디지털 트윈으로 구동되는 스마트 풍력 터빈 개발

풍력 발전 산업의 과제

풍력 발전은 세계에서 가장 빠르게 성장하는 재생 에너지원 중 하나입니다. 그러나 지난 10년간의 급속한 발전에 따라 풍력 발전 산업은 엄청난 엔지니어링 과제에 직면해 있으며 경제적 효율성에 의문이 제기되고 있습니다. 업계에서 인정하는 새로운 에너지 효율성 척도는 일관성 있는 기준으로 다양한 발전 방법 비교를 시도하는 LCOE입니다. LCOE는 라이프사이클 전체에 걸쳐 발전 자산을 구축하고 운영하는 비용을 라이프사이클 전기 출력으로 나눈 값입니다. 이 비용을 줄이려면 풍력 터빈 제조업체는 지속적으로 혁신을 추진하고 더 크고 가볍고 지능적인 풍력 터빈을 개발해야 합니다. 목표는 생산, 운영 및 유지 보수 비용을 줄이고 단위당 전기 생산량을 늘리는 것입니다.

풍력 발전 단지는 풍력 발전 산업의 또 다른 과제입니다. 지난 20년 동안 전통적인 고속 풍력 발전 단지 자원이 사용되었지만 이제 한계에 도달하고 있습니다. 이에 따라 업계에서 최소 풍속 5~5.5m/s의 저속 풍력 발전 단지 자원 탐사의 필요가 대두하고 있습니다.

풍력 발전 산업은 이제 새로운 저속의 시대에 접어들었습니다. 이러한 요소는 신제품 개발 시 고려되어야 하며 여러 가지 엔지니어링 과제를 제시합니다.

엔지니어링 과제

풍력 터빈은 무작위 천이 공기 역학적 가진을 받는 크고 유연한 구조입니다. 핵심 구성요소에는 블레이드, 타워, 직접 구동 모터 및 기어박스가 포함됩니다. 복잡한 동적 하중의 영향으로 인해 구성 요소가 고장 나기도 하며, 고장률은 라이프사이클 비용에 가장 큰 영향을 미칩니다. 안정성은 풍력 터빈 설계 프로세스에서 항상 중요한 요구사항입니다.

기존의 풍력 터빈 개발 프로세스는 별도로 수행되며 이는 기계의 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다. 한편으로 설계 프로세스에서 풍하중 해석이 구조 설계와 분리되어 있어 엔지니어가 불가피하게 가정하는 경우가 많으며, 때로는 이러한 가정이 부적절하기도 합니다. 다른 한편으로 제어 프로그램 설계 프로세스도 구조 설계 프로세스와 분리되어 있습니다. 제어 프로그램 설계자는 주어진 하중하에서 구조적 반응에 대한 가정을 해야 합니다. 기술 자원의 제약으로 인해 구조 설계자는 실제 구조 반응을 신속하게 결정할 수 없는 경우가 많습니다.

터빈 블레이드가 훨씬 더 길고 타워 튜브의 높이가 120~140m에 달할 수 있어 터빈이 동적 하중에 더욱 민감한 저속 풍력 시장에서 문제는 더욱 심각합니다. 풍력 터빈의 동적 응답에 대한 정확한 예측은 제품 개발에 필수적입니다. 완전한 기계의 고정밀 디지털 시뮬레이션 모델 생성은 동적 응답을 예측하는 데 기본이 되는 작업입니다.

대형 풍력 터빈은 구조적으로 매우 복잡하고 부품과 복잡한 표면이 많습니다. 기존의 유한 요소 시뮬레이션은 모델링 또는 계산 효율성 측면에서 신속한 개발에 대한 요구사항을 충족할 수 없습니다. 따라서 완전한 기계 동적 성능 시뮬레이션을 준비하기 위해서는 모델을 파라미터화하고 단순화해야 합니다.

개별 풍력 터빈을 설계하는 과제 외에도 제조업체는 여러 개의 터빈이 있는 풍력 발전 단지의 전반적인 제어도 고려해야 합니다. LCOE를 줄이는 중요한 방법은 센서 기술로 풍력과 풍향을 실시간으로 모니터링한 다음 최적화 알고리즘으로 단지의 모든 터빈을 조정하여 최적의 발전 효율성과 안전한 운영을 달성하는 것입니다. 물리적 제품의 실제 속성과 성능을 정확하게 복제하고 시뮬레이션하는 지능형 가상 모델인 '디지털 트윈'을 사용하면 물리적 시스템의 최적 시뮬레이션과 스마트 제어가 가능합니다.

SANY Heavy Energy의 선택

2016년부터 SANY Heavy Energy의 제품 개발 팀은 동적 하중을 예측하는 새로운 방법을 개발하고, 제품 플랫폼을 위한 디지털 설계 방법을 개발하고, 기존 제품의 기계적 성능 및 제어 전략 최적화를 통해 운영과 유지 보수를 지원해 왔습니다.

제품 개발 팀은 완전하고 성숙하고 효율적인 디지털 시뮬레이션 프로세스를 구축했으며 외부 풍하중 계산 및 부품의 후속 구조 강도 분석을 위한 소프트웨어를 사용합니다. 이 프로세스의 핵심 단계는 완전한 기계의 동적 응답 예측입니다. 이를 위해 SANY Heavy Energy는 시중에 나와 있는 여러 기술 솔루션을 비교하고 디지털 시뮬레이션 모델링을 위한 Simcenter Samcef™ Wind Turbines 소프트웨어와 완전한 기계 동적 응답 예측을 위한 Simcenter Samcef 솔버를 포함한 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ 솔루션을 구현하기로 결정했습니다.

Simcenter Samcef Wind Turbines는 풍력 터빈 시스템 개발을 위한 전문 솔루션입니다. SANY Heavy Energy는 이 소프트웨어로 전체 개발 주기(컨셉 설계, 상세 설계, 프로토타입 또는 수정된 모델 개발, 인증, 문제 해결 및 기타 작업 포함)를 지원하는 고정밀 시뮬레이션 모델을 생성하여 기존의 분리된 설계 프로세스를 조정합니다.

완전한 기계의 고정밀 모델은 중요한 가치를 제공합니다. 첫째, 인 더 루프(in-the-loop) 시뮬레이션을 지원하여 시뮬레이션 품질을 개선합니다. SANY Heavy Energy는 실제 풍력 발전 단지 하중을 가져오고 동적 응답을 빠르고 정확하게 계산하여 풍력 터빈 구조 및 제어 시스템 최적화를 지원할 수 있습니다. 또한 제어 응답을 신속하게 얻기 위해 관련 파라미터를 조정하는 제어 시스템 명령으로 모델을 구동할 수도 있습니다.

풍력 터빈 시뮬레이션의 또 다른 복잡성은 비선형성입니다. 풍력 터빈과 같은 크고 유연한 메커니즘의 경우 큰 회전과 변형으로 인해 시뮬레이션이 부정확해질 수 있습니다. SANY Heavy Energy는 Simcenter Samcef 솔버의 비선형 다물체 시뮬레이션 기능을 사용하여 보다 정확한 동적 하중을 계산합니다.

Simcenter Samcef Wind Turbines의 핵심 기능 중 하나는 터빈의 파라메트릭 모델링입니다. 파라미터화된 모델을 통해 설계자는 복잡하고 시간이 많이 소요되는 모델 재구성 없이 다양한 설계를 쉽게 비교하고 검증하거나 기존 설계를 수정할 수 있습니다. 그 결과 개발 주기가 단축되고 비용이 절감됩니다. 이 소프트웨어에는 풍력 터빈 인증을 간소화하는 도구도 포함되어 있어 SANY Heavy Energy는 규제 기관에서 요구하는 표준 계산 및 보고서 세트를 신속하게 실행할 수 있습니다.

디지털 트윈 및 스마트 풍력 터빈

SANY Heavy Energy는 또한 풍력 터빈 작동 및 유지 보수 프로세스에 대한 지능형 제어를 구현했습니다. 기상 조건이 악화되거나 원격 모니터링 시스템이 실시간 메시지를 전송하면 SANY Heavy Energy의 운영 및 유지 보수 팀은 신속하게 상태를 예측하고 최적의 제어 전략 또는 유지 관리 계획을 수립하여 풍력 터빈 고장을 방지하고 발전 시간을 연장하는 동시에 전반적인 풍력 발전 단지의 효율성을 높일 수 있습니다. 이러한 지능적인 운영 및 유지 보수 덕분에 LCOE가 크게 감소합니다.

SANY Heavy Energy는 Simcenter 솔루션을 사용하여 긍정적인 결과를 얻었습니다. 최첨단 시뮬레이션을 통해 얻은 인사이트로 풍력 터빈 및 단지 효율성을 50% 개선하고 예상 LCOE를 10% 이상 줄일 수 있었습니다.

SANY Heavy Energy의 CAE 시뮬레이션 매니저인 Wu Shengfei는 거대 기업이 많은 급변하는 풍력 발전 산업에서 SANY Heavy Energy가 성공하려면 디지털 트윈과 같은 스마트 기술을 최대한 활용하여 개발 효율성과 제품 안정성을 높여야 하며 이를 통해 LCOE를 낮추고 초 저풍속 제품 전략을 지원할 수 있다고 말합니다. "이 프로세스에서 Siemens Digital Industries Software가 제공하는 Simcenter 3D가 핵심 가치입니다."