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문제 정의
- 본 논문에서는 WinDS3000TM의 설계 관점 및 개발 진행상황을 소개하였다. 설계의 주요 특징은 high RAMS와 low COE로 구분할 수 있다.
- 2009년 하반기 제주도에 시제품을 설치 및 형식인증 시험이 예정되어 있다(2). 본 논문에서는 WinDS3000TM의 설계관점 및 진행상황을 소개 하고자 한다.
- 설계의 주요 특징은 high RAMS와 low COE로 구분할 수 있다. 통합 드라이브 트레인이 축 구동계의 사이즈 감소와 변형 감소를 위해 적용되었고, 풀 파워 컨버터를 채용한 영구자석형 발전기가 부분 부하에서의 효율향상과 계통 주파수 변경에 대한 편의성을 도모하기 위하여 적용되었다. 가변속 속도-토크제어 및 피치제어 기법과 함께 개별 피치제어 기법이 적용되었고, 이로 인해 효율적인 에너지 생산과 함께 블레이드 및 시스템의 하중저감이 기대된다.
제안 방법
- 2에 BLADED S/W를 이용하여 WinDS3000TM의 출력곡선을 나타내었다. 13m/s에서 정격출력을 가지며, 정격 풍속 이상에서는 피치제어를 이용하여 출력을 정규화 하였다.
- rotating housing은 큰 직경으로 인한 높은 굽힘 강성으로 변형을 최소화 시킬 수 있으며, 디퍼런셜 기어와 병행 적용되어 일반적인 증속기와 비교하여 사이즈와 무게를 10%정도 감소 시킬 수 있었다. Torsion bar를 이용한 torque linkage suspension 시스템을 적용하여, 비상정지 또는 극한하중에서 올 수 있는 증속기의 피해를 torsion bar의 탄성 비틀림으로 대체할 수 있도록 하였다. 또한, flexible pin을 적용하여 gear teeth에 작용하는 하중을 균일화 하여 gear teeth의 하중 집중현상을 방지하였다.
- 가용성을 증대시키기 위해서 3 블레이드 로터와 함께 영구 자석 동기형 발전기가 적용되었으며, 출력제어를 위해서 정격풍속 이하에서는 토크제어를 사용하고 정격 풍속 이상에서는 피치제어를 사용하였다. 이를 통해, WinDS3000TM은 최적의 출력 곡선과 부분부하에서도 높은 효율을 갖도록 설계되어 에너지 생산량 증대를 위한 가용성을 확대하였다.
- 고 신뢰성을 만족시키기 위해서, 신뢰성이 확보된 부품사용과 함께, 육상 및 해상 조건에서 각 구성품의 설계 및 안전계수를 다양한 해석방법을 통하여 검증하였다.
- 둘째, 구조 물성 향상을 위해서 재료와 제작공법을 변경하였다. 기본모델에서 사용한 Owens Corning사의 OCF111A 재료는 동사의 SE1500으로 변경되었으며, 제작공법은 hand lay-up에서 VARTM(vacuum assisted resin transfer molding)기법으로 변경하여 섬유체적율을 향상시켰다.
- 11과 같은 혁신적인 나셀 내부 크레인을 개발하였다. 나셀 내부 유지보수 크레인은 윈치-풀리 시스템과 결합하여 나셀내부의 모든 구성품을 취급할 수 있도록 하였다. 따라서 유지보수를 위한 대형 크레인이 필요 없으며, 더불어 대형 크레인을 위한 대형 jack-barge ship도 필요 없기 때문에 유지보수 비용을 감소시킬 수 있다.
- 이를 통해, WinDS3000TM은 최적의 출력 곡선과 부분부하에서도 높은 효율을 갖도록 설계되어 에너지 생산량 증대를 위한 가용성을 확대하였다. 더불어, 50Hz 및 60Hz 전력망에 쉽게 적용할 수 있도록 영구자석형 발전기와 풀 파워 컨버터를 사용하여 그리드 친화적인 시스템을 구축하였다.
- 공냉 시스템에서 뜨거워진 공기는 열교환기를 통해 수냉각 시스템으로 열을 전달하고, 자켓 및 열교환기에 의해 뜨거원진 물은 쿨러를 이용하여 냉각되는 구조로 되어있다. 더불어, 발전기의 cogging 토크를 감소시키기 위해서 stator slot을 비스듬히 배열 하였으며, 인버터 스위칭 장치의 가격을 고려하여 낮은 전압이 선택되었다.
- 둘째, 구조 물성 향상을 위해서 재료와 제작공법을 변경하였다. 기본모델에서 사용한 Owens Corning사의 OCF111A 재료는 동사의 SE1500으로 변경되었으며, 제작공법은 hand lay-up에서 VARTM(vacuum assisted resin transfer molding)기법으로 변경하여 섬유체적율을 향상시켰다.
- 더불어, 영구 자석형 발전기는 고온으로 인한 탈자화가 심각한 문제가 될 수 있으므로, 높은 에너지 생산(Br x Hc)과 높은 탈자 온도를 갖는 NdFeB(Neodymium-Iron-Boron) 자석이 사용되었다. 또한 jacket을 이용한 수냉시스템과 내부 공기 순환을 통한 공냉 시스템을 동시에 적용하였다. 공냉 시스템에서 뜨거워진 공기는 열교환기를 통해 수냉각 시스템으로 열을 전달하고, 자켓 및 열교환기에 의해 뜨거원진 물은 쿨러를 이용하여 냉각되는 구조로 되어있다.
- 블레이드 루트에 센서를 설치하고 시스템 및 블레이드의 피로하중을 감소시킬 수 있도록 피치각은 개별적으로 제어하는 IPC(개별 피치 제어 기법)가 적용되었다. 또한 tower vibration 제어 알고리즘을 통해서 타워 꼭대기에서의 과도한 진동이 감지될 경우, 피치 제어를 통해서 진동을 감쇠시킬 수 있도록 하였다. 이러한 진동 감시 시스템과 결합된 제어 시스템은 높은 바람 속도에서 풍력발전시스템의 구조적인 피로하중을 감소시킬 수 있기 때문에 터빈의 신뢰성 및 수명을 증가 시킬 수 있다.
- 해상에서의 유지보수 요구조건을 만족하기 위해서 상태 감시 시스템이 장착되었다. 또한 혁신적인 나셀 내부 크레인을 개발하여 유지보수 비용 및 시간을 획기적으로 감소 시킬 수 있도록 하였다. 현재 WinDS3000TM은 최종 조립단계에 있으며, 시제품은 2009년 중반 제주도에 설치되어 인증시험이 예정되어 있다.
- Torsion bar를 이용한 torque linkage suspension 시스템을 적용하여, 비상정지 또는 극한하중에서 올 수 있는 증속기의 피해를 torsion bar의 탄성 비틀림으로 대체할 수 있도록 하였다. 또한, flexible pin을 적용하여 gear teeth에 작용하는 하중을 균일화 하여 gear teeth의 하중 집중현상을 방지하였다.
- 블레이드는 Euros사의 EU90-2300-2 모델을 기본 모델로 하여 설계 수정되었으며, GL 규정(3)의 TC Ia 조건을 만족 시키기 위해서, 세 가지 관점에서 설계 변경이 이루어졌다.
- 서스펜션 시스템 증속기는 두 개의 유성기어단과 하나의 평형 기어단으로 구성되어 있으며, rotating housing을 적용하여 입력 토크가 1단의 ring gear와 2단의 carrier에 동시에 분산 전달되도록 하였다. rotating housing은 큰 직경으로 인한 높은 굽힘 강성으로 변형을 최소화 시킬 수 있으며, 디퍼런셜 기어와 병행 적용되어 일반적인 증속기와 비교하여 사이즈와 무게를 10%정도 감소 시킬 수 있었다.
- 셋째, 무게 최소화 및 주요 하중 담당 부재의 보강을 위해서 위해서 블레이드 내부 구조를 최적화 시켰다.
- 더불어, 해상이기 때문에 접근이 쉽지 않고, 고장 발생시 수리비용을 최소화 하기 위해서는 CMS(condition monitoring system)가 필수적으로 요구되고 있는 상황이다(3). 시스템의 비정상적인 작동을 감지하기 위해서 주 베어링, 기어박스 베어링, 발전기 베어링의 시그널과, 타워/로터 고유 주파수, 블레이드/드라이브 트레인 고유 고유주파수, 펌프와 요 드라이브의 가진 주파수를 측정할 수 있도록 하였다.
- 유지보수 비용 저감과 유지보수 편의성 증대를 위해서 Fig. 11과 같은 혁신적인 나셀 내부 크레인을 개발하였다. 나셀 내부 유지보수 크레인은 윈치-풀리 시스템과 결합하여 나셀내부의 모든 구성품을 취급할 수 있도록 하였다.
- 유지보수성을 강화시키기 위해서, 효율적인 내부 크레인을 개발 및 장착하여, 나셀내 모든 구성품을 대형 크레인 및 jack-barge ship 없이 다룰 수 있도록 하였다.
- 더불어, 최근 풍력발전시스템의 대형화에 따라서 제어시스템을 통한 하중 경감은 에너지 흡수 이상으로 중요하게 여겨지고 있다(5,6). 이러한 이유로 WinDS3000TM의 제어시스템은 Fig. 10과 같이 파워 조절뿐만 아니라 지능적이고 진보된 알고리즘(drive train damper, tower vibration control, individual pitch control)을 적용하여 하중 경감을 동시에 만족하도록 설계되었다.
- 주 승압기 위치는 타워 바닥, 나셀 외부, 나셀 내부의 세가지 위치에 대한 비용분석을 통하여, 전기 손실 및 비용을 고려하여 나셀 내부에 위치하도록 하였다. 주 승압기가 나셀내부에 위치할 때, 다른 방법에 비해서 10~20%의 비용 절감 효과를 얻을 수 있었으며, 레이아웃의 최적화를 통해서 WinDS3000TM의 나셀 무게는 승압기 포함하여 Fig.
- 증속기는 개발은 소형, 경량화, 높은 신뢰성 그리고 유지보수성을 고려하여 이루어졌다. 위의 설계목표를 달성하기 위하여 다음과 같이 혁신적인 개념들이 적용되었다.
- 첫째, 공력하중의 감소를 위해서 블레이드 아웃-보드 영역에서 슬림한 형상을 갖도록 설계 변경하였다.
이론/모형
- 또한, 슬립링을 필요로 하지 않기 때문에 상대적으로 단순한 구조를 갖게되어 고장 가능성을 줄일 수 있다. 더불어, 영구 자석형 발전기는 고온으로 인한 탈자화가 심각한 문제가 될 수 있으므로, 높은 에너지 생산(Br x Hc)과 높은 탈자 온도를 갖는 NdFeB(Neodymium-Iron-Boron) 자석이 사용되었다. 또한 jacket을 이용한 수냉시스템과 내부 공기 순환을 통한 공냉 시스템을 동시에 적용하였다.
- 블레이드 루트에 센서를 설치하고 시스템 및 블레이드의 피로하중을 감소시킬 수 있도록 피치각은 개별적으로 제어하는 IPC(개별 피치 제어 기법)가 적용되었다. 또한 tower vibration 제어 알고리즘을 통해서 타워 꼭대기에서의 과도한 진동이 감지될 경우, 피치 제어를 통해서 진동을 감쇠시킬 수 있도록 하였다.
성능/효과
- O&M 시나리오 분석을 통해서, 20년 설계 수명 동안 10%의 연간 고장율을 가진다는 조건하에서, 통상적인 대형 크레인 시스템과 비교하였을 때, 유지보수 비용 및 보수기간이 각각 72% 와 20%로 획기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 서스펜션 시스템 증속기는 두 개의 유성기어단과 하나의 평형 기어단으로 구성되어 있으며, rotating housing을 적용하여 입력 토크가 1단의 ring gear와 2단의 carrier에 동시에 분산 전달되도록 하였다. rotating housing은 큰 직경으로 인한 높은 굽힘 강성으로 변형을 최소화 시킬 수 있으며, 디퍼런셜 기어와 병행 적용되어 일반적인 증속기와 비교하여 사이즈와 무게를 10%정도 감소 시킬 수 있었다. Torsion bar를 이용한 torque linkage suspension 시스템을 적용하여, 비상정지 또는 극한하중에서 올 수 있는 증속기의 피해를 torsion bar의 탄성 비틀림으로 대체할 수 있도록 하였다.
- 가용성을 증대시키기 위해서 3 블레이드 로터와 함께 영구 자석 동기형 발전기가 적용되었으며, 출력제어를 위해서 정격풍속 이하에서는 토크제어를 사용하고 정격 풍속 이상에서는 피치제어를 사용하였다. 이를 통해, WinDS3000TM은 최적의 출력 곡선과 부분부하에서도 높은 효율을 갖도록 설계되어 에너지 생산량 증대를 위한 가용성을 확대하였다. 더불어, 50Hz 및 60Hz 전력망에 쉽게 적용할 수 있도록 영구자석형 발전기와 풀 파워 컨버터를 사용하여 그리드 친화적인 시스템을 구축하였다.
- 6는 블레이드의 flapwise 방향으로의 정하중 시험 장면을 보여 준다. 정하중 시험은 DEWI-OCC의 참관하에 이루어졌으며, 설계하중의 1.1배에 해당하는 시험하중이 whiffle-tree 시스템을 통해서 가해졌으며, 모든 방향의 정하중 시험을 성공적으로 완료하였다.
- 주 승압기 위치는 타워 바닥, 나셀 외부, 나셀 내부의 세가지 위치에 대한 비용분석을 통하여, 전기 손실 및 비용을 고려하여 나셀 내부에 위치하도록 하였다. 주 승압기가 나셀내부에 위치할 때, 다른 방법에 비해서 10~20%의 비용 절감 효과를 얻을 수 있었으며, 레이아웃의 최적화를 통해서 WinDS3000TM의 나셀 무게는 승압기 포함하여 Fig.4와 같이 100톤 정도 가질 것으로 예상된다.
후속연구
- 마지막으로 두산중공업의 고객 서비스 인프라가 풍력발전 시스템의 운전 및 유지보수시의 신속한 서비스를 위해서 제공될 예정이다.
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