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풍력발전기 열화상 카메라 구축 사례
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신재생 에너지로 풍력발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 환경오염이나 방사능 누출 같은 위험성이 없고 구조나 설치가 간단한 점이, 신재생 에너지가 그 어떤 대체에너지 수단보다 각광을 받고 있는 이유다. 특히, 구조나 설치가 간단한 점으로 운영관리가 쉬워 무인화로 자동화 운전이 가능한 점은 인건비 등의 부수적인 예산이 들지 않는 점 또한, 장점으로 손꼽히고 있다. 하지만 이러한 점은 시스템 고장으로 인한 사고 등이 야기될 때 빠른 대처가 어렵다는 문제가 되기도 한다. 때문에 이를 보완하기 위해 열화상카메라가 이용되고 있다.
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조 덕 상 │ 콕스 대표이사(ceo@coxcamera.com)
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풍력발전은 태양열 발전처럼 연료가 들어가지 않고 자연으로부터 에너지를 얻는 신재생 에너지다. 이러한 풍력발전은 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 석유나 석탄같은 화석연료나 우라늄을 이용한 발전방식과는 달리 대기오염, 수질오염, 토양오염, 발열에 의한 열오염이나 방사능 누출 등과 같은 안전성의 문제가 없는 무공해 발전방식이다. 이러한 장점 때문에, 풍력발전은 태양에너지와 함께 가장 유력한 미래의 대체 에너지원으로 주목을 받고 있으며 세계적으로 풍력발전기가 설치 운영되고 있다.
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우리나라도 세계기후변화협약과 같은 국제 환경변화와 유가상승 그리고 국내사용 에너지원의 96%를 수입에 의존하는 문제에 대처하기 위해서 청정에너지인 풍력발전에 관심이 높다. 뿐만 아니라 다른 청정에너지에 비해서 구조나 설치가 간단해 운영 및 관리가 쉽고 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있다. 그러나 무인화로 운영되기 때문에 시스템 고장으로 인한 여러 가지 사고가 발생할 수 있다.
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풍력발전의 취약성 및 문제점을 열화상 카메라로 찾는다
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자연을 이용한 풍력발전에서도 많은 기계/전자적인 부품들이 사용되기 마련이다. 그 중 가장 중요한 요소 중에 하나인 터빈은 매우 복잡한 부품들로 구성돼있다. 터빈의 문제가 발생 시 전체 시스템의 가동을 중단시키거나 문제의 원인을 찾기 위해서 많은 시간을 소비해야 한다. 그리고 풍력발전기의 날개가 너무 빠른 속도로 회전하는 것을 방지하기 위해서 변속기와 브레이크가 사용되는데, 이 부품 중 하나라도 고장이 발생하면 날개의 회전속도가 빨라져 날개에 설계치를 초과하는 응력이 발생하게 돼 로터 블레이드가 균열이 생기거나 부러지는 사고가 발생하게 된다.
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독일 서남부지방도시 트리어 인근에 설치된 풍력발전기의 로터 블레이드가 부러져 근방에 지나던 차량 앞에 추락하는 사고가 있었으며, 독일 동부지방 브란덴부르크 주에 설치된 100m 높이 풍력발전기의 로터 블레이드가 부러져 인근 도로에 추락하는 사고도 있었다. 이러한 문제점을 보완해주고 감시하기 위한 여러 가지 모니터링 시스템이 개발돼 있다. 기본적인 모니터링 시스템은 상태 정보뿐만 아니라, 풍속, 출력, 회전수, 온도, 압력 등을 감시한다. 최근에는 효율적인 고장 분석 및 예지 진단을 위해 열화상 카메라가 사용되고 있다.
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풍력발전기 내의 기계 부품이나 전기 부품이 고장 나거나 파손되기 전에 온도가 상승하는 특징이 있다. 열화상 카메라는 열이 발생한 영역을 감지하고 영상으로 표현해 주기 때문에 이러한 기계부품이나 전기 부품들이 고장 나기 전에 미리 발견할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러므로 열화상 카메라는 베어링 축, 기어와 브레이크 등 핵심 부품의 고장 신호를 높은 신뢰도와 효율로 즉시 보여주어 예방정비를 실시하거나 해당 부품을 미리 교체할 수 있다.
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열화상 카메라를 이용한 풍력발전기 예방 감시 시스템의 구성
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풍력발전기 예방 감시 시스템의 기본 구성은 기계 부품과 전기 부품들을 감시하기 위한 CCD 카메라, 열화상 카메라, 각종 센서들이 있으며, 이들 기기로부터 받은 데이터를 현장 데이터 서버에 보내주기 위한 단말기로 구성된다. 현장 데이터 서버는 각각의 풍력발전기에서 받은 데이터를 저장 및 원격 모니터링 시스템이나 데이터 서버에 인터넷 통신을 통해서 데이터를 보내게 된다. 그리고 데이터 서버는 데이터 백업, 시스템 원격 진단, 원격 기술 지원, 진단 보고서 작성 등의 역할을 한다.
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열화상 카메라를 이용한 풍력발전기 예방 감시 시스템의 설치 사례
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시스템 설치 개요
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시스템 설치장소 : XX풍력
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풍력발전기 예방 감시 시스템은 풍력발전기의 주요 요소(터빈 주축, 기어박스, 발전기, 타워 등)의 동작 상태를 실시간으로 모니터링하며 이상 발생 시, 사용자에게 즉시 통보하고 진단을 통해 고장원인을 파악하는 시스템이다.
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최근 국내 풍력발전기의 화재사고 및 안전사고에 대비하기 위해 기존의 진동감시 기능뿐만 아니라 열화상 카메라를 이용한 화재 감시, 기어박스와 브레이크 고장 등의 사전 예방 기능이 추가된 최적화된 감시시스템이다.
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이 시스템은 원격 모니터링 및 진단 서비스를 통해 고객의 풍력발전기의 상태를 원격으로 감시하며, 정기 점검보고서와 알람 발생 시 그 내용 및 진단 보고서를 고객에게 발송해 설비의 유지관리를 지원한다.
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적용효과 및 향후 전망
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기존의 진단 시스템은 고장 징후가 발생한 후에 점검과 보수를 했지만 열화상 카메라를 접목한 풍력발전기 예방 감시 시스템은 고장 발생 이전에 고장 징후를 파악할 수 있으므로 사고를 미연에 방지할 수 있으며, 전체 시스템의 가동을 중단시켜서 문제의 원인을 찾는 시간을 절약할 수 있다. 또한, 감시되는 부품의 온도가 수집되므로 과거 데이터를 기반으로 부품이 언제 고장이 발생할지 미래 예측이 가능하다. 향후에는 실상과 열상을 합성해서 감시하고자 하는 부품의 시연성을 좋게 해 고장 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 할 예정이다.
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[월간 시큐리티월드 통권 제201호(sw@infothe.com)]
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