IWES에서의 로터 블레이드 테스트

2009년에 설립되어 독일, 브레머하벤(Bremerhaven)에 소재한 Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology(이하 IWES)는 재생 에너지에 관한 연구 프로젝트를 전문으로 하고 있습니다. 2011년부터, IWES는 AICON의 광학식 측정 시스템 MoveInspect HF의 혜택을 누리고 있습니다. 이 시스템은 장기간의 테스트도 결과를 실시간으로 모니터링 할 수 있게 해주며 일반적으로 사용되는 케이블 방식의 퍼텐쇼미터에 비해 상당한 이점을 제공합니다.

"더 나은 블레이드를 확보" - 혁신적인 테스트 방식을 위한 프로젝트

풍력 발전소에서 쓰이는 로터 블레이드의 경우 내구성에 관한 신뢰도 높은 예측 가능성을 확보하는 것이 대단히 중요합니다. 로터 블레이드의 피로도가 심해지는 것은 언제이며, 자재 결함이 눈에 띄게 되는 것은 언제일까요? 피로도와 관련하여 블레이드의 작동 행태, 즉 구조적 결함이 보이기 시작하고 점점 커지는 정도를 시스템을 작동시키기 전에 평가할 수 있어야 합니다. 로터 블레이드의 인증 획득을 위한 테스트 절차를 개선하기 위해 IWES의 로터 블레이드 센터에서는(책임자 Arno van Wingerde 박사) "더 나은 블레이드 확보(Better Blade)" 프로젝트를 만들었습니다.

로터 블레이드 테스트 담당 프로젝트 매니저인 Falko Bürkner가 "더 나은 블레이드" 프로젝트의 목표를 다음과 같이 요약했습니다. "지금까지 사용되어 온 측정 방식은 차세대, 최신 풍력 발전소에 쓰기에는 더 이상 충분치 않습니다. 저희는 필요한 정확도를 최적화하기 위해 전 공정을 분석했습니다. 그 결과 핵심적인 약점이 바로 케이블 풀 전위차계인 것으로 확인되었죠. 케이블 길이가 특정 수준을 넘어서면 준비에 걸리는 대응 시간이 훨씬 늘어났고, 그 결과 대단히 동적인 부하 변화량을 저희가 필요로 하는 정밀도로 모니터링 하는 것은 불가능하게 되었죠. 이 구성은 결국 장치 자체와 샘플간에 연결점이 필요 없는 3차원 광학식 측정 시스템으로 교체하는 일이 불가피할 것으로 보입니다.

이 분야에 적용하기 위해 광학식 시스템 MoveInspect HF를 면밀히 살펴본 결과, 기존의 블레이드를 이동하는 방식에 의존하지 않고도 실시간으로 고정밀도의 결과를 산출해 낼 수 있다는 사실이 입증되었습니다.

3D 측정 시스템의 요건

그러나 MoveInspect가 충족해야 하는 요건은 이외에도 또 있었습니다. Arno van Wingerde 박사가 이끄는 팀에서는 정확도뿐만 아니라 테스트와 관련된 여러 가지 상황에 대해서도 요건을 충족하는지 자료를 수집했습니다.

1. 정적 하중 시험

원칙적으로, 테스트 기준에 제시된 바에 의하면 한 번이 아니라 개별적인 정적 테스트를 여러 번 연속하여 수행하도록 되어 있습니다. 블레이드에 절차를 수행하기 전에, 우선 블레이드를 강화 콘크리트 블록에 볼트로 고정해야 합니다. 하중을 가할 때에는 세로 방향, 아래쪽으로 유압 실린더, 로프와 편향 롤러를 사용하여 힘을 가합니다. 변형은 1~20m 범위로, 명확히 구분되는 몇 개의 구간에서 잠깐씩 정지합니다. 여기에서 측정 시스템이 해야 할 일은 현재 공간적 위치를 추적하고, 3차원 좌표를 중앙 데이터 처리 장치로 CAN 통신을 통해 전송하는 것입니다. 필수 정확도를 충족하는 것 외에도 오랜 시간에 걸쳐 수많은 포인트들을 동시에 감독해야 한다는 것이 핵심적인 요점입니다.

2. 주기적인 하중 시험

로터 블레이드는 수명 주기를 거치는 동안 다양한 진폭에서 서로 백만 배의 차이가 있는 부하 변화를 겪게 됩니다. 그러나 테스트를 진행하기 위해서는 일정한 진폭이 적용됩니다. 즉 블레이드를 충격 또는 회전 방향에 두고 자연적인 주파수의 영향을 받도록 하는 것입니다. 또한 2축 테스트도 수행되며, 이는 양쪽 방향에 유사한 자극을 가합니다. 어느 경우에서든 하중은 블레이드 중앙 영역에 위치한 유압 실린더 하나를 통해 전송됩니다.
양쪽의 값은 동시에 감지되어야 하며, 실시간으로 중앙 데이터 처리 장치에 전송되어야 합니다.

3. 일반 요건

• 감지 가능한 변형: 최대 20m
• 데이터 주파수: > 100Hertz, 실시간 측정 가능
• 정확도: < 2mm, 측정 대상 크기에 따라 다름
• 기록 기간: 무제한
• 장치 구성: 휴대용 시스템

MoveInspect HF, 모든 요건을 충족하다

MoveInspect HF를 검사한 결과는 AICON에 대성공을 안겨주었습니다. IWES 팀은 MoveInspect HF가 특수한 어플리케이션에 부합한다는 사실과 함께 이 시스템이 효율적이며 기록 밀도를 제공한다고 확신했습니다. AICON은 2011년 초부터 이 결과에 따른 주문을 받게 되었습니다.

Falko Bürkner가 이 시스템의 장점을 다음과 같이 밝혔습니다. "저희는 MoveInspect HF를 사용하면서 절감되는 비용에 깜짝 놀랐습니다. 전에 사용하던 측정 시스템인 케이블 풀 전위차계에 비해 새로운 시험 한 번을 위해 설치에 드는 시간이 30분이나 줄었거든요. 매번 수많은 직원들의 일손이 필요한 일이었는데 이 덕분에 인건비가 이미 상당히 줄었죠. 게다가, 이제는 더 이상 획득한 전위를 변환할 필요가 없게 되었습니다. 새로 들여온 MoveInspect HF는 결과를 곧바로 직사각형 좌표 체계로 표현해서 분석이 훨씬 빨라졌습니다."

또한 데이터 밀도 면에서도 MoveInspect HF는 기대 이상의 성과를 발휘합니다. Falko Bürkner가 이렇게 확언했습니다. "AICON 시스템에서 감지된 데이터 중 일부는 이제까지는 구할 수 없었던 것들입니다. 정통식 케이블 풀 전위차계로는 특정 매개변수를 평가할 수가 없습니다. 예를 들어 테스트 중 블레이드의 가로 방향 기울기 면에 있어서도 대개 세로 방향 하중에서 수행해야 하죠. 이 사실은 즉 샘플 품질을 좀더 상세하게 분석할 수 있다는 뜻입니다."

IWES 응용 사례에서 본 MoveInsepct HF의 구성

MoveInspect HF 시스템은 고해상도 디지털 카메라를 사용합니다. 로터 블레이드는 길이가 최대 90m에 달해 카메라 네 대가 필요하며, 카메라를 삼각대에 장착하여 블레이드 주변에 배치합니다. 이렇게 하면 전체 견본에서 하나라도 위치가 벗어나는 즉시 알 수 있습니다.

조사할 테스트 지점은 접착식 타겟으로 표시됩니다. 로터 블레이드에서 가장 중요한 지점은 끝부분입니다. 이곳에서 편위가 가장 커지기 때문입니다. 예: 끝부분의 편위가 ± 10m이며 주파수가 0.5Hz인 블레이드의 경우 끝부분 위치에서 결과적인 속도는 최대 32m/s까지 나올 수 있습니다.

2011년 IWES에 설치된 이래로 AICON의 MoveInspect HF는 여러 가지 수많은 로터 블레이드의 수명 주기 분석과 관련한 중요 정보를 평가하며 성공적으로 운용되고 있습니다.