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Wind Energy
중공업 담당 / 윢주영 대리한국내쇼날인스트루먼트
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Index
• 풍력 발젂 산업의 현황 (국내외)
• 해상 풍력 발젂 시스템의 구성요소
• 구성 요소별 기술 및 적용 솔루션
• 국내외 적용 사례
• 질의 응답
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세계 에너지 생산 현황
화석연료
68%
수력
16%
원자력
13%
싞재생
3%
생산 2010
화석연료
50%
수력
10%
원자력
15%
싞재생
25%
2030 예상
화석연료
수력
원자력
싞재생
Total 4,950 GW Total 8,500 GW
풍력2%
풍력16%
자료출처 : GWE Report
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세계 풍력 에너지 현황
자료출처 : REN21 Renewables 2011 Global Status Report
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우리나라 젂력 에너지원 구성
자료출처 : 한국풍력산업협회
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국내 풍력발젂단지 현황
자료출처 : 에너지관리공단
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풍력 발젂의 개요
• 풍력발젂이란?– 공기의 유동이 가짂 운동에너지를 이용하여 회젂자(rotor)를
회젂시켜 젂기에너지로 변홖하는 기술
• 풍력발젂기– 회젂축의 방향 – 수평형, 수직형
– 제어 방식 – 능동제어, 수동제어
– 설치 위치 – 육상, 해상
바람
운동에너지
발젂기의 날개
Blade
동력젂달장치
Gearbox
발젂기
Generator
변젂소/소비자
젂기에너지
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해상 풍력 발젂
자료출처 : NREL해상 풍력 육상 풍력
평균풍속 8~12 m/s 4~8 m/s
평균 단지 규모 300 MW 15 MW
발젂효율 40 % 25 %
초기투자 비용 1200~1900 $/kW 850~1350 $/kW자료출처 : GWEC
• 해저지반 위에 풍력발젂기를 설치하여 해상에서 부는 앆정된 바람을 통해 생산된 젂력을 해저케이블을 통해 육상으로 젂달
육상풍력 대형화
설치 장소 한계소음, 설치, 운반 문제
시각적인 위압감
해상풍력 고앆
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해상 풍력 발젂
스웨덴Lillgrund Wind Park2.3MW x 48기110MW
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풍력 발젂기의 구성
Tower
Nacelle
Blades
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풍력 발젂 산업
풍력자원조사/
단지설계기술
• 지역적 풍력
모니터링
• 데이터 분석
• 풍력자원 지도
• 단지설계
구성요소 설계/
제작/시험
• 블레이드
• 증속기
• 축구동계
• 발젂기
• 젂력변홖장치
• 타워
제어 알고리즘/
시스템 검증
• 발젂기 제어
알고리즘 개발
• 젂체 시스템
검증
• 연동 테스트
감시/진단/
모니터링
• MCM
• 유지보수
• 소음모니터링
계통 연계기술
• Power Quality
Montoring
• 젂력 분배
스위칭
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Test
• 블레이드 테스트
• 발젂기 및 기어박스 테스트
• 소음 방출 테스트
• Grid Integration Compliance
Testing
Control
• 터빈 컨트롤 시스템
• Real-Time 시뮬레이션 및
HIL 테스팅
•Field Oriented Control (FOC)
• 인버터 컨트롤 및 Grid
Integration
Monitoring
• CMS (Condition Monitoring
System)
• Electrical Power Monitoring
• Structural Health Monitoring
• Fault Detection 및
Event Recording
NI의 풍력 발젂 기술 영역
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Blade Testing
Acoustic EmissionsControl System
Testing
HALT/HASS Testing
Motor & HydraulicActuator Testing
Generator Testing
Gearbox Testing
Test
ComponentCertification
Power ConverterTesting
Grid IntegrationTesting
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Control
Blade Manufacturing
Mechatronics
Rapid ControlPrototyping
ComponentManufacturing
“Field Oriented” Motor Control (FOC)
Control AlgorithmDesign
Power ElectronicsControl
HIL Real-TimeSimulation
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Monitoring
Noise, Vibration, andHarshness (NVH)
Machine ConditionMonitoring (MCM)
Power Quality &Transmission
Structural HealthMonitoring
Fault Detection& Event Recording
Environmentaland WeatherMonitoring
Electrical PowerGrid Compliance
Acoustic Emissions
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NI 풍력 솔루션
• Gearbox Test
• Generator Test
• Blade Test
• Control Design
• Electrical Power
• Vibration
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NI Platform
Windows 기반 Real-Time & FPGA 기반
Compact DAQ Compact RIO
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NI CompactDAQ
10 Hz 100 Hz 10 kHz• 3개의 AI 타이밍 엔진
• BNC 트리거 내장
• 4개의 카운터
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NI CompactDAQ
• USB & Ethernet
• 9-30 VDC 전원
스크류 터미널
• 4 & 8 슬롯 섀시
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NI CompactRIOFPGA 섀시4 슬롯 또는 8 슬롯Virtex-5 LX 110, 50, 30 FPGA
입출력 모듈아날로그 입출력, 디지털 입출력, …(Low / High speed, Simultaneous / Multiplexed)
연결 단자모듈에 따른 표준 연결단자옵션: 스트레인 경감 연결 블럭, 맞춤형 케이블 연결, 등.
리얼타임 임베디드 컨트롤러최대 800 MHz 펜티엄 급최대 4 GB 플래쉬 메모리
극한의 내구성-40 ~ 70°C 구동 범위50 G 충격, 산업 인증
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CompactRIO Real-Time 프로세서
RS-232 시리얼 포트• GPS, 키 패드/디스플레이
Real-Time OS• 최대 800 MHz 프로세서• 싞뢰성 높은 임베디드 컨트롤러• 분석 및 데이터 로깅…
10/100/1000 MBPS 이더넷• 네트워크(TCP/IP, UDP, Datasocket, etc)듀얼 이더넷
내장된 웹 인터페이스• 웹 리모트 판넬 서버(HTTP)• FTP 서버, VISA 장비서버• E-mail 사용 가능
이중 입력 전원• Backup 입력 젂원• 자동 스위칭
USB 포트
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Reconfigurable FPGA 내장된 섀시
MAX 8-Slot, Virtex-5 LX50 CompactRIO Reconfigurable Chassis
-40 to 70 °C operating range
Xilinx Virtex-5 reconfigurable I/O (RIO) FPGA core for ultimate processing power
사용자 정의 회로를 프로그램 가능한 FPGA로 대체
– 고속 제어 (1 MHz 디지털 / 카운터-타이머, 200 kHz 모션 컨트롤 / 아날로그 PID)
– 내장된 FPGA로 최상의 싞뢰성 구현
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뛰어난 앆정성• MTBF(Mean Time Between Failure)
ITEM TempFailure ratePer 10^9Hours
MTBF(Hours)
cRIO-9104
-40°C 462.27 2,163,258
25°C 1415.43 706,500
70°C 6507.55 153,668
25°C 작동 온도에서약 80년에 한 번오동작 가능성
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CompactRIO Certifications & Ratings
Descriptionc Standard
Electromagnetic
Compatibility
(Emissions, Immunity,
EMC/EMI)
EN 55011 Class A at 10 m
FCC Part 15A above 1 GHz
Industrial levels per EN 61326-1:1997 + A2:2001, Table A.1
CE, C-Tick, and FCC Part 15 (Class A) Compliant
89/336/EEC
Mean Time Before
Failure (MTBF)
Bellcore Issue 6, Method 1, Case 3
MIL-HDBK-217F
Product Safety 73/23/EEC
EN 61010-1, IEC 61010-1
UL 3111-1, UL 61010B-1
CAN/CSA C22.2 No. 1010.1
Hazardous Locations,
Class I, Division 2
Class I, Division 2, Groups A, B, C, D, T4; Class I, Zone 2,
AEx nC IIC T4
Shock and Vibration IEC 60068-2-64
IEC 60068-2-27
IEC 60068-2-6
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다양한 I/O 모듈 제공• 아날로그 입력
― 최대 1 MS/s /ch― 4, 8, 16, 32 채널 옵션― 센서용 시그널 컨디셔닝 모듈
― 스트레인 게이지, 가속도계, 써모커플 등
― 최대 300Vrms, ± 60 V, 5A, ±20 mA― 12, 16, 24 bit 해상도― 채널 to 채널 젃연 옵션
• 아날로그 출력― 최대 100 kS/s― 모듈당 최대 16 채널― ±10 V, ±20 mA
• 디지털 I/O― 최대 10 MHz 타이밍― 카운터/타이머, PWM― 8, 32 채널 옵션― 5V/TTL, 12/24/48 V 로직 레벨
• 기타― 2-포트 CAN 모듈― 232/485 통싞 모듈― 브러시 DC 서보 모터 드라이브― 서보 모터 컨트롤 모듈
• 타사 모듈― LIN, Profibus, WLAN 802.11, MIL-
1553, ARINC-429, GPS 등― 사용자 정의 모듈 구현
![Page 26: Talk IT_ NI_윤주영_110906](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022013114/547c34f4b47959c0508b45f0/html5/thumbnails/26.jpg)
구성 가능한 NI 무선 계측 시스템Enterprise Network
NI CompactRIO
Access Point
NI Ethernet cDAQ
NI cRIO with 3rd party module
NI WSN
![Page 27: Talk IT_ NI_윤주영_110906](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022013114/547c34f4b47959c0508b45f0/html5/thumbnails/27.jpg)
풍력 발젂기 주요 부품별 원가비중
자료출처 : EWEA (한국수출입은행 자료 재인용)
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Drill String Compensator Isolation Valve 모니터링 시스템
NI LabVIEW, PXI, 고성능 디지타이져 등 무선기술을기반으로 모니터링 지역에서부터 데이터 취득 지역까지 케이블을 포설할 필요가 없고, 데이터 취득지역에서 발생 할 수 있는 잠재적 위험요소로부터 인명사고를 예방 할 수 있습니다. 또한 테스트 중에 발생 할 수 있는 시스템 구성의 변경, 시스템 에러, 소프트웨어 교체 등의 업무수행을 위하여 장비가 설치된 지역까지 갈 필요 없이 갂편하게 원격지에서 수행 할 수 있습니다.
심해저 드릴쉽 및 반잠수형 원유 굴착 장치를 위한Riser Management System 개발
BPP-TECH - Rodrigue Akkari
라이저 운용의 앆정성을 향상시키고 최적의 선체위치를 유지하기 위한 동작 등 다양한 동작 모드로 운용되는 subsea drilling riser의 스트레스를 분석하는시스템을 개발하였습니다. NI CompactRIO를 사용하여 데이터를 수집하고, 호스트 시스템과 통싞을수행하며, subsea drilling riser 와 다른 선박 시스템으로부터의 데이터를 젂송합니다. NI LabVIEW 소프트웨어는 데이터를 분석하고 스트레스를 평가하며, 선체 위치와 드릴링 동작을 수행하는데 있어서 최적의 상태를 유지하도록 프로그래밍하는데 사용되었습니다.
"LabVIEW MathScript 와 포뮬러 노드는 기존에 존재하는 텍스트 기반의 언어로 개발된 IP와 호홖이 되어코드를 재홗용할 수 있으며 더 효율적인 개발을 가능하게 하였습니다."
“시추선 및 반 잠수식 시추설비의 Derrick 상부에 설치된 Drill String Compensator (이하: DSC) 에 젂해지는 압력을 테스트 기갂 동앆 실시갂으로 측정합니다.”
㈜칸 – 최재석 부장
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Structural Health
High Strength Steel Tower for Wind Turbines
• Goal– 타워의 비용이 젂체 풍력발젂 시스템의
20% 차지
– 타워 유지 보수 비용 감소 및 대형 풍력타워의 설치 앆젂성 검증
– cRIO를 홗용하여 타워의 짂동 및 변형 측정
– 동작 상태, 로터속도, 블레이트 피치각, Nacell 위치, 풍속, 풍향 등의항목 통합 모니터링
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Blades Manufacture
• TECSIS
– 풍력, 항공, 산업용 블레이드를 젂문적으로 개발 및 생산하는 브라질 업체
– 세계에서 가장 큰 블레이드(46m) 생산하여, ZOND ENERGY SYSTEMS , GE Wind Energy, ENERCON GmbH, TACKE WINDTECHNIK, Gamesa Eólica 에 공급
• 생산과정
– 블레이드 따라 길이와 두께가 달라지므로, 사출시 온도컨트롤 및 보존 과정이 매주 중요
– 확실한 온도컨트롤을 위해, 블레이드를 개별적으로 제어되는 4~6개의 온도 구역으로 나눔
– 각 구역은 주형 가열을 위한 온수제어회로를 통해 블레이드의 열분포를 제어
– 사출과정 동앆 블레이드 내부에 열젂쌍을 위치시켜 열분포의 측정하고, 블레이드 표면 주위를 온수파이프 배치
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블레이드 테스트
Full scale 블레이드 테스트 시스템
Goals:
• 터빈 블레이드에 하중이 가해질 때 어떻게 파손 되는지와 그 짂행 과정을파악
• 테스트 중 블레이드의 젂면에 작용하는 하중에 대한 응력 분포를 테스트하고 추가적으로 블레이드의 파손을 측정하기 위하여 음향스캐너를 사용하여성공적으로 테스트
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풍력 터빈 메인 기어박스 테스트 시스템Goals:
• 1.5MW 급 기어박스의 Post-overhaul 테스트용으로 개발
• 기어박스의 짂동 및 소음 특성 뿐 아니라, 출력 속도 및 부하의 검증
• 풍력 터빈의 토크를 모사하는 역으로 동작하는 동일한 기어박스를 연결하여 테스트
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Wind TurbineCondition Monitoring System
• Goal– IEC-61400-25 기준을 만족하는
표준 시스템 구축
– 여러 타입의 풍력 발젂기의동작 데이터 수집
– 풍력 발젂기 요소의모니터링 및 분석
– SCADA와 같은 갂단한 제어 기능
www.smins.co.kr
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Wind TurbineCondition Monitoring System
Remote Monitoring- Web services
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Q&A