풍력 터빈의 수명은 일반적으로 터빈이 설계된 발전 용량 또는 그 인접한 범위에서 효율적이고 신뢰성 있게 운영될 수 있는 기간으로 정의됩니다. 일반적으로 풍력 터빈은 풍력 발전 단지에서 신재생 에너지를 안정적으로 생성하기 위해 약 20~30년의 수명을 가지고 있습니다.
물론 풍력 터빈의 수명은 다음을 포함한 여러 요인에 따라 크게 다를 수 있습니다. 여기에는 터빈의 원래 설계와 견고성, 환경 조건 및 스트레스에 대한 노출, 운영 이력, 터빈이 받는 유지보수 레벨이 포함됩니다.
터빈 내에서 많은 중요한 부품들은 시간이 지나면서 마모와 피로를 겪게 됩니다. 이러한 부품에는 블레이드, 기어박스, 제너레이터, 타워 자체가 포함됩니다.일정 시점에 이르면, 이러한 부품을 수리하는 비용이 터빈 유닛을 교체하는 비용에 근접 또는 이를 초과하게 되거나, 수리에 대한 투자 수익이 부족해 수리를 정당화할 수 없게 되어 결국 해체하는 상황을 초래하게 됩니다.
풍력 터빈 수명을 연장하는 방법
풍력 터빈은 시운전일부터 수명 기간 동안 지속적인 기계 및 환경 스트레스를 견뎌야 합니다. 이러한 스트레스는 시간이 지남에 따라 장치에서 다양한 수준의 피로로 누적됩니다. 이는 종종 풍력 터빈의 라이프 사이클에서 예상보다 일찍 구성 요소 및 구조적 고장을 초래합니다.
그러나 발전된 제어 방식을 사용함으로써 이러한 스트레스 중 일부를 완화할 수 있으므로 풍력 터빈의 수명을 연장하는 동시에 에너지 생산을 늘리는 경우도 있습니다. 이러한 제어 전략을 구현하는 것은 불시적인 기계 수리 또는 구성 요소 업그레이드에 대한 시간과 비용 효과적인 대안입니다.
부하 완화 - 스러스트 제한 및 난류 기반 경감
터빈 하중은 주로 풍속, 방향 및 제어기 반응의 변화에 따라 달라질 수 있는 공기 역학적 힘에 의해 구동됩니다. 이러한 하중은 피로를 가속화할 수 있지만 제어 시스템을 통해 해결할 수 있습니다.
하중 완화의 일반적인 방법 중 하나는 스러스트 제한 및 난류 기반 경감 알고리즘을 통해 극한 피로 하중을 상쇄하는 데 도움이 될 수 있습니다.
스러스트 리미터는 풍속에 따라 추진력을 추정합니다. 스러스트 추정이 높을 때(따라서 터빈 부하 및 응력을 증가) 피치가 증가합니다. 이를 통해 전방 및 후방 타워의 하중을 최대 5%까지 줄이지만 연간 에너지 생산(AEP)을 약간 줄일 수 있습니다.
스러스트 리미터를 추가하여 난류 스케일 조정된 스러스트 리미터를 사용할 수 있습니다. 이 시나리오에서는 풍류가 증가함에 따라 스러스트 한계가 감소합니다. 이로 인해 정적 스러스트 한계 제어에 비해 AEP에 미치는 영향이 줄어듭니다.
마지막으로, 난류 기반 경감 시스템은 심한 난류 동안 전력 출력을 감소시켜 극심한 하중 스트레스를 줄입니다. 이는 나셀 가속과 예상 바람에 따라 난기류 추정을 함으로써 이루어집니다.
부하 완화 - 드라이브트레인 진동 감소
풍속 변화, 난류 및 부적절한 정렬은 풍력 터빈 드라이브트레인 진동을 유발시킬 수 있는 일부 요소입니다. 결과적으로, 이와 같은 진동으로 인해 드라이브트레인 피로 하중이 증가합니다.
이를 해결하기 위해 드라이브트레인 댐퍼는 고유 주파수에서 드라이브트레인 진동을 추출합니다. 이를 통해 제어 시스템의 전원 설정값에 추가되는 역상 진동(또는 드라이브트레인 댐프닝 파워)을 생성합니다. 그 결과 제너레이터 토크 설정값이 발생하여 드라이브트레인의 고유 주파수가 감소합니다. 드라이브트레인 댐핑 솔루션을 추가하면 드라이브트레인 피로 하중을 최대 10%까지 줄일 수 있습니다.
부하 완화 - 타워 진동 감소
난류, 공명 또는 블레이드 불균형으로 인해 발생하는 경우, 타워 진동은 타워 피로 하중을 증가시키고 풍력 터빈 수명을 단축할 수 있습니다. 그러나 타워 댐퍼 솔루션은 타워 진동을 상쇄할 수 있습니다. 이는 횡방향 및 축방향 모두에 대해 타워 상단 가속도계 측정을 사용하여 수행됩니다.
횡방향의 경우, 시스템은 전원 설정값에 추가되는 역상 전원 진동을 생성합니다. 축방향의 경우, 피치 설정값에 추가되는 역상 피치 진동을 생성합니다. 그 결과 제너레이터 토크 설정값과 피치 설정값이 타워의 고유 주파수를 약화시켜 피로 하중을 최대 8%까지 줄일 수 있습니다.
터빈 최적화 - 요축 및 피치 정렬
위치 지정이 잘못되었습니다. 요축 오정렬 또는 피치 오정렬으로 풍력 터빈 피로 하중을 크게 높일 수 있습니다. 연속 요축 정렬을 제공하는 자체 교정 요축 제어 알고리즘에 의해 요축 오정렬을 수정할 수 있습니다. 피치 오정렬의 경우, 회전기 불균형 감지 알고리즘이 피치 설정점에 자동 수정을 적용합니다. 발전된 제어 방식 소프트웨어를 통해 이러한 오정렬 중 하나를 수정하면 시스템 마모와 파열이 감소하여 풍력 터빈의 수명을 늘리고 에너지 출력을 증가시키는 병렬 이점을 얻을 수 있습니다.
전원 출력 균형 맞추기 대 터빈 마모
요축이나 피치 오정렬, 드라이브트레인 또는 타워 진동과 같은 스트레스를 유발하는 문제를 해결할 때 큰 전력 출력 장해는 없습니다. 발전된 제어 방식 기술을 활용하는 것은 전력 출력을 저하하지 않고 풍력 터빈의 수명을 연장하는 입증된 방법입니다.
스러스트 제한 솔루션을 구현할 때 장해가 발생할 수 있지만, 발전된 제어 방식의 시스템 프로세스는 터빈 전원 출력 및 극한 피로 부하 완화 사이의 균형을 적절하게 결정할 수 있습니다.
Emerson은 풍력 터빈 개조 전체 솔루션 모음과 함께 고객의 운영 요구에 맞는 방식으로 이러한 문제를 해결하기 위한 전문성을 제공합니다.
