KR102644173B1 - 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템 - Google Patents
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력을 예측하는 시스템에 있어서, 부유식 해상풍력발전설비의 제원, 물성 및 계류 장력 예측을 위한 데이터를 입력하는 입력부; 관리자가 시스템에 접속하여 필요한 정보를 요청하고 요청된 정보를 제공하기 위한 처리가 수행되도록 이루어지는 단말기; 계류 장력에 영향을 미치는 영향인자를 측정하는 측정부; 상기 측정부에 의해 측정된 측정값을 포함하는 데이터를 송수신하고, 제어신호를 송수신하는 통신부; 상기 측정부에 의한 측정값 및 입력부를 통해 입력된 데이터를 저장하고, 계류 장력과 관련된 빅데이터를 구축하는 메인서버; 상기 메인서버에 저장된 빅데이터에 근거하여, 계류선의 장력을 예측하는 판별부; 각 구성의 전체적인 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 실제 필드 테스트, 컴퓨터 시뮬레이션 및 수치모델링을 통해 학습 데이터를 생성하고, 복수의 해양환경 센서와 6자유도 센서에 의한 측정값들과의 상관관계 분석을 통해, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)과 같은 인공지능 학습 알고리즘을 위한 학습 데이터를 제공함으로써 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력을 예측하는 시스템에 관한 것이다.
해상풍력발전은 해양에서 바람 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 발전방식을 말한다. 해상에서 바람이 더 강하고 일정하게 불기 때문에 육상에 비해 높은 풍력 에너지 획득이 가능하고, 환경친화적이라는 장점 때문에 최근에 많이 이용되고 있다.
해상풍력발전설비는 크게 두 부분으로 나뉠 수 있다. 전력생산과 관련된 발전 파트(RNA, Rotor-Nacelle Assembly)와 발전 파트를 해상에서 지지하기 위한 지지구조물 파트로 나뉠 수 있다.
이는 또 지지구조물 파트의 지지 형태에 따라 고정식 해상풍력발전과 부유식 해상풍력발전으로 구분할 수 있고, 고정식 해상풍력발전은 해저에 고정되는 기초가 발전 파트를 지지하는 방식이고, 부유식 해상풍력발전은 해상에 떠있는 부유체가 발전 파트를 지지하는 방식이다.
고정식 해상풍력발전설비는 해저 지반에 설치되는 기초가 풍력터빈이 설치되어 있는 타워를 지지하는 방식이다.
고정식 해상풍력발전설비에는 강한 해상풍력, 큰 파도, 해류 등의 해양환경 조건이 부하를 가하고 있고, 염분, 수분 및 산소에 의한 부식이 쉽게 발생할 수 있으며, 심할 경우 기초의 균열, 파손 등이 발생하게 된다.
고정식 해상풍력발전설비를 지지하는 기초의 하자, 파손은 설비 전체의 안정성과 내구성에 악영향을 미칠 수 있으므로, 기초에 대한 효과적인 감시 및 모니터링 시스템에 통해 유지관리하는 것이 중요하다.
부유식 해상풍력발전설비는 풍력터빈이 바다에 부유한 상태에서 풍력자원을 활용하여 전기에너지를 생성한다. 부유식 해상풍력발전설비는 주로 바람의 밀도가 큰 깊은 해역에서 활용되고 있다. 부유식 해상풍력발전 방식은 깊은 해역에서도 효과적으로 활용될 수 있는 신재생에너지 솔루션으로 주목받고 있다.
부유식 해상풍력발전설비는 해상에 떠 있는 부유체가 풍력터빈이 설치되어 있는 타워를 지지하는 방식으로, 부유체는 계류선에 의해 앵커에 연결되어 약간의 이동이 가능한 상태로 계류된다.
부유식 해상풍력발전설비에 의해 안정적으로 전기를 생산하기 위해서는 효율적인 유지관리에 의해 설비의 내구성을 오랜기간 유지하여야 하나, 부유식 해상풍력발전설비는 지속적인 바람, 파랑 등 다양한 환경 조건에 노출되어 있어 안정성과 내구성을 유지하는 것이 관건이다.
부유식 해상풍력발전설비는 상시 가혹한 날씨 조건 하에 놓여있고, 파랑이 반복적으로 부딪히고 있으며, 바람의 방향과 파랑의 방향이 일치하지 않는 경우 등에 의해 부유체의 안정성과 내구성이 저하되고, 심할 경우 부유체가 이탈하거나 타워가 전복되는 사고가 발생하게 된다.
따라서 부유식 해상풍력발전설비의 안정성과 내구성을 유지하기 위한 정기적인 검사, 유지보수 등이 수행되어야 한다.
부유식 해상풍력발전설비에 작용하는 계류 장력을 측정하기 위해 종래에는, 실제 해양환경에서 부유식풍력발전설비를 설치하고, 다양한 환경 조건에서의 실제 계류 장력을 측정하는 방식을 사용하였다. 그러나, 이러한 방식은 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하나, 측정이 어렵고, 비용이 많이 들며, 시간이 지나치게 많이 소요되고, 급변하는 해상환경에 대한 예측이 불가능하며, 즉각적인 대응을 할 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 종래에는 엔지니어링 분석과 수학적 모델을 사용하여 계류 시스템에 작용하는 장력을 계산하는 방식도 있었으나, 이러한 방식은 일반적인 환경 조건과 표준 설계 사례에 기반한 것으로 정확성이 떨어지고, 특히 급변할 수 밖에 없는 해상환경 상황이나 예외적인 조건에 대한 정확성이 매우 낮아 결과값을 신뢰하기 어려운 경우가 많았다.
위와 같이 종래의 계류 장력 측정 또는 계산방식은 다양한 해상 환경요인을 제대로 반영하지 못하여 정확성이 떨어지고, 측정 또는 계산방식이 효율적이지 못하며, 시간과 비용이 많이 소요되고, 특히 급변하는 해상환경에 대해 즉각적으로 대처하지 못하는 문제가 있었다.
따라서, 비용이 적게 들면서 효율적인 방식에 의해 계류 장력을 예측할 수 있고, 정확한 예측값을 제공함으로써 설비의 유지보수를 보다 쉽게 할 수 있게 하며, 위험 상황을 사전에 감지하여 즉각적이고도 효과적인 대응이 가능하게 하는 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템의 개발이 필요하였다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 바람, 파도, 조류 등 다양한 해양환경 요소를 실시간으로 고려한 데이터를 기반으로 한 머신러닝모델에 의해 정확한 계류 장력 예측값을 제공하는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 정확한 계류 장력 예측을 통해 부유식풍력발전설비의 유지보수를 예측 가능하고 효율적으로 수행할 수 있도록 하여, 설비의 수명을 연장시키고 운영비용을 절감할 수 있는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 주어진 해상환경과 설비의 제원에 대해 작용할 수 있는 최대 장력을 정확하게 예측함으로써 보다 안전하고 경제적인 설계가 가능하도록 하는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 설비에 대한 실시간 모니터링을 통해 장력 변화에 따라 발전량을 최적화할 수 있고, 위험 상황을 사전에 감지하여 대응이 가능하도록 하여, 발전설비의 운영 효율성을 높일 수 있는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 머신러닝모델을 통해 다양한 해양 환경 조건에서의 성능 데이터를 학습함으로써, 다양한 해양 환경에 대한 부유식 해상풍력 발전설비의 적응력을 향상시킬 수 있는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 기반으로 하는 회귀분석을 통해 계류 장력에 대해 실시간으로 감시할 수 있는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
삭제
본 발명에서는 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력을 예측하는 시스템에 있어서, 부유식 해상풍력발전설비의 제원, 물성 및 계류 장력 예측을 위한 데이터를 입력하는 입력부; 관리자가 시스템에 접속하여 필요한 정보를 요청하고 요청된 정보를 제공하기 위한 처리가 수행되도록 이루어지는 단말기; 계류 장력에 영향을 미치는 영향인자를 측정하는 측정부; 상기 측정부에 의해 측정된 측정값을 포함하는 데이터를 송수신하고, 제어신호를 송수신하는 통신부; 상기 측정부에 의한 측정값 및 입력부를 통해 입력된 데이터를 저장하고, 계류 장력과 관련된 빅데이터를 구축하는 메인서버; 상기 메인서버에 저장된 빅데이터에 근거하여, 계류선의 장력을 예측하는 판별부; 각 구성의 전체적인 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템을 제공한다.
상기 측정부는 해양환경 센서 및 6자유도 센서를 포함하고, 계류 장력에 영향을 미치는 영향인자는 상기 해양환경 센서 및 6자유도 센서에 의해 측정되며, 상기 입력부에 의해 입력된 데이터, 상기 측정부에 의해 측정된 측정값, 상기 판별부에 의한 예측값을 나타내는 디스플레이부를 더 포함한다.
상기 해양환경 센서는 바람센서, 파도센서 및 조류센서를 포함하고, 상기 해양환경 센서는 부유체(1)로부터 이격되어 구비되며, 상기 6자유도 센서는 부유체(1) 및/또는 타워(2)에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 판별부는, 실제 필드 테스트, 컴퓨터 시뮬레이션 및 수치모델링을 통해 학습 데이터를 생성하고, 상기 측정부에 의한 측정값들과의 상관관계 분석을 통해 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)에 의한 인공지능 학습 알고리즘을 위한 학습 데이터를 제공함으로써 계류선의 장력을 예측하는 것을 특징으로 한다.
계류선의 장력은 앵커(5)로부터 5m 이내 및 페어리드(6)로부터 5m 이내의 계류선 장력을 예측하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 판별부의 예측값에 근거하여 계류선의 현재 상태를 모니터링하고, 미리 정해진 기준에 따라 해상풍력발전설비 관계기관에 경고메시지를 전달하는 것을 특징으로 한다.
부유식 해상풍력발전설비 관계기관의 중앙 제어실에서 상기 측정부를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 메인서버를 통해, 상기 단말기로부터 수신되는 관리자의 요청에 따라 해당하는 정보를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 디스플레이부에 의해 출력되는 계류 장력 및 데이터는 실시간 궤적 및/또는 실시간 수치로 표시되는 것을 특징으로 한다.
상기 디스플레이부는 부유식 해상풍력발전설비 관계기관의 중앙 제어실에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명, 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
첫째, 바람, 파도, 조류 등 다양한 해양 환경 요소를 실시간으로 고려한 데이터를 기반으로 한 머신러닝모델에 의해 정확한 예측값을 제공한다. 따라서 계류 장력에 대한 실시간 스마트 감시 시스템을 구축할 수 있어, 발전설비의 수명을 연장시키고, 운영비용을 절감할 수 있다.
둘째, 주어진 해상환경과 설비의 제원에 대해 작용할 수 있는 최대 장력을 정확하게 예측할 수 있으므로, 축적된 데이터를 신설하는 부유식 해상풍력발전설비에 활용할 수 있고, 그 결과 안전하면서도 생산성이 우수하고 경제적인 설계가 가능하도록 한다.
셋째, 발전설비에 대한 실시간 모니터링을 통해 장력 변화에 따라 발전량을 최적화할 수 있고, 위험 상황을 사전에 감지하여 대응이 가능하도록 하여, 발전설비의 운영 효율성을 극대화할 수 있다.
넷째, 발전설비의 운영 효율성을 극대화함으로써 에너지 생산성을 상승시키고, 발전설비의 유지점검을 위한 투입인력 및 비용을 감소시킬 수 있으며, 혹시 발생할 수 있는 사고에도 신속한 대응이 가능하도록 한다.
다섯째, 빅데이터에 저장된 데이터를 이용하여 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning)과 같이, 인공지능 학습 알고리즘을 위한 학습 데이터를 제공하는 것에 의해, 계류 시스템의 잔여수명을 예측 가능하도록 한다.
여섯째, 계류 장력에 대한 상시 감시 체계를 구축함으로써 계류선의 현상태를 정확히 파악할 수 있고, 계류선 파단으로 인한 사고, 안정성 저하를 미연에 방지할 수 있으므로, 사고로 인한 인명피해, 경제적 손실 등을 예방할 수 있다.
일곱째, 측정부, 통신부, 제어부에 의해, 계류선의 상태를 정확하게 감지 및 분석할 수 있고, 계류선의 상태에 맞는 정확한 조치를 신속하게 취할 수 있도록 한다.
여덟째, 계류선에 작용하는 장력 데이터를 실시간 궤적선에 의한 추이와 수치로 확인하면서 관리할 수 있으므로 최소의 인원으로 최대의 관리 효과를 얻을 수 있다. 더욱이 계류 장력이 미리 설정한 기준값을 초과하는 경우에는 관리기관에 경보를 울리도록 하여 사고를 방지할 수 있다.
아홉째, 계류 장력을 감시 및 관리를 함에 있어, 작업자의 경험과 숙련도가 아니라 데이터에 의한 자동제어시스템에 의해 관리하므로, 관리비용이 절감되고, 계류 장력의 관리가 일관되고 통일적으로 이루어질 수 있다.
열째, 관리 대상이 되는 부유식 해상풍력발전설비 이외의 장소에서 원격으로 바람, 파도, 조류 등 해양 환경 상황, 6자유도 상황, 계류 장력 등을 확인하고, 모니터링하면서 적절한 조치를 취할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 고정식 해상풍력발전설비의 개념도이다.
도 2는 부유식 해상풍력발전설비의 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 계류 장력 예측 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 5는 디스플레이부를 통해 표시되는 페어리드 주변 계류 장력의 일실시예를 보여주는 것이다.
도 6은 디스플레이부를 통해 표시되는 앵커 주변 계류 장력의 일실시예를 보여주는 것이다.
도 2는 부유식 해상풍력발전설비의 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 계류 장력 예측 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 5는 디스플레이부를 통해 표시되는 페어리드 주변 계류 장력의 일실시예를 보여주는 것이다.
도 6은 디스플레이부를 통해 표시되는 앵커 주변 계류 장력의 일실시예를 보여주는 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템(Mooring tension prediction system for floating offshore wind power generation facilities based on IoT)에 관한 것이다.
본 발명이 적용되는 부유식 해상풍력발전설비는 부유체(1), 타워(2), 풍력터빈(RNA, Rotor-nacelle assembly)(3), 계류선(4), 앵커(anchor)(5), 페어리드(fairlead)(6)를 포함한다.
상기 부유체(1)는 바다에 떠있는 상태에서 상기 타워(2)를 지지한다. 상기 타워(2)의 상부에는 발전을 위한 풍력터빈(RNA, Rotor-nacelle assembly)(3)이 구비되어 있으며, 상기 부유체(1)는 계류선(4)에 의해 계류되고, 계류선(4)는 해저에 고정되어 있는 앵커(anchor)(5)에 연결되며, 부유체(1)에 구비되어 있는 페어리드(fairlead)(6)와 연결된다.
계류선(4)이 부유체(1)와 앵커(5) 사이를 연결함으로써 부유식 해상풍력발전설비는 일정범위 움직일 수 있으면서 안정성을 유지할 수 있다.
계류선(4)은 가혹한 해상환경에 노출되어 과대 하중을 경험하고 염분 및 자외선 등에 의한 빠른 열화(ageing)를 경험한다. 특히, 부유체에 작용하는 지속적인 파도, 조류, 바람 등에 의해 계류선에는 장력이 작용하게 되고, 장력이 계류선의 인장강도를 초과하게 되면 파단이 일어날 수 있다. 따라서, 계류선은 정기적인 유지보수가 필요하고, 점검과 유지보수가 제대로 이루어지지 않을 경우 계류선의 상태가 더욱 악화되고 큰 사고로 이어질 수 있으므로, 계류선의 정기적인 검사, 적절한 유지보수, 심할 경우 교체 등의 조치를 하여야 한다.
본 발명에서는 부유식 해상풍력발전설비의 안정성을 유지하기 위해, 계류선에 작용하는 계류 장력을 예측하고 모니터링하기 위한 계류 장력 예측 시스템을 제공한다.
본 발명, 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템은 입력부, 단말기, 측정부, 통신부, 메인서버, 판별부, 제어부, 디스플레이부를 포함한다.
상기 입력부는 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측을 위한 데이터를 입력하기 위한 구성이다. 상기 입력부를 통해, 부유식 해상풍력발전설비와 관련된 각종 정보, 제원, 물성, 발전설비가 설치되는 해상에 대한 각종 정보, 계류 장력 예측을 위한 각종 정보, 측정부와 관련한 각종 정보 등을 입력한다.
상기 단말기는 사용자가 시스템에 접속하여 필요한 정보를 요청하고 요청된 정보를 제공하기 위한 처리가 수행되도록 이루어진다.
상기 단말기는, 인터넷에 연결된 컴퓨터에 전용의 프로그램을 설치하거나, 스마트폰이나 태블릿 PC를 포함하는 통신이 가능한 개인 휴대용 정보처리 단말기에 전용의 어플리케이션 프로그램을 설치하는 것에 의해 구성될 수 있다.
상기 측정부는 복수의 해양환경 센서와 6자유도 센서를 포함하고, 계류 장력을 예측하기 위한 데이터들을 측정 및 송신한다.
본 발명 사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템에서는 해양환경 및 부유체의 6자유도와 계류 장력의 상관관계를 기계학습을 통해 분석하기 위해 계류 장력에의 영향인자를 지속적으로 측정할 필요가 있는데, 이를 위해 측정부를 구비한다.
각 지역별로 설치된 IoT 센서의 데이터를 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 프로토콜을 이용하여 메인서버로 송신한다.
본 발명의 실시예에 따른 사물인터넷 기반의 측정부에 의해, 대상이 되는 부유식 해상풍력발전설비의 6자유도와 발전설비 주변의 해양환경을 측정하고, 측정된 각각의 인자들이 계류 장력에 미치는 영향을 분석하여 간접적인 방식으로 계류선의 장력을 상시 쉽게 예측할 수 있다.
본 발명에서 말하는 계류선은 체인, 밧줄을 모두 포함하는 개념으로 사용된다.
복수의 해양환경센서는 해양환경인자를 측정하기 위한 것으로, 파도센서, 조류센서, 바람센서를 포함한다.
복수의 해양환경센서는 부유식 해상풍력발전설비 주변의 파도, 파랑, 풍속, 풍향, 해류 등을 측정하기 위한 것으로, 부유체(1)와 일정거리 이격된 위치에 구비될 수 있다. 별도의 계류수단을 구비하여 부유체와 별개로 계류할 수도 있고, 부유체와 연결하여 구비할 수도 있다.
본 발명의 파도센서는 부유식 해상풍력발전설비에 영향을 미치는 파도의 특성을 감지하고 측정하는 센서이다. 본 발명의 파도센서는 파도의 높이, 파도의 주기, 파의 방향 등을 측정한다.
파도의 높이를 측정함으로써 발전설비에 영향을 주는 파도의 크기를 측정할 수 있고, 파도의 주기, 즉 파도가 한 번 진동하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 파도의 에너지 및 힘을 파악하게 되며, 6자유도 센서와의 상호작용에 의해 파랑에 따른 부유체(1)의 움직임을 감지하게 된다.
또한, 파도센서는 파형을 분석하여 부유체(1)와 계류 장력에 영향을 주는 다양한 파도 주파수의 성분을 분석하고, 바다의 현재 상태를 모니터링할 수 있도록 한다.
본 발명의 조류센서는 부유식 해상풍력발전설비에 영향을 미치는 바다의 조류(해류)를 감지하고 측정하는 센서이다. 본 발명의 조류센서는 조류의 속도 및 방향, 밀도 및 염분 등을 측정한다.
조류의 속도와 방향을 측정함으로써 바닷속 수중에서의 물의 속도와 방향을 측정하고, 상하 방향으로의 조류의 분포를 측정하여 유속 프로파일을 생성할 수도 있으며, 부유체 주변 해수의 밀도와 염분을 측정하여 해수의 밀도나 염분이 계류 장력에 미치는 영향을 반영할 수 있다.
본 발명의 바람센서는 부유식 해상풍력발전설비에 영향을 미치는 바람의 특성을 감지하고 측정하는 센서이다. 본 발명의 바람센서는 풍속, 풍향, 온도, 기압 등을 측정한다.
부유식 해상풍력발전설비에 영향을 미치는 바람의 세기, 바람 방향, 온도, 기압 등을 측정한다.
6자유도 센서는 부유체(1) 및 타워(2)의 움직임을 감지하고 측정하기 위해 6자유도(6DOF)를 측정한다. 즉, 3차원 직각 좌표계에서 X축을 중심으로 하는 좌우 회전(roll), Y축을 중심으로 하는 전후 회전(pitch), Z축을 중심으로 하는 위아래 회전(yaw)과 앞뒤, 좌우 및 위아래 병진 동작에 대해 측정한다.
6자유도 센서는 부유체(1) 또는 타워(2)의 하부 또는 부유체(1)와 타워(2)의 경계에 설치될 수 있고, 6자유도 센서에 의해 부유체(1) 및 타워(2)의 6자유도(6DOF) 움직임을 측정하고, 계류 장력을 예측하기 위한 데이터로 활용한다.
상기 복수의 해양환경센서와 6자유도 센서는 태양광 배터리 모듈에 의해 구동될 수 있다.
상기 측정부에 의한 측정 데이터 전송은 발전설비, 날씨 상황, 계류선의 상태 등을 고려하여 수분, 수시간, 수일 등의 간격으로 전송될 수 있다.
예를 들어, 부유식 해상풍력발전설비의 상태가 양호하고, 파도, 바람, 조류 등 해양환경인자의 영향이 적어 문제발생의 확률이 낮은 경우에는 측정 및 측정값의 송신 주기를 길게 가지는 것이 에너지 및 업무 효율상 유리하고, 이와 반대되는 상황에서는 그 정도에 따라 측정 및 측정값 송신의 주기를 짧게 하여 문제되는 상황을 미연에 예측하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 계류 장력 예측 시스템에 의해 계류선의 잔여수명을 예측할 수 있는데, 계류선의 잔여수명이 짧을수록 측정부의 측정 및 데이터 전송 간격을 짧게 할 수 있다.
상기 측정부에 대한 제어는, 단말기를 통해 발전설비 관리자가 원격으로 제어하거나, 발전시설 관계기관의 중앙 제어실에서 관리대상 발전설비 전체에 대해 통합적으로 제어할 수도 있다.
상기 통신부는, 상기 측정부에 의해 측정된 해양환경인자와 6자유도 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하고, 외부와 데이터 및 제어신호를 송수신한다.
상기 통신부는, 유선 또는 무선통신 중 적어도 하나의 방식으로 측정값과 데이터를 송수신가능하도록 하기 위한 통신수단을 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는, 사물인터넷(IoT) 기반의 무선통신 방식으로 각각의 구성들이 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 통신부는, 예를 들면, 협대역 사물인터넷(Narrow Band Internet of Things ; NB-IoT) 등과 같이, 사물인터넷(IoT) 기능을 이용하여 무선으로 외부 기기들과 서로 연결되어 데이터를 주고받을 수 있도록 구성될 수 있다.
협대역 사물인터넷(NB-IoT)이란, GSM(Global System for Mobile Communications) 또는 LTE(Long Term Evolution) 등과 같은 이동통신망을 통해 비교적 좁은 대역을 사용하여 수백 kbps 이하의 데이터 전송속도와 10km 이상의 광역 서비스를 지원하는 저전력 광역(Low Power Wide Area ; LPWA) 통신방식으로, 원거리에 있고 전력소비가 낮은 사물간의 통신에 적합한 통신방식이다.
상기 메인서버는 상기 측정부에 의한 측정값 및 입력부를 통해 입력된 데이터를 저장하고, 부유식 해상풍력발전설비와 관련한 데이터, 계류선의 장력에의 영향인자와 관련된 빅데이터를 구축한다.
상기 메인서버에 저장되는 각종 데이터는 현재의 해상풍력발전설비의 관리 및 조치에 사용될 뿐만 아니라 향후 새로운 부유식 해상풍력발전설비의 건설 및 관리를 위한 기초자료로 활용할 수 있다.
상기 메인서버를 통해, 상기 단말기로부터 수신되는 관리자의 요청에 따라 해당하는 정보를 선택적으로 제공할 수 있게 된다.
메인서버는, 단말기를 통해 각각의 관리자로부터 특정 정보에 대한 요청이 수신되면, 저장된 빅데이터에 근거하여 해당하는 정보를 검색하고, 검색된 정보를 적절히 재구성하여 해당 단말기에 다시 송신하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. 상기 과정을 통하여 관리자의 요청에 따른 부유식 해상풍력발전설비 및 계류선 장력에 관한 각종 정보를 제공할 수 있다.
상기 판별부는 메인서버에 저장된 빅데이터에 근거하여 파도, 조류, 바람의 복합적인 작용과 이에 따른 6자유도 움직임을 종합적으로 분석하고, 그 결과에 의해 앵커(5) 주변과 페어리드(6) 주변의 계류선 장력을 예측한다.
본 발명의 판별부는, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 기반으로 하는 회귀분석을 통해 계류선의 장력을 예측할 수 있다.
실제 부유식 해상풍력발전설비에 대해, 다양한 해양환경 조건에 따라 실제 측정한 계류 장력값, 해양환경 조건과 계류 시스템 간의 상호작용에 대한 컴퓨터 시뮬레이션의 결과값, 해양환경 데이터와 부유식 해상풍력발전설비의 재료물성 및 제원을 입력값으로 하여 수치모델링을 통해 생성되는 출력값(6자유도 데이터 및 계류 장력 데이터)을 학습 데이터로 생성하고, 이를 머신러닝하여 실제 부유식 해상풍력발전설비의 6자유도 모션에 대한 계류 하중을 예측한다.
본 발명에서는 위와 같은 프로세스에 의해 계류선의 장력을 실제로 측정하지 않고도 계류선의 장력을 상시 예측할 수 있게 한다. 즉, 상기 측정부에 의해 측정되는 측정값만 있으면, 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)을 기반으로 하는 회귀분석을 통해 계류선의 장력을 정확하게 예측할 수 있다.
계류선의 장력은 계류선 중 취약부가 될 수 있는 앵커(5) 주변과 페어리드(6) 주변의 계류선 장력을 예측한다. 바람직하게는, 앵커(5)로부터 5m 이내의 계류선 및 페어리드(6)로부터 5m 이내의 계류선의 장력을 예측한다.
상기 제어부는, 각 구성의 전체적인 작동을 제어한다.
상기 제어부는 해상풍력발전설비의 상태, 계류선의 상태, 날씨 조건 등을 고려하여 측정부의 측정 주기 및 데이터 송수신 주기를 정할 수 있다.
상기 제어부는, 판별부의 예측값에 근거하여 계류선의 현재 상태를 모니터링하고, 계류선의 잔여수명을 예측하여 이상상황이 발생하거나 유지보수가 필요한 경우 해당 사실에 대한 알림을 보내는 동시에, 통신부를 통해 관계기관에 경고메시지를 전달할 수 있다.
경고메시지는 시각적인 방법 및/또는 청각적인 방법을 사용할 수 있다. 경고메시지는 디스플레이부 및/또는 단말기를 통해 나타날 수 있다.
상기 디스플레이부는 부유식 해상풍력발전설비 관계기관의 중앙 제어실에 위치하도록 하여, 전체 해상풍력발전설비를 종합적으로 관리하기 쉽도록 한다.
상기 디스플레이부에는 대상이 되는 부유식 해상풍력발전설비에 관한 정보, 측정부에 의해 측정되는 측정값, 판별부에 의한 계류 장력 예측값 등이 표시되고, 이들 정보 및 데이터는 실시간 궤적선 및/또는 실시간 수치로 표시될 수 있다.
또한, 상기 디스플레이부에 의해 출력되는 데이터는 실시간 궤적선, 실시간 수치에 더하여, 막대그래프, 수치범위별 색상을 달리하거나, 별도의 상태를 표현할 수 있는 기호 또는 아이콘 등으로도 표시될 수 있다.
따라서, 부유식 해상풍력발전설비의 관리자는 디스플레이부를 확인하기만 하면 대상이 되는 해상풍력발전설비의 계류 장력 및 계류선의 상태를 쉽게 확인할 수 있어 해상풍력발전설비의 관리가 매우 쉬워지고, 관리에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1. 부유체
2. 타워
3. 풍력터빈(RNA, Rotor-nacelle assembly)
4. 계류선
5. 앵커(anchor)
6. 페어리드(fairlead)
11. 파일 12. 기초
13. 플랫폼 14. 타워
15. 풍력터빈
2. 타워
3. 풍력터빈(RNA, Rotor-nacelle assembly)
4. 계류선
5. 앵커(anchor)
6. 페어리드(fairlead)
11. 파일 12. 기초
13. 플랫폼 14. 타워
15. 풍력터빈
Claims (12)
- 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력을 예측하는 시스템에 있어서,
부유식 해상풍력발전설비의 제원, 물성 및 계류 장력 예측을 위한 데이터를 입력하는 입력부;
관리자가 시스템에 접속하여 필요한 정보를 요청하고 요청된 정보를 제공하기 위한 처리가 수행되도록 이루어지는 단말기;
계류 장력에 영향을 미치는 영향인자를 측정하는 측정부;
상기 측정부에 의해 측정된 측정값을 포함하는 데이터를 송수신하고, 제어신호를 송수신하는 통신부;
상기 측정부에 의한 측정값 및 입력부를 통해 입력된 데이터를 저장하고, 계류 장력과 관련된 빅데이터를 구축하는 메인서버;
상기 메인서버에 저장된 빅데이터에 근거하여, 계류선의 장력을 예측하는 판별부;
각 구성의 전체적인 작동을 제어하는 제어부;
상기 입력부에 의해 입력된 데이터, 상기 측정부에 의해 측정된 측정값, 상기 판별부에 의한 예측값을 나타내는 디스플레이부를 포함하고,
상기 측정부는 해양환경 센서 및 6자유도 센서를 포함하고, 계류 장력에 영향을 미치는 영향인자는 상기 해양환경 센서 및 6자유도 센서에 의해 측정되며,
상기 해양환경 센서는 바람센서, 파도센서 및 조류센서를 포함하고,
상기 해양환경 센서는 부유체(1)로부터 이격되어 구비되며,
상기 6자유도 센서는 부유체(1) 및/또는 타워(2)에 구비되고,
상기 판별부는, 실제 필드 테스트, 컴퓨터 시뮬레이션 및 수치모델링을 통해 학습 데이터를 생성하고, 상기 측정부에 의한 측정값들과의 상관관계 분석을 통해 딥러닝(Deep Learning) 또는 머신러닝(Machine Learning)에 의한 인공지능 학습 알고리즘을 위한 학습 데이터를 제공함으로써 계류선의 장력을 예측하는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제1항에 있어서,
계류선의 장력은 앵커(5)로부터 5m 이내 및 페어리드(6)로부터 5m 이내의 계류선 장력을 예측하는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 판별부의 예측값에 근거하여 계류선의 현재 상태를 모니터링하고, 미리 정해진 기준에 따라 해상풍력발전설비 관계기관에 경고메시지를 전달하는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
부유식 해상풍력발전설비 관계기관의 중앙 제어실에서 상기 측정부를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인서버를 통해, 상기 단말기로부터 수신되는 관리자의 요청에 따라 해당하는 정보를 선택적으로 제공하는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디스플레이부에 의해 출력되는 계류 장력 및 데이터는 실시간 궤적 및/또는 실시간 수치로 표시되는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디스플레이부는 부유식 해상풍력발전설비 관계기관의 중앙 제어실에 위치하는 것을 특징으로 하는
사물인터넷 기반 부유식 해상풍력발전설비의 계류 장력 예측 시스템.
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