풍력 발전 에너지에 필요한 광섬유

글: Alek Indra, 아바고테크놀로지스 산업용 광섬유 제품 마케팅 매니저

광섬유 케이블과 부품들은 이전보다 훨씬 다양한 응용분야에서 두 지점간(장비간) 정보를 전달하는 효율적인 수단으로 사용되고 있다.

자원이 한정되어 점점 줄어드는 화석 연료와 달리 풍력 에너지는 무한하고 바로 사용 가능한 에너지원으로써 급속히 증가하는 에너지 수요를 충족시켜줄 인기 있는 대안으로 급부상하고 있다.

풍력 발전에너지를 실생활에서 활용 가능한 AC 전력 등급으로 변환하기 위해서는 정류기 및 인버터와 같은 전력 전자 장비가 필요하며 이러한 발전 시스템에서 갈바니 절연(galvanic insulation)은 발전의 품질과 신뢰성 보장을 위해 매우 중요한 요소이다.

광섬유 제품은 발전 시스템에서 고전압 글리치나 이상 신호 등을 절연을 통해 제거하여 안정된 절연 신호를 전력 전자 장비에 제공함으로써 장비를 보호한다.

풍력 발전 시스템에서 산업용 광섬유 부품의 주요 응용분야로는 정류기와 인버터에 공급되는 전력 전자 게이트 드라이버 신호, 제어 및 통신 보드, 터빈 제어 장치, 상태 감시 시스템과 풍력 발전단지의 네트워킹 등이 있다.

풍력 터빈 발전
풍력 터빈은 발전기를 이용하여 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 바람의 상태가 변함에 따라 발전기에서 생성되는 전기 에너지의 상태 또한 변하게 되므로 이를 사용 가능한 전력 등급으로 변환하여 장거리 전송을 하기 위해서는 풍력 터빈 발전기 내에 정류기, 인버터, 변압기 및 필터가 필요하다(그림 1).

풍력 발전 터빈에서 생성된 저 전압 전력을 전송하기 위해 중/고 전압 전력으로 변환하는 변압기는 보통 발전 타워의 맨 아래 부분에 설치된다.

정류기와 인버터
풍력 발전 시스템의 핵심은 정류기와 인버터다. 정류기는 노이즈가 많은 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 기능을 수행하며 인버터는 DC 전력을 깨끗하고 신뢰할 수 있는 AC 전력으로 변환하는 기능을 수행한다.

이 장비들의 스위칭은 보통 광섬유 링크를 통해 DSP 임베디드 컨트롤러에 의해 제어되는데 광섬유 링크는 높은 갈바니 절연 특성을 지니므로 효율적이고 신뢰할 수 있는 스위칭 제어 기능을 제공한다.

제어 스위칭이 필요한 다양한 종류의 정류기 및 인버터로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), GTO(Gate Turn Off Thyristor), IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor), SGCT(Symmetrical Gate Commutated Thyristor), ETO(Emitter Turn-off Thyristor) 등이 있다.

일반적으로 광섬유 부품은 신뢰할 수 있는 제어 신호 및 피드백 신호를 전달하므로 고전압 및 고전류 스위칭 장치를 제어하는 데 사용된다(그림 2와 3).

상태 감지 시스템
오늘날 대부분의 풍력 발전 시스템은 다양한 바람 조건을 수용할 수 있도록 시스템을 감시하고 제어하는 지능형 기능을 지닌다. 예를 들어 대기 센서는 풍속이나 풍향을 탐지하며 발전 시스템의 각 부분에도 다양한 종류의 센서가 설치되어 해당 부분의 상태와 강도를 모니터링 해 사후 정비를 최소화 한다.

또한 풍력 발전 터빈은 폭풍이나 번개와 같은 극도의 기후 조건도 견뎌내어야 한다. 이렇듯 열악한 환경하에서 풍력 발전 시스템을 안정적으로 운용하는 모니터링 시스템은 높은 전압과 전류로부터 절연을 제공하도록 설계되어야 하므로 광섬유는 광커플러나 이와 유사한 부품들에 비해 훨씬 높은 전압 및 전류 절연 특성을 제공하기 때문에 풍력 발전에 이상적인 절연 매체이다.

풍력 발전기 및 풍력 발전단지 네트워킹
상태 감지 시스템에서 수집된 데이터는 개별 풍력 발전기에 설치된 짧은 POF 섬유 링크를 통하여 일반적인 HCS(hard-clad silica)케이블이나 멀티모드 광섬유 케이블로 다중화된다.

광섬유 케이블은 가혹한 환경에서도 강한 저항력을 제공하면서도 무게가 가볍고 매우 견고하다. 이러한 특성은 풍력 발전 타워의 수직 케이블링에서 요구되는 요건에 부합된다. (끝)
아바고테크놀로지스
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아이씨엔 매거진 2012년 11월호