우리 바다에 꼭 맞는 해상풍력발전기 안전진단 기술 개발
- 기계연 해상풍력발전기 고유 진동수를 이용한 구조건전성 감시시스템 개발 -

우리 바다에 설치된 해상풍력발전기의 안전을 더욱 효과적으로 진단할 수 있는 구조건전성 감시시스템(SHM・Structural health monitoring system)이 개발됐다. 탄소중립 목표를 달성하기 위해 신재생에너지에 대한 관심이 커지는 가운데 해상풍력발전단지를 한층 경제적이고 안전하게 운영할 수 있는 기술이 개발되어 풍력에너지의 경쟁력 강화에 도움이 될 전망이다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 시스템 다이나믹스연구실 서윤호 책임연구원은 바다에 설치된 해상풍력발전기가 갖는 고유진동수를 활용하여 구조의 상태를 정밀하게 감지하는 구조건전성 감시시스템을 개발했다.

▲ 한국기계연구원이 개발한 해상풍력발전기의 구조건전성 감시 시스템.

석션 버켓 구조의 해상풍력발전기에 가속도 센서, 변형률 센서, 기울기 센서, 파도와 온도 측정 센서 등 다양한 센서가 부착되어있다.

▲ 해상풍력발전기의 고유진동수를 이용하여 구조건전성을 직관적이고 효율적으로 확인할 수 있는 그래프

1년 간 모니터링 결과 값을 보여주고 있으며, 파란색 부분은 풍력발전기 작동 중 일정하게 나타나는 고유진동수를,

주황색과 녹색 부분은 운영되지 않는 동안 일정하게 나타나는 고유진동수를 보여주고 있다.

구조건전성 감시시스템은 건물과 교량 같은 대형 구조물에서 발생할 수 있는 사고를 예방하기 위해 다양한 정보를 측정하여 안전성을 감시하는 시스템이다. 구조물의 진동과 변형률 등 물리량을 실시간으로 측정하고 온라인으로 확인할 수 있는 기술부터, 눈으로 확인해야 하는 육안검사, 비파괴 검사 등 오프라인으로 이뤄지는 주기적인 진단까지 다양한 기술이 활용되고 있다.

풍력발전기의 구조 안정성은 날개가 회전하며 발생하는 하중(荷重)에 크게 영향을 받는다. 특히 해저에 설치되다보니 조류와 파도뿐만 아니라 해수에 의한 구조물의 부식, 해저 지형의 침식도 영향을 주기 때문에 지지 구조의 건전성이 더욱 중시되고 있다.

연구팀은 풍력발전기의 지지구조 안전성을 효과적으로 진단하기 위하여 구조물의 고유진동수를 실시간으로 감지하는 기술을 개발했다. 고유진동수란 모든 구조물이 갖는 고유의 진동수를 의미하며, 모든 구조물은 외부의 충격이 올 때 고유의 진동수(주파수)로 진동한다. 피아노나 실로폰, 편경 등도 고유진동수 때문에 소리가 난다.

▲한국기계연구원이 개발한 해상풍력발전기의 건전성 감시시스템 센서.

개별 측정된 센서 값을 바탕으로 고유진동수를 추정하고, 이를 활용해 구조건전성을 효율적으로 감시할 수 있다.

연구팀은 해상풍력발전기의 동작여부와 발전량, 회전속도 등의 다양한 센서 정보를 바탕으로 미세하게 달라지는 고유진동수를 추정하는데 성공했다. 지금까지는 구조물의 건전성을 감시하기 위해 다양한 센서 정보를 개별적으로 분석해야 했지만 이제는 고유진동수를 측정하는 것만으로 안전성 진단이 가능하다.

최근 친환경 공법으로 주목받고 있는 석션 버켓 지지 구조 해상풍력발전기에 1년 간 적용하여 데이터 획득 및 감시 성능에 대한 검증을 실시했으며, 효율적인 구조물 건전성 감시를 통해 운영인원과 운영비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

서윤호 책임연구원은 “이번 기술을 활용하면 해상풍력단지의 운영 안전성을 획기적으로 강화하여 친환경적이고 경제적인 풍력에너지 활용을 확대하는데 기여할 수 있을 것”이라며 “우리 기술로 우리 지형에 최적화된 구조물 감시가 가능해 효율적이고 안전한 발전시스템을 만들 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 기계연구원 주요사업 ‘인공지능 기반 기계 시스템 예측 진단 및 사고대응 기술 개발’ 과제와 산업통상자원부가 지원하는 ‘실규모 해상풍력 터빈을 탑재한 석션버켓 지지구조 실증연구’ 과제의 일환으로 수행되었다.