 게이지 어플리케이션 공인 엔지니어 중 한 명인 Marc van den Biggelaar는 “센서 설치는 복잡한 작업이었습니다. 기초 파일의 직경이 약 5미터이기 때문에 이를 통과할 수 있는 작은 공중 작업 플랫폼에서 작업해야 했습니다. 기술자들은 보건 안전 규정에 따라 개인 보호 장구를 착용했으며, 특수 저전압 장치를 사용했습니다. 스틸 파일은 전도성이 있는 구조물이기 때문에 접지해야 했습니다.

 

스트레인 게이지의 부착 방식은 접착 또는 스폿 용접인데 이 프로젝트의 경우 모노파일 인증을 이미 받은 상태였기 때문에 접착 방식만 사용할 수 밖에 없었습니다”라고 말했습니다.

계측 장치가 달린 모노파일
HBM 스트레인 게이지 설치 중
HBM 설치 작업

프로젝트 실현

재료, 어플리케이션, 온도 범위, 주변 조건에 따라 특정 종류의 접착제와 특정 접착 기법을 사용하여 수년에 걸쳐 스트레인 게이지를 제 위치에 접착시켰습니다. Disstinct 프로젝트는 스트레인 게이지가 물밑과 심지어 해저면 밑에 있었기 때문에 방수 성능이 있는 특수한 종류의 접착제와 보호 매질을 사용했습니다.

Van den Biggelaar에 따르면 스칸디나비아 출신의 HBM 엔지니어들이 이 기법을 자주 사용했다고 합니다. 노르웨이 출신 전문가 팀이 이 프로젝트에 참여했거든요.

“작업 당시 주변 조건은 좋지 않았기 때문에 접착제와 보호 매질이 제대로 굳을 수 있도록 모노파일을 예열해야 했습니다. 연결 케이블도 특수한 방수 유형이어야 했습니다. 추가로 보호하기 위해 타사에서 설치하여 모노파일에 접착제로 붙인 케이블 덕트 안에 배치했습니다. 계획에 없었는데 흥미롭게도 설치한 스트레인 게이지가 기초 파일을 박을 때 그 거동을 모니터링하는 역할을 했습니다. 파일을 박은 후에도 스트레인 게이지의 80퍼센트가 계속 작동했는데, 이는 우리의 예상을 훨씬 웃도는 수치였습니다. 스트레인 게이지는 앞으로 몇 년 동안 훨씬 더 많은 데이터를 제공할 것입니다. 노르웨이에서도 2003년부터 비슷한 프로젝트를 진행하고 있습니다.”

Glued strain gauge
Strain gauges after installation in monopile
Installed strain gauge
Monopile shaker

셰이커(Shaker)

해저면 밑으로 박은 모노파일에 셰이커를 부착했습니다. 이것은 기초에 미치는 영향을 알기 위해 의도적으로 질량 불균형을 야기하여 타워와 로터에서 나오는 힘을 재현하는 유압식 진동 해머입니다. IHC가 비어링거워프(Wieringerwerf)에 있는 WMC의 철근 콘크리트 바닥에서 미리 셰이커를 시험하여 교정했습니다. 특수 방수 케이블을 사용하여 모노파일에 있는 스트레인 게이지 지점을 HBM MGC Plus 데이터 수집 시스템에 연결했습니다. 경사계와 가속도계도 데이터 수집 시스템에 연결했습니다. 데이터 수집 시스템은 기초 옆에 닻으로 고정한 작업선에 설치했습니다. 셰이커를 이용한 시험은 3일 동안 진행되었습니다.

셰이커 시험 후 앞으로 몇 년 동안 계속 모니터링할 수 있도록 HBM 시스템과 catman® 소프트웨어가 있는 측정용 캐비닛을 풍력 터빈에 영구적으로 설치했습니다. 캐비닛에는 산업용 등급의 PC와 비상 전원 공급장치를 장착하여 정전 시에도 데이터 손실이 없도록 하였습니다. 기존 측정 위치에 스트레인 게이지 측정 지점을 더 많이 추가했습니다. 타워의 37미터 높이에 측정 지점이 4개인 링 하나를 추가했습니다. 지멘스는 원격으로 데이터를 수집할 수 있도록 PC를 내부 네트워크에 연결하였습니다.

 

 

Results

Measuring cabinet with HBM DAQ system

 

풍력 터빈 하나에서 나오는 전체 데이터를 사용하여 해저 거동을 조사하기가 쉽지 않은 데다가 기초를 대상으로 한 이 실험에서 필요하지도 않았습니다. Bongers는 "이 실험으로 매우 흥미로운 데이터가 나왔다"고 말했습니다.

Bongers는 아직도 분석이 진행되지만 그 가설이 맞다는 결론이 나올 것이라고 생각했습니다. 토양은 예상보다 단단했으며 정확한 토양 조사를 통해 필요한 강성 계수 4 또는 5에 근접할 수 있었습니다. 일부 경우에서는 상당히 가벼운 기초로도 충분하여 비용을 그만큼 절감할 수 있다는 것을 의미합니다. 

Bongers는 "이 실험을 실시할 수 있어서 정말 다행입니다. 참여한 모든 당사자들이 시간적 압박, 비용, 위험에도 불구하고 자신들의 이익을 신경 쓰지 않았습니다. 정말 고마운 일입니다. 조사 결과는 향후 풍력 발전 단지 개발에 큰 도움이 될 수 있습니다. 과학자들이 이것을 올해 자신의 논문으로 사용할 것입니다.

 

이 모든 데이터를 DNV-GL의 인증을 받을 수 있고, 따라서 해상 풍력 터빈을 설계하는 일종의 표준 또는 기준이 될 수 있는 설계 모델을 개발하는 데 사용해야 합니다.

그 결과 앞으로 풍력 터빈 위치에서 현재보다 좀 더 광범위한 토양 조사가 시행될 것입니다. 이것은 약간의 추가 투자이지만 기초와 마스트가 더 가벼워지고 따라서 값이 더 낮아질 것이므로 바로 회수할 수 있습니다”라고 말했습니다.