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Electronics Wind Turbine

Installation of a 10kW Wind Turbine in Jeju-Island, Korea

새로운 모험과 도전?

들어가며

새로운 모험은 언제나 그렇듯 항상 설레이고 기대됩니다.

2019년 2월 한국 제주도 에너지기술연구원에서 인증 절차 진행을 위해 협업 하던 업체와 함께 10kW 급 소형 풍력 터빈 설치 작업을 진행했습니다.

타워 10M, 날개 직경 8.4미터, 왠만한 소형차 2배 길이 정도되는 10kW급 풍력발전기를 올리고 있는모습

이번에 설치하는 10kW 급 풍력 터빈의 전체 시스템 다이어그램입니다. 기본적으로 On-Grid 방식을 사용하며, 터빈(풍력 발전기)에서 생산된 전기를 인버터를 통해 한전 계통으로 보냅니다.

프로젝트에서 풍력 터빈을 제어하는 PCB 보드 설계와 하드웨어 및 펌웨어 그리고 소프트웨어, 터빈 모니터링을 위한 SCADA 시스템 등 기획 및 개발 실무는 제작 담당했습니다. 공밀레 ㅜㅜ

설치

외부에서 이런저런 작업이 한창 진행될 때 저는 인증 센터 내부에서 배전반 작업 및 관리용 PC 세팅작업과 동시에 외부 작업자들과 통신 시스템 및 전력라인 그리고 감시용 카메라 등의 문제가 없는지 수시로 무전을 하며 설치 박자를 맞춰갔습니다.

외부 작업이 어느정도 마무리된 무렵에 인증센터 내부에서 컨트롤 소프트웨어로 블레이드 각도 제어 테스트를 해봅니다.

개발한 피치 컨트롤 시스템으로 특별한 날개를 제어하여 선풍기의 미풍같이 약한 약 2m/S 정도되는 바람과 10m/s 이상의 고풍속에서 안정적인 전기생산을 도와줄 수 있도록 합니다.

다행이 별 문제없이 잘 작동되는 모습이라 안심이 됩니다. 예전에는 개발시 충분한 테스트을 했음도 불구하고 꼭 현장에 설치해놓으면 귀신씌인것 처럼 이상하게 작동하는 경우가 있었으나

이번에는 좀 더 다양한 각도로 검증하고 테스트해서 그런지 설치가 별 문제 없이 순조롭게 진행되어 안도의 한숨을 내쉽니다.

다음날 설치 현장으로 돌아와 나머지 자잘한것들을 빠른 마무리 후 기분좋게 한 컷

(언제나 그렇듯 처음은) 순조로운 첫 가동

터빈 제어 S/W와 피치 컨트롤 시스템

돌아가고 있는 풍력발전기를 자체 개발한 터빈 컨트롤 소프트웨어로 제어하는 모습입니다.

3kW급 풍력 터빈 프로젝트를 진행할 때 C# .Net WPF를 기반으로 터빈 제어 소프트웨어를 만들었지만, 이번 10kW급 풍력 터빈 Cross-platform으로 Windows/MacOS/Linux 에서도 사용할 수 있도록 Electron.js 를 도입을 해보는 도전을 해보게 되었습니다.

개발 실무를 진행하면서 여러 차례 Web을 기반으로 한 모니터링 시스템 Front-end와 Back-end를 개발 및 유지 보수 해본 경험이 있기 때문에 View와 Model 부분은 손쉽게 구현할 수 있었던 반면, Node.js를 기반으로 사용하는 Controller 부분은 생소하여 또 하나의 첼런지가 되었습니다.

이러한 첼런지를 통해 여러 차례의 업데이트와 시험 테스트를 통해 실제 개발되어 설치된 제품과 잘 맞물려서 작동하는 모습을 보면 많은 보람이 생기네요.

그 뿐만 아니라 한번 설치해두면 몇 개월은 물론 수년 동안은 끄지 않고 안정적 동작해주어야 했기 때문에 제가 개발한 PCB 컨트롤 보드와 제어 소프트웨어가 서로 잘 맞물려서 인증까지 잘 마무리 해주는 모습을 보았을 때는 그 기쁨을 이루어 말할 수 없습니다.

이것이 그 대망의 터빈 컨트롤 소프트웨어:

테스트 영상, 3m/s 정도 선풍기의 미풍 같은 바람에서 300W 정도의 전기를 생산하는 모습입니다.

그리고 터빈 제어 소프트웨어와 함께 사용되는 피치 컨트롤 시스템이 있습니다.

기존 터빈과 다른 Blade를 제어하기 위해 ‘피치 컨트롤러’ 라는 것이 터빈 머리(Nacelle) 부분에 위치하게 됩니다. 이 시스템은 터빈이 안정적으로 동작하기 위해 꼭 필요한데 특히 여러가지 센서 피드백을 받아서 날개의 회전 RPM을 제어하는데 그 목적이 있습니다.

여기에는 현재 풍속과, 풍속 변화량과 이동 평균, 나셀 방위각, 인버터 부하량 등의 피드백을 받은 후 날개 회전 RPM 변화량을 예측하고 날개를 적정 Pitch 각도로 제어함으로 써 안정성 확보와 효율적으로 전기를 생산할 수 있도록 합니다.

협력 업체의 날개 특성상 반드시 피치 컨트롤이 들어가야 하므로 대형 풍력에서 사용하는 피치 컨트롤 기술을 다듬고 개선하여 소형에 적용하였습니다.

원격제어 및 모니터링 시스템

개발한 터빈을 설치 후 모니터링하고 유지 보수 하는 것은 또 다른 문제이겠지요. 사실 이번 프로젝트를 진행하면서 저에게 있어서 하드웨어 PCB 설계 후 추가 수정 사항 없이 한번에 동작했던 그 짜릿함과 함께 가장 즐거웠던 파트가 아닐까 싶습니다. 특히 예상치 못한 새로운 지표 발견할 때 마다 가슴이 설레었던 것 같습니다.

모니터링 시스템의 전체 구성은 다음의 다이어그램과 같이 요약될 수 있습니다:

여기에 장비에서 들어오는 수 많은 메트릭을 분석하고 이상 징후를 조기에 탐지함으로 써 막대한 재산 피해를 막을 수 있고, 유지 보수 시점을 정하는 것은 물론 향후 개발 업무 진행 시 참고 될 수 있는 중요한 지표로 활용하고 있습니다.

이 시스템을 도입하기 이전에는 문제가 발생하면 현장에 가서 직접 살펴보고 조치를 취해야하는데, 문제를 진단하기 전까지는 처방을 내릴 수 없으므로 거기에서 깨지는 비용과 시간이 막대했습니다. 그러나 도입 후 문제를 조기 진단하고 예상되는 처방을 준비하여 현장에 가서 적용함으로써 비용과 시간이 이전과 비하면 10분의 1로 이상 줄어든것 같습니다.

TUNALABS.IO의 구 블로그 명이 ‘따블류 랩’ 입니다.

시스템은 ELK(ELG) – Elasticsearch + Logstash + Kibana (Grafana) Stack으로 구성했습니다. 여기에 이상 징후 감지 및 상황 요약 리포트를 실시간으로 받을 수 있는 Slack이나 LINE 메신저나 카카오톡 같은 메신저와 연동해서 사용자가 확인 후 즉각 대응하여 피해를 최소화 할 수 있도록 했습니다.

아무래도 무거운 하드웨어이다 보니, 인증이 진행되는 기간 동안은 안정적으로 작동해 주어야 하기 때문에 신경이 곤두설 수 밖에 없는 상황에서 알림 시스템이 그만큼 중요해 지는 것 같습니다.

ELK (ELG) Stack 을 활용한 모니터링 시스템은 이쪽으로 ↓

Line 메신저를 이용한 알림 시스템은 이쪽으로 ↓

실제 내부적으로 사용 중인 모니터링 시스템 입니다.

3kW 풍력터빈에 적용한 시스템에서 왼쪽에서 오른쪽으로 차례대로 통합 모니터링 시스템, 메신저를 이용한 상태보고와 긴급 알람 시스템, 마지막으로 원격 제어 시스템이 있습니다.

각각의 장비 데이들은 100mS 단위로 들어오는 데이터를 1일, 3일, 7일, 30일, 90일.. 1년 등으로 요약하여 데이터를 확인할 수 있습니다.

7월 10일 비교적 최근에 바람이 잘 불었을 때 수집 된 데이터 중 일부를 확대한 모습입니다. 위 사진은 여러 대시보드 페이지중 여러 장비의 상태를 요약하여 보여주는 페이지입니다.

각종 전력 생산량, 풍속, 풍향, 터빈 날개 회전 RPM 등의 여러가지 지표를 확인 할 수 있도록 구성했습니다.

마무리

작업을 마무리 한 후 돌아가려고 했으나, 비행기 스케줄이 영 협조해주지 않네요. 그 동안 같이 고생한 팀원들과 함께 제주도 구석구석을 돌아다니며 힐링해봅니다.

한라산 국립 공원에 도착하여 기념 사진 한 컷, 한라산 정상까지 등반을 시도해보고 싶었지만, 사장님 왈: ‘추워 디진다 ㅇㅋ’ 하셔서 빠른 포기.. ㅋ

그리고 국립공원에 휴게소 같은 식당이 하나 있는데 가성비와 맛이 권장사항은 아닙니다. 다음에 간다면 어디 식당에서 음식을 싸들고 가서 먹고 싶네요.

제주도 탈출 하루 전에는 회와 함께 적절한 코스요리로 마무리합니다. 시내쪽에 있던 식당였는데 이름은 잘 기억나지 않지만 가격대비 양이 매우 푸짐했던걸로 기억합니다.

혹시나 시내 밖에서 작업하시고 시간이 남는다면 시내로 들어오셔서 식사하시는걸 적극 권장드리고 싶습니다

에필로그

대충 10kW 급 소형 풍력발전기의 설치는 이렇게 마무리됩니다.

회사 규모가 작은 스타트업이다보니 많은 일을 혼자서 소화해내야하는 단점이 있지만 인원수가 적어서 빠르고 유연한 의사소통이 가능하고 시간이 금인 스타트업에서 올바른 의사결정을 민첩하게 내릴 수 있었습니다.

무엇보다 언제나 넓은 아량으로 이해해주시는 사장님과 탐험을 좋아하는 제가 늘 새로운 것에 도전하고 많은 배움과 성취감을 얻을 수 있는 것이 일을 계속 해 나갈 원동력이 되는것 같습니다.

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지난 수년에 걸쳐서 Off-Grid 방식의 풍력 터빈에 이어, 이번 On -Grid 방식의 10kW 풍력 터빈 개발에 이르기 까지.

개발 단계에서 별의 별일이 다 있어서 엔지니어에서 바라본 각도에서 이야기를 좀 더 풀어보고 싶지만 회사 내부적으로 기술에 민감한 부분도 있고, 다른 일도 처리 해야 하므로 우선 이번에는 가볍게 설치기를 다뤄봅니다. 기회가 닿으면 좀 더 풀어보겠습니다.