EtherCAT 이용한 조력 터빈 응용사례

Scotrenewables사가 채택한 Beckhoff의 통합 제어 솔루션

북해의 조력를 이용한 대체에너지 개발은 학계와 산업계로부터 주목을 받고 있다. 지난 2002년 설립된 스코틀랜드 신생기업인 Scotrenewables Tidal Power는 북해의 거친 환경에 견딜 수 있도록 특수 설계된 조력 터빈을 개발했다. 이 터빈은 기존 시스템과 달리, 해저에 고정되는 방식이 아니라 바다에 떠 있는 구조로 설계됐다. 모든 제어기능들은 PC와 통합된 EtherCAT 기반의 컨트롤 플랫폼이 처리한다.

Scotrenewables Tidal Power는 스코틀랜드 스트롬네스에 본사를 두고 있다. 최근 해양 신재생에너지 기술개발을 위해 SR250 부유 조력 터빈(이하 SR250)을 개발했다. 혁신적으로 설계된 시스템 디자인 덕분에 상당한 비용절감 효과가 예상돼 조력발전이 활성화될 가까운 미래에 신재생에너지 분야에서 중요한 역할을 하게 될 것으로 기대되고 있다.

튼튼하고 혁신적인 디자인

북해의 거친 환경 조건에서 작동해야 하는 조력발전 시스템은 최소의 유지보수로 운영이 가능해야 하며, 튼튼한 내구성을 갖춰야 한다. SR250의 250kW 프로토 타입은 유럽 해양 에너지센터가 운영하는 오크니섬에서 떨어져 있는 Fall of Warness 조력 테스트 센터에서 현재 2년간의 테스트 프로그램을 받고 있다.

2개의 역회전 로터는 조력의 운동에너지를 받아 발전기로 전달하며, 변환된 전기에너지는 해저에 묻혀있는 케이블을 통해 해안으로 전달된다.

SR250은 접이식 지지대에 의해 수평축에 평행하게 회전자가 부착된 하나의 원통형 관으로 구성됐다. 지지대들은 SR250이 두 가지 모드를 취할 수 있도록 해준다. 작동 모드에서는 로터가 물속에서 확장되며, 전송 모드에선 거친 파도가 이는 바다에서 로터가 과부하되는 것을 막기 위해 수축된다.

경쟁에서 생존을 보장하는 낮은 유지비

SR250의 개발에서 Scotrenewables의 주요 목표는 쉬운 설치와 작동, 접근의 용이성, 쉬운 유지 보수와 견고성이었다.

Scotrenewables은 다른 신재생에너지 자원과 비교했을 때 조력발전 부분 경쟁에서 가장 중요한 요소를 유지비로 예상했다. 종래의 조력발전소는 대개 강성 구조를 가지고 있었으며, 공해상에서 설치와 유지보수를 하기위해 무거운 리프트 크레인 선박 등 고비용의 특수 장비 및 운송설비를 필요로 했다.

이와 반대로 Scotrenewables에 의해 개발된 SR250은 다목적 선박으로 설치할 수 있다. 공정에 소요되는 비용이 훨씬 덜 들며, 빠르고, 비용효율적으로 운전장소 또는 보수를 위해 견인될 수 있다.

통합적인 PC 기반 제어

SR250은 산업용 PC, IP 67등급의 EtherCAT I/O, TwinCAT 오토메이션 소프트웨어를 포함한 Beckhoff 통합제어 플랫폼을 사용한다. Beckhoff 통합제어 플랫폼은 터빈 암의 운동, 데이터 로깅, 운전 및 원거리 모니터링을 포함해 모든 운전기능들을 제어한다.

SR250의 시스템 통신은 케이블 이중화를 제공하면서, 케이블이 끊어졌을 경우에도 시스템의 작동을 보장해 주는 EtherCAT 링 토폴로지에 기반을 두고 있다. EtherCAT 링 토폴로지는 단지 몇 개의 저전압 케이블들의 연결만으로 빠른 구성을 제공한다. 시스템은 유압제어 시스템을 포함해 모든 움직이는 부품들을 제어하며, 감속제어 드라이브 같은 외부장치들과 통신하게 된다.

드라이버나 다른 통신 프로토콜이 필요치 않으며, 프로그램 로직처럼 같은 변수를 가진 소프트웨어 안에서 어드레스를 지정받는 TwinCAT HMI 툴을 통해 모든 모니터링 태스크를 처리하게 된다.

Beckhoff 스코틀랜드 담당 알란 스미스(Alan Smith)매니저는 “혁신적이고 까다로운 프로젝트였으며, 견고함과 가용성 부분에서 제어 구성요소들에 대한 엄격한 요구사항들이 있었다. Scotrenewables는 절대적인 신뢰성과 높은 MTBF(Mean Time Between Failures)값들을 요구했다. Beckhoff의 고도로 통합된 제어 솔루션의 개방성이 상호 운용성 문제 같은 위험없이 엔지니어링 속도를 높여야 한다는 중요한 전제조건도 포함됐다. EtherCAT 플랫폼은 모듈식 접근을 가능하게 해주기 때문에, SR250과 같은 연구개발 프로젝트에 이상적”이라고 말했다.

Scotrenewables 엔젤 루아(Angel Rua) 개발 엔지니어는 “SR250의 디자인 콘셉트는 견인 테스트를 비롯해 다양한 테스트의 실행을 가능하게 해주며, 통제된 방식으로 조수를 모의실험하고 탑재된 모든 시스템을 점검하기 위한 테스트들에 사용된다. 전 출력 하에서의 테스트는 성공적이었고, 우리가 개발한 터빈이 확실하고 효과적으로 에너지를 생산할 수 있으며, 250kW의 정격 출력을 달성할 수 있다는 것을 입증할 수 있게 했다”고 말했다. Scotrenewables 마크 해밀턴(Mark Hamilton) 기술 감독관도 “계통 연계형 현장 발전 테스트 역시 아주 성공적이었다”고 강조했다.

Scotrenewables는 가까운 미래에 상용 애플리케이션을 위한 차세대 2MW 터빈 SR2000을 계획 중이다. SR2000은 3m/s의 유량에서 2MW의 정격출력을 달성하도록 설계될 예정이다. SR2000은 세계에서 가장 강력한 조력 터빈 중의 하나가 될 것이다.

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