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<사진. 스마트 터빈 블레이드 제어 구조 약도
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

풍력 스마트 터빈 블레이드 연구

해상 풍력 에너지는 자원이 풍부하고, 발전(發電) 이용 시간이 길고, 대규모 개발에 적합한 강점을 보유하고 있기 때문에 현재 이미 유럽과 미주 지역 선진국의 풍력발전 분야 중점으로 되고 있다.

중국의 해상 풍력 발전소는 전기 부하 지역과 더욱 가깝게 위치하여 있는 상황이다. 때문에 해상 풍력발전 산업을 대규모적으로 육성시키는 것은 중국의 필연적인 추세로 되고 있다. 해상 풍력발전 항목(項目)은 초기 투자 원가가 매우 높을 뿐만 아니라 후기 운행 및 보수 원가도 특수한 지리 환경 때문에 더욱 중요한 요소로 되고 있다.

때문에 해상 풍력발전 항목에 대해 전체 수명 사이클 내에서의 `제로 유지 보수(Zero maintenance)`를 실현하는 것은 제일 이상적인 상황으로 되고 있다. 이런 목표에 도달하는데 있어서 부하 제어(Load control)는 핵심으로 되고 있다.

현재 풍력 터빈의 부하 제어(Wind turbine load control)는 주로 전통 피치 장치(Traditional pitch devices)를 통해 실현된다. 하지만 풍력 터빈 사이즈가 점차 커짐에 따라 피치 장치의 관성이 커지게 된다. 때문에 응답 지연(Response lag) 등 단점이 존재하여 대기 난류로 인해 발생되는 고주파 부하(High-frequency load)에 대응할 수 없게 된다.

최근 개발된 `스마트 터빈 블레이드 제어(Smart turbine blades control)`는 국지적인 표면 기체 동력 제어 기술을 사용(그림 1. 참조)하기 때문에 랜덤(Randomness), 신속성의 디레이팅(Derating) 수요를 효과적으로 충족시킬 수 있는 상황이다. 때문에 `스마트 터빈 블레이드 제어` 관련 연구는 과학기술계와 산업계의 연구개발 이슈로 부상한 상황이다.

최근 중국과학원 공정 열 물리 연구소 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 `풍력 스마트 터빈 블레이드(wind Smart turbine blades)` 연구에서 혁신적인 성과를 달성하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 최초로 Upwind/NREL5MW를 참고 풍력발전기로 사용하고, FAST/Aerodyn 기체 동력, 구조 모듈에 대한 통합과 수정을 통해 Matlab/Simulink 환경 속에서 PID 제어 장치를 구축하는데 성공하였다.

연구팀은 관련 연구를 통해 플렉시블 날개 뒷전(Trailing edge) 플랩(Flaps)에 기반한 `스마트 터빈 블레이드` 전체 발전기 기체 동력 서보(Servo) 탄성 시뮬레이션 플랫폼을 구축하였으며(그림 2. 참조), 동 플랫폼에 기반하여 IEC 다양한 난기류 상황 하에서의 디레이팅 효과(Derating effect)에 대한 분석 연구를 실행하였다.

관련 실험 및 측정 테스트를 통해 연구팀이 개발한 `스마트 터빈 블레이드 제어 시스템`은 피로 로드(Fatigue loads)를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 연구팀의 관련 연구 성과는 Journal of energy 학술지에 발표되었다.

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 `우수 과학기금 연구 프로젝트`(51222606) 비용 지원을 받아 추진되었다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr

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