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얼어 붙은 풍력 터빈 블레이드를 되살리다

안전한 풍력발전을 위한 IPMS 시스템

독일은 다른 어떤 에너지원보다 더 많은 재생 에너지를 풍력으로부터 얻는다. 육상과 해상의 풍력 팜들은 막대한 혁신 압력에 직면하고 있다. 시스템은 여러 해 동안 고장 없이 역동적인 부하와 극단적인 기상을 견디도록 설계되고 제작되어야 한다. 특히 겨울철 동안, 블레이드 상의 얼음의 누적은 예정되지 않은 공장 정지의 악명 높은 원인이 되어 왔다. 이러한 도전에 맞서, LEINE LINDE SYSTEMS는 그 계획을 구현하는 데 적합한 동반자, – 즉 B&R을 찾아야 했다.

풍력 터빈

북서쪽으로부터 차갑고 강력한 바람이 귀중한 재생 에너지원을 싣고 불어온다. 그러나 풍력 터빈은 미동도 없이 꼼짝하지 않고, 로터 블레이드가 얼음의 층에 묻혀버렸다. 얼음이 터빈 블레이드에 누적되는 경향은 대기 조건에 따라 달라진다. 운중착빙(雲中着氷: in-cloud icing)은 기온 -10 °C에서 5 °C 사이에서 일어날 수 있다. 거기에 높은 습도, 안개 또는 비가 더해지면, 훨씬 더 심한 얼음의 누적은 흔한 일이다. 만약 얼어 붙은 블레이드가 회전을 계속하면, 떨어져 나간 얼음 덩어리가 수백 미터를 날아가, 우연히 그 지역에 있던 사람들을 위험에 빠뜨린다.

전천후 청정 에너지
LEINE LINDE SYSTEMS는 이것을 방지하는 방법을 알고 있다. 2012년에 설립된 스웨덴 기업 LEINE & LINDE AB의 함부르크 소재 자회사는 풍력 발전 업계 전체를 통해 어플리케이션에 대한 전문 컨설턴트로서 자리잡았다. 이 회사는 인코더, 슬립 링, 센서 및 모터를 포함하는 모(母)그룹 제품 이외에도 – 풍력 발전 어플리케이션에 대해 시스템 엔지니어링과 프로젝트 관리 서비스도 또한 제공한다. 가장 중요한 풍력 에너지 시장은 현재 유럽, 중국 및 남아메리카에 있다.

그의 신형 IPMS 방빙(防氷) 시스템을 개발하기 위해, LEINE LINDE SYSTEMS는 컴팩트한 제어 솔루션 공급자를 찾아내어야 했다. 모(母)그룹으로부터의 피드백을 통해 B&R과의 매우 긍정적인 경험이 보고되었고, B&R 컨트롤러는 이미 그룹의 EnDat 센서를 위한 인터페이스를 제공하였기 때문에, 결정은 신속히 내려졌다.

IPMS를 개발하는 동안에, LEINE LINDE SYSTEMS는 기능과 설계 규격의 준비로부터 이상적인 B&R X20 컨트롤러와 입출력 모듈의 선택에 이르기까지 B&R의 하노버 팀과 긴밀히 협력하였다. LEINE LINDE SYSTEMS의 CTO(최고 기술 책임자)인 Ralf Düllmann은 말한다. “당사와 B&R과의 동반자 관계는 장기적 지속 가능성을 염두에 두고 구축되었습니다. 우리는 복수의 시스템을 사용하는 것을 피하고자 하는 목표를 명확히 세우고 – 그 대신 전체 솔루션을 위해 조언해 줄 수 있는 동반자에 의지하기로 하였습니다. B&R은 바로 맨 처음부터 최적격 대상이었습니다.”

조건이 적절한 시기는.
IPMS 시스템은 풍력 터빈 로터 블레이드 상에 얼음이 누적되는 것을 검출하고 방지하도록 설계되었다. 얼음과 관련된 문제점들의 범위는 터빈 불균형을 발생시키는 불균일하게 분포된 중량 문제로부터 회전 시에 블레이드에서 얼음이 떨어져 나갈 때 발생하는 “얼음 비산(ice throw)”이라 알려진 안전 상의 위험에까지 이른다. 이러한 문제에 대처하기 위해, IPMS 시스템은 특정한 기상학적 파라미터의 집합을 감시하고 만약 상태가 얼음 누적의 위험성이 있으면 운전원에게 경고한다. 시스템에 설치된 네트워크 카메라는 운전원으로 하여금 스마트폰이나 PC를 이용하여 원격으로 상황을 관찰하고 즉시 터빈을 정지시키거나 정의된 경보 수준에 의해 촉발된 자동 셧다운 기능이 작동되도록 한다.

IPMS 시스템의 핵심적 장점은 시스템이 얼음이 원인이 되는 상태의 조기 검출을 제공한다는 것이다. 얼음이 누적되기 전에 터빈을 정지하면, 더 이상 운전을 재개하기 전에 얼음이 녹기까지 기다릴 필요가 없기 때문에 수익률 손실을 최소화하는 데 도움이 된다. 또한 습기가 추가로 모이는 것을 회피하기 위해 회전을 정지시키거나 미리 블레이드 가열 시스템을 가동하는 것과 같은 여러 가지 상황에 대응할 수 있는 선택의 여지도 남겨준다.

“대부분의 경우에, 규제나 운영 인증서는 터빈이 운전을 재개하기 전에 블레이드에 얼음이 없음을 확인하기 위한 육안 검사를 요구합니다. 이것은 전형적으로 현장에 있는 직원에 의해 다루어지지만, IPMS를 이용하면 검증이 원격으로 수행될 수 있습니다. 그것은 시간과 비용을 절약해줍니다.” LEINE LINDE SYSTEMS의 선임 제품 부장인 Matthias Finke의 설명이다.

풍력 발전의 동향
업계 동향은 더 긴 블레이드를 갖춘 더 큰 터빈으로 향하고 있다. 사방이 열려 있는 공간을 구하기 어려워짐에 따라, 터빈은 점점 안전의 역할이 더욱 중요한 바람이 약한 지역, 항구, 산업지대 및 삼림 지역에 설치되는 경향이 있다.

단순히 기존 설비의 확대된 버전을 건설하기 보다, 새로운 터빈들은 가용성과 안전성을 모두 극대화하기 위해 보다 광범위한 센서 기술과 보다 효율적인 건설 자재의 이용을 통해 완전히 재설계되고 있다.

2015년 독일은 사상 최초로 풍력으로부터 원자력보다 더 많은 전력을 생산하였다. 2025년까지 이 나라는 재생 에너지원으로부터 생산되는 전력의 비율을 적어도 40%까지 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 장기적으로, 해상 풍력 팜에서만 약 15,000MW를 전력망에 공급하게 될 것으로 예상된다. 오늘날, 풍력은 독일에서 생산되는 전력의 9% 이상을 차지한다.

[제공. 비앤드알 산업자동화]






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