▲ 한국기계연구원이 개발한 해상풍력발전기의 구조건전성 감시 시스템. 석션 버켓 구조의 해상풍력발전기에 가속도 센서, 변형률 센서, 기울기 센서, 파도와 온도 측정 센서 등 다양한 센서가 부착돼있다.

국내 연구진이 해상풍력발전기의 고유진동수를 활용해 경제적으로 구조건전성을 감시할 수 있는 기술을 개발해 풍력발전의 경쟁력 강화에 기여할 전망이다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 시스템 다이나믹스연구실 서윤호 책임연구원이 바다에 설치된 해상풍력발전기가 갖는 고유진동수를 활용해 구조의 상태를 정밀하게 감지하는 구조건전성 감시시스템(SHM)을 개발했다고 21일 밝혔다.

구조건전성 감시시스템은 건물과 교량 같은 대형 구조물에서 발생할 수 있는 사고를 예방하기 위해 다양한 정보를 측정하여 안전성을 감시하는 시스템이다. 풍력발전기의 구조 안정성은 날개가 회전하며 발생하는 하중에 크게 영향을 받는데 특히 해저에 설치되다보니 조류와 파도, 부식 등으로 인해 지지 구조의 건전성이 더욱 중시되고 있다.

연구팀은 풍력발전기의 지지구조 안전성을 효과적으로 진단하기 위하여 구조물의 고유진동수를 실시간으로 감지하는 기술을 개발했다. 고유진동수란 모든 구조물이 갖는 고유의 진동수를 의미하며, 모든 구조물은 외부의 충격이 올 때 고유의 진동수(주파수)로 진동한다.

연구팀은 해상풍력발전기의 동작여부와 발전량, 회전속도 등의 다양한 센서 정보를 바탕으로 미세하게 달라지는 고유진동수를 추정하는데 성공했다. 지금까지는 구조물의 건전성을 감시하기 위해 다양한 센서 정보를 개별적으로 분석해야 했지만 이제는 고유진동수를 측정하는 것만으로 안전성 진단이 가능하다.

최근 친환경 공법으로 주목받고 있는 석션 버켓 지지 구조 해상풍력발전기에 1년 간 적용해 데이터 획득 및 감시 성능에 대한 검증을 실시했다. 효율적인 구조물 건전성 감시를 통해 운영인원과 운영비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

서윤호 책임연구원은 “이번 기술을 활용하면 해상풍력단지의 운영 안전성을 획기적으로 강화하여 친환경적이고 경제적인 풍력에너지 활용을 확대하는데 기여할 수 있을 것”이라며 “우리 기술로 우리 지형에 최적화된 구조물 감시가 가능해 효율적이고 안전한 발전시스템을 만들 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 기계연구원 주요사업 ‘인공지능 기반 기계 시스템 예측 진단 및 사고대응 기술 개발’ 과제와 산업통상자원부가 지원하는 ‘실규모 해상풍력 터빈을 탑재한 석션버켓 지지구조 실증연구’ 과제의 지원으로 수행됐다.