미국 에너지부 국립재생에너지연구소(NREL)와 General Electric의 새로운 저널 기사에 따르면 해상 풍력 터빈의 개념적 설계를 활용하는 새로운 연구는 비용을 낮추면서 더 많은 전력을 생산하기 위해 가까운 미래에 드라이브트레인이 어떻게 변경될 수 있는지 지적합니다. 연구.
로드 아일랜드 해안에 있는 블록 아일랜드 풍력 발전소의 풍력 터빈. 사진: 수잔 테겐(Suzanne Tegen) | NREL.
“해상 풍력 터빈 제조업체는 위험을 완화하기 위해 보수적인 선택을 채택하는 경우가 많습니다. 누구도 흔들리는 것을 좋아하지 않습니다.”라고 NREL의 풍력 시스템 엔지니어링 연구 프로그램을 이끄는 Garrett Barter가 말했습니다. “효과적인 기술을 찾으면 터빈 크기를 늘리면서 계속 사용합니다. 그러나 풍력 터빈의 크기가 너무 커져서 제조업체는 곧 상황을 바꿔야 할 수도 있으며, 구동계는 면밀히 조사되는 항목 중 하나입니다.”
Barter는 새로운 논문의 주요 저자입니다.15MW 이상: 해상 풍력 터빈을 위한 차세대 드라이브트레인 기술에 대한 에너지 비용 관점,” 저널 8월호에 실렸습니다. 응용에너지. 그와 그의 동료들은 구동계 기술 간의 가장 공정한 비교를 제공하기 위해 개념적 해상 풍력 터빈을 어떻게 설계했는지 자세히 설명했습니다. NREL의 다른 공동 저자는 Latha Sethuraman, Pietro Bortolotti 및 Jonathan Keller입니다.
풍력 터빈의 구동계는 터빈이 전기를 생산하는 데 필요한 필수 구성 요소인 기어박스와 발전기로 구성됩니다. 기어박스는 터빈 블레이드에 부착된 저속 샤프트와 발전기에 부착된 고속 샤프트를 연결하는 역할을 담당합니다. 구동계-발전기 구성은 풍력 터빈의 전반적인 성능과 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구의 목적은 풍력 터빈의 크기가 증가함에 따라 어떤 드라이브트레인 기술이 가장 비용 경쟁력이 있는지 확인하고 그 대답이 고정 바닥 및 부유식 기초에 대해 동일한지 여부를 결정하는 것이었습니다.
풍력 터빈은 두 가지 유형의 구동계 중 하나로 구동됩니다. 하나는 기어드(geared)라고 불리는 것으로, 기어박스에 연결된 발전기를 사용하는데, 이는 움직이는 부품이 많기 때문에 유지 관리가 많이 필요한 구성 요소가 될 수 있습니다. 다른 하나는 직접 구동 방식으로 더 큰 발전기가 필요하며 이는 전통적으로 더 큰 희토류 자석을 의미하므로 비용이 많이 들 수 있습니다. 이 연구는 또한 매우 낮은 온도로 유지되는 초전도 자석을 사용하고 희토류 물질에 의존하지 않는 직접 구동 초전도 발전기를 고려했습니다. 이 기술은 MRI 기계에서 흔히 볼 수 있지만 아직 상업용 풍력 터빈용으로 산업화되지는 않았습니다.
현재 미국 해안선에 설치된 풍력 터빈은 40메가와트 이상의 전력을 생산할 수 있지만, 연방 정부의 목표는 2030년까지 그 수를 30기가와트까지 크게 늘리는 것입니다. 시장 압력으로 인해 제조업체는 더 크고 강력한 터빈을 설계해야 합니다.
해상 풍력 시장 보고서(Offshore Wind Market Report)에 따르면 2021년에 설치된 평균 해상 풍력 터빈 용량은 7.4메가와트였으며, 그 수는 증가 추세에 있습니다.
Bortolotti는 15메가와트 용량의 풍력 터빈이 다양한 개발 단계에 있지만 직접 구동 구성을 채택하려면 “이러한 극한 규모에서 매우 크고 매우 빠르게 무거워지는 발전기가 필요하다”고 말했습니다. 실제로 15메가와트 이상으로 발전하려는 경우 직접 구동 발전기가 부담이 될까요? 병목 현상이 발생합니까? 그렇다면 그러한 종류의 성장을 촉진하기 위해 전환할 수 있는 대안이나 기술이 있습니까?”
보다 강력한 터빈을 위한 최적의 설계를 결정하기 위해 연구원들은 고정 바닥 및 부동 기초 모두에 대해 15메가와트에서 25메가와트에 이르는 5가지 다른 전력으로 세 가지 구동계 기술을 개념적으로 설계했습니다. WISDEM(풍력발전소 통합 시스템 설계 및 엔지니어링 모델)이라는 NREL에서 개발된 소프트웨어를 사용하여 연구원들은 30개의 고유한 설계 포인트를 만들 수 있었습니다.
최저 평준화 에너지 비용(LCOE) 설계는 중속 기어박스를 영구 자석 동기 발전기(MS-PMSG)에 결합했습니다. 이 기술의 LCOE는 기어박스가 유지 관리 비용을 크게 증가시키지 않는 한 보다 일반적인 직접 구동 구성에 비해 고정 바닥 및 부동 설계 모두에서 7% 더 낮은 것으로 추정됩니다. 분석에서는 유지 관리 비용이 구동계-발전기 기술 전체에서 동일하고 다양한 전력 등급에서 일정하다고 가정하지만 LCOE는 유지 관리 비용에 상당히 민감합니다. PMSG와 초전도 직접 구동 솔루션 사이에서 후자는 등급에 따라 2%~5% 범위의 LCOE 절감 효과를 창출했습니다. 초전도 발전기는 바닥이 고정된 풍력 터빈보다 부유식 풍력 터빈에서 더 유용했습니다.
Barter는 “이러한 설계 개념을 사용하면 이들 중 어느 것도 실제로 제작되지 않았기 때문에 균등화된 에너지 비용 관점에서 볼 때 중간 속도가 꽤 좋아 보입니다.”라고 말했습니다. “하지만 잘 말하면 중속은 기어박스가 있기 때문에 직접 구동보다 유지 관리 비용이 더 높을 수 있는데, 유지 관리 비용이 얼마나 증가할지 알 수 없습니다. 차이점이 무엇인지, 새로운 초전도 발전기의 유지 관리 부담이 얼마나 될지 정확히 알 수 없기 때문에 여기에 주의할 점이 있습니다. 초전도 발전기는 유지 관리 및 신뢰성에 관해 유사한 질문을 제기하지만 직접 구동 구성에 대한 유망한 대안도 제공합니다.”
이 논문의 비NREL 공동 저자는 General Electric Research의 David Torrey입니다. 미국 에너지부는 경량 초전도 발전기를 개발하고 제작하려는 회사의 노력에 부분적으로 자금을 지원하고 있습니다. 대서양 연안의 일부 지역과 태평양 연안 전체와 같은 심해에 배치하려면 풍력 터빈을 부유식 플랫폼에 건설해야 하므로 무게가 문제가 됩니다.
Barter는 “부유 해상 풍력의 경우 타워 꼭대기에 가해지는 무게를 최대한 통제하는 것이 매우 중요합니다.”라고 말했습니다. “우리가 이러한 새로운 발전기 기술 중 일부를 개발할 수 있다면 아마도 부유식 해상풍력을 더욱 경제적으로 만들 수 있을 것입니다.”
그만큼 미국 에너지부 풍력 에너지 기술 사무소 연구 자금을 지원했습니다.
작성자: Wayne Hicks, 제공: NREL.
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