[논문]750kW급 Geared Type 풍력발전시스템 개발

차종환; 한상열; 이호준; 고장욱; 이현주; 오시덕; 신형기; 이수갑; 김태욱; 성대영; 박성배

문제 정의

본 연구에서는 에너지 및 환경에 대한 문제가 대두되면서 기술 개발의 필요성이 높아지고 있는 풍력발전시스템에 대하여 750kW급 Geared Type 가변속 풍력발전시스템을 개발하였다. 풍력발전시스템 이 급속히 대용량화됨을 고려하여 ㎿급의 기술 조합이 반영되도록 설계하였으며, 베어링과 같은 국내 인프라가 부족한 구성품을 제외한 모든 구성기기들을 자체 설계/제작하였다.
조합을 검토하여 개념설계에 반영하였다. 이에 본 고에서는 기상청 및 KIER 의 자료를 이용하여 설치가 가능한 지역을 대상으로 풍력발전기의 운전 조건 자료의 추출과 함께 기존에 선진국에서 개발 및 상용화되어 운전 중인 풍력발전 시스템의 운전조건을 조사. 분석하여 결정하였으며 개념설계 결과는 다음 표와 같다.
본 연구는 산업자원부 & 에너지 관리 공단의 대체 . 청정 에너지 및 자원기술개발 사업의 지원을 받아서 수행한 연구 결과입니다.

제안 방법

스템을 개발하였다. 풍력발전시스템 이 급속히 대용량화됨을 고려하여 ㎿급의 기술 조합이 반영되도록 설계하였으며, 베어링과 같은 국내 인프라가 부족한 구성품을 제외한 모든 구성기기들을 자체 설계/제작하였다.
블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하여 시동 풍속 3.5m/s, 정지 풍속 25m/s, 정격 풍속은 12.7m/s이며 IEC 61400-1 의 Class Ⅰ 에 준한 750㎾급 풍력 발전시스템을 개발하였다.
따라서, 본 연구에서는 당사의 주요 구성기기 개발 경험과(증속기, 발전기, 타워 등) 관련 기반 기술의 적용을 효과적으로 활용하여 연구 개발 성과를 극대화할 수 있는 기어드 타입의 가변속 피치 제어형 풍력발전시스템을 3년(2002. 12 〜 2005. 4) 동안 참여기업으로 (주)애드컴텍, (주)코헤와 위탁기관인 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원(대전, 창원), 서울대학교 등과 공동으로 자체 개발하였다. 블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 2D 및 3D 풍동실험을 실시하고 구조 해석 및 설계를 수행하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬 리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하였다.
4) 동안 참여기업으로 (주)애드컴텍, (주)코헤와 위탁기관인 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원(대전, 창원), 서울대학교 등과 공동으로 자체 개발하였다. 블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 2D 및 3D 풍동실험을 실시하고 구조 해석 및 설계를 수행하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬 리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하였다. 피치 및 요 시스템은 전동식으로 하였으며, 허브, 메인 프레임, 원통형 타워 등을 설계/제작하여 시동 풍속 3.
블레이드는 국내 풍황에 적합하도록 자체 에어포일을 설계하여 2D 및 3D 풍동실험을 실시하고 구조 해석 및 설계를 수행하여 개발하였으며, 가변속 제어를 위한 이중 여자 유도발전기 및 제어기와 Down sizing 구현을 위한 유성 및 헬 리컬 기어 혼합형 증속기를 개발하였다. 피치 및 요 시스템은 전동식으로 하였으며, 허브, 메인 프레임, 원통형 타워 등을 설계/제작하여 시동 풍속 3.5m/s, 정지 풍속 25m/S/ 정격 풍속은 12.7m/s이며 IEC 61400-1 의 Class Ⅰ 에 준한 750㎾급 풍력발전시스템을 개발하였다. 또한, 시스템 해석과 시험을 통하여 풍력발전 시스템엔지니어링 기술을 확보하였으며, 대관령 풍력 실증 단지에 설치하여 실증 연구를수행할 예정이다.
풍력발전 시스템은 바람을 원동력으로 하기 때문에 발전 가능한 풍속 범위에서 시스템이 안정을 유지하면서 효율적으로 운전될 수 있는 운전 조건을 결정하여야하며, 최근 풍력발전시스템이 급속히 대용량화됨을 고려하여 ㎿급에서 적용되는기술 조합을 검토하여 개념설계에 반영하였다. 이에 본 고에서는 기상청 및 KIER 의 자료를 이용하여 설치가 가능한 지역을 대상으로 풍력발전기의 운전 조건 자료의 추출과 함께 기존에 선진국에서 개발 및 상용화되어 운전 중인 풍력발전 시스템의 운전조건을 조사.
본 개발에서는 서울대학교에서 공력 설게를 수행하였고 한국기계연구원(창원)에서 구조설계를 실시하여 (주)애드컴텍에서 제작을 하였다. 에어포일은 국내 풍황에 적합하도록 해석적 방법을 통하여 새롭게 설계하였으며 2D, 3D 시험을 실시하여 출력계수(Cp)를 증가시키면서 최적화하였다.
설계된 에어포일에 적합한 구조 설계 및 해석을 수행하였으며 1/7 축소 시제를 제작하여 구조 강도 시험을 실시하였다. 시험 결과를 설계에 적용하여 실제 블레이드 설계를 실시하였다.
구조 강도 시험을 실시하였다. 시험 결과를 설계에 적용하여 실제 블레이드 설계를 실시하였다.
블레이드 제작은 여러 가지 공법 중에서 제품의 크기에 무관하게 성형 시간이 매우 짧고, 균일하게 수지를 분포시킬 수 있어 제품의 품질이 균일하며, 복잡한 형상의 구조물을 일체형으로 성형할 수 있는 장점이 있는 Infusion 공법을 채택하여 제작하였다.
채택하였다. 그러나 상세 설계 과정에서 외형 크기와 유성 기어열의 숫자가 많은 경우는 그 만큼 유지 보수가 헬리컬 기어에 비해 상대적으로 어렵기 때문에 유지보수 비용이 가장 중요한 요소로 인식되는 현재의 증속기 시장 추이를 반영하여 1단 유성-2단 헬리컬 기어열을 갖는 구조로 사양으로 설계 제작 하였다.
유도 발전기이다. 풍력 발전 시스템의 특성상 국제 규격에 의하면보호등급 IP 54, 절연등급 F 종 이상(온도 155도) 요구하고 있으므로 이를 만족하도록 설계하였으며 FEM 해석을 통해 특성 해석을 수행하여 제작하였다.
이중 여자 유도발전기을 모델링하고 PSCAD를 활용하여 시뮬레이션을 실시하였으며 축소 시스템을 제작하여 시험을 통해 제어 알고리즘을 확립하였다. 주 제어기로 TMS320C31 를 사용하였으며 IGBT를 사용하여 제어 시스템을 구현하였다.
따라서, 본 연구에서는 국내 풍황에 적합한 블레이드를 위탁 및 참여 기업과함께 자체 개발함은 물론 허브, 발전기, 증속기, 제어 시스템, 타워 등의 구성기기들을 설계/ 제작하여 750㎾급 가변속 피치 제어형 Geared Type 풍력발전시스템을 개발하였으며 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
특희, 본 연구에서는 시스템 설계에 있어서 중요한 개념설계 단계에서 풍력발전시스템의 급속한 대용량화를 고려하여 MW급에 적용되는 가변속 피치 제어 기술을 채택함으로써 기술의 완성도를 높였으며, 베어링 등 이외에는 블레이드를 포함하여, 허브, 증속기, 발전기, 제어 시스템, 타워, 메인 프레임 등의 모든 구성기기들을 자체 설계/제작하고 시스템 해석을 수행함으로써 중형급 풍력발전시스템의 설계/제작 기술의 자립화 기반을 확보하였다. 또한, 세계적으로 시장에서 수용되는 기술이 ㎿급 기술이므로 개발 결과의 시장 수용성은 낮지만, 시스템 설계/ 제작 기술을 자체적으로 확보하였기 때문에 상시 상용화뿐만 아니라 구성기기 자체만으로도 사업화가 가능할 수 있을 것으로 여겨진다.

대상 데이터

모두 만족해야만 한다. 본 개발에서는 서울대학교에서 공력 설게를 수행하였고 한국기계연구원(창원)에서 구조설계를 실시하여 (주)애드컴텍에서 제작을 하였다. 에어포일은 국내 풍황에 적합하도록 해석적 방법을 통하여 새롭게 설계하였으며 2D, 3D 시험을 실시하여 출력계수(Cp)를 증가시키면서 최적화하였다.
고려된 허브 구조 설계가 이루어져야 한다. 또한, 그 구조의 복잡성으로 인하여 주로 주조방식에 의한 제작이 일반적이며, 주물재질은 기계적 충격과 피로에강하며, 진동감쇠특성이 우수한 성질을 갖는 구상흑연주철(GCD400)로 선정하였다.
축소 시스템을 제작하여 시험을 통해 제어 알고리즘을 확립하였다. 주 제어기로 TMS320C31 를 사용하였으며 IGBT를 사용하여 제어 시스템을 구현하였다.

후속연구

7m/s이며 IEC 61400-1 의 Class Ⅰ 에 준한 750㎾급 풍력발전시스템을 개발하였다. 또한, 시스템 해석과 시험을 통하여 풍력발전 시스템엔지니어링 기술을 확보하였으며, 대관령 풍력 실증 단지에 설치하여 실증 연구를수행할 예정이다.
설계/제작 기술의 자립화 기반을 확보하였다. 또한, 세계적으로 시장에서 수용되는 기술이 ㎿급 기술이므로 개발 결과의 시장 수용성은 낮지만, 시스템 설계/ 제작 기술을 자체적으로 확보하였기 때문에 상시 상용화뿐만 아니라 구성기기 자체만으로도 사업화가 가능할 수 있을 것으로 여겨진다.
따라서, ㎿급의 적용 기술을 채택함으로써 대형 풍력발전시스템 개발 기술의 기반을 확보하였을 뿐만 아니라 구성기기 대부분을 자체적으로 설계/제작함으로써 풍력 발전 시스템의 상용화 및 유지보수 기반 기술이 확보되었다고 판단되며, 본 연구 개발의 성과를 풍력발전 구성기기 및 시스템의 기술성숙도와 성능 향상을 위한 R&D 플랫폼으로 활용하면서 풍력발전용 구성기기, 풍력발전 시스템 기술 수준 및 시장 요구 간의 기술적 Gap을 확인하고, 최적화하는 기술개발 사업을 지속적으로 수행 하여 국산 기술 및 제품의 경쟁력 제고를 도모하는 데 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 기술개발 성과의 응용을 통하여 증속기, 발전기 등을 포함한 구성 기기 및 시스템 제작, 공급 사업 등을 수행함으로써 풍력발전시스템의 보급 확대 및 국산품의 상용화에 기여할 것이다.
있을 것으로 사료된다. 또한, 기술개발 성과의 응용을 통하여 증속기, 발전기 등을 포함한 구성 기기 및 시스템 제작, 공급 사업 등을 수행함으로써 풍력발전시스템의 보급 확대 및 국산품의 상용화에 기여할 것이다.

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