1. 소개
저탄소 경제 발전에 대한 전 세계적인 관심과 중국이 제안한 "이중{1}}탄소 목표를 배경으로 깨끗하고 지속 가능한 재생 에너지원인 풍력 에너지는 전 세계 정부와 거대 에너지 기업의 초점이 되었습니다. 육상 풍력 발전 단지의 지속적인 건설, 점점 더 성숙해지는 기술, 비용 감소로 인해 육상 풍력 발전은 빠르게 발전하여 2019년에만 전 세계적으로 새로 설치된 육상 풍력 발전 용량이 61.8GW에 달했습니다. 그러나 육상에서 활용 가능한 토지 및 풍력 에너지 자원이 제한되어 있어 해상 풍력 발전이 점차 발전 추세가 되었습니다. 특히, 중국의 남동부 해안 지역은 경제적으로 발전되어 있으며, 전력망이 잘 구축되어 있고 해상 풍력 에너지 자원이 풍부하여 해상 풍력 발전의 대규모 개발 및 그리드 연결에 매우 적합합니다.-
2. 해상풍력 산업 현황
2020년 전 세계 신규 연결된 해상풍력 용량은 6GW를 넘어 2019년과 거의 동일했다. 10년 전인 2010년 전 세계 신규 설치된 해상풍력 용량은 1GW 미만이었다. 한편, 전 세계 신규 설치 풍력발전 용량에서 해상풍력이 차지하는 비중도 2010년 2.5%에서 현재 7%로 높아졌다.
2.1 해외 해상풍력 산업 현황 및 동향
신규 설치 용량별 국가 순위를 보면, 2020년 전 세계 상위 5대 해상 풍력 시장은 중국, 네덜란드, 벨기에, 영국, 독일이었습니다. 업계 전문가들은 글로벌 해상풍력 시장이 2020년부터 2025년까지 연평균 30% 이상의 성장률을 보일 것으로 예측하고 있다. 이러한 평가의 근거는 다음과 같다.
01
해상풍력발전 비용의 급격한 감소는 해상풍력터빈의 규모 증가에 기인하며(그림 2-1 참조), 이는 초기 투자와 후속 운영 및 유지관리 비용을 크게 절감할 수 있다.
그림 2-1 글로벌 해상풍력 발전 동향
데이터 출처: GWEC 시장 데이터 플랫폼, 2020년 8월
02
전 세계 정부가 해상풍력 개발 목표를 높이면서 중국, 베트남, 일본, 한국 등 아시아 시장이 급속도로 성장할 것으로 예상된다. 유럽 시장에서는 서유럽 국가들이 해상풍력 발전을 활발히 개발하는 데 이어 동유럽 국가들도 해상풍력 시설 건설에 나선다. 또한, 2023년에는 미국 최초의 대규모 해상 풍력 발전 단지가 그리드에 연결될 예정입니다.
03
부유식 풍력발전(그림 2-2 참조)의 산업화는 부유식 기초구조가 수심 50~200m의 심해 지역에 적합하기 때문에 활용 범위가 더 넓어질 것이다. 세계 에너지 보고서(World Energy Report)에 따르면, 전 세계 부유식 풍력 발전 설비 용량은 2030년까지 8~10GW에 이를 것으로 예상됩니다.
그림 2-2 부유식 해상풍력발전 단지 구성도
2.2 중국 해상풍력 산업 현황
중국의 해상풍력 산업은 상대적으로 늦게 시작되었지만 최근 몇 년 동안 발전 속도가 매우 빨랐습니다. 2018년부터 중국이 새로 설치한 해상 풍력 발전 용량은 지속적으로 다른 국가를 앞지르고 있습니다. 특히 2020년 중국의 신규 연결 그리드 용량은 처음으로 3GW를 넘어섰다. 누적 설치 용량 기준으로 중국은 2020년 말까지 독일을 제치고 세계 2위의 해상 풍력 발전 시장이 되었습니다. 여러 국가의 해상 풍력 발전 성장률을 기준으로 한 추정에 따르면 2021년에는 중국이 영국을 제치고 세계 최대의 해상 풍력 발전 시장이 되었습니다.
2.2.1 설치 용량 및 계통 연결 규모가 계속해서 증가하고 있습니다.
2006년 착공해 2008년 착공한 중국 최초의 대규모 해상풍력 프로젝트인 상하이 동하이대교 해상풍력발전 프로젝트는 2008년 착공해 국내 생산 3MW 해상풍력 터빈 34대, 총 설치 용량 102MW를 성공적으로 설치해 중국 해상풍력 발전의 서막을 열었다.
2016년에 국가에너지국은 풍력 발전을 위한 13차 5개년 계획을 발표하고 해상 풍력 발전을 장려하기 위한 일련의 주요 유리한 정책을 도입했습니다. 이는 또한 중국의 해상 풍력 발전 개발이 '프로젝트 시범'에서 '신속한 개발'의 빠른 경로로 이동했음을 의미합니다.
2020년 해상풍력 프로젝트는 긴급 설치의 중요한 시기로 접어들었습니다. 통계에 따르면, 상반기에 동시에 건설 중인 프로젝트는 30개이며, 새로 시작된 프로젝트 11개와 그리드에 완전히 연결된 프로젝트 3개를 포함해 설치 용량은 12,972,800kW입니다.
2.2.2 풍력 터빈의 단일 장치 용량은 해마다 증가하고 있습니다.
2019년 말 기준 데이터에 따르면 단일 단위 용량 기준으로 4MW가 누적 설치 용량이 가장 크고, 5MW가 해상풍력 프로젝트의 주류 모델이 됐다(그림 2-3 참조).
2020년 7월 12일, 중국 최초의 10MW 풍력 터빈이 성공적으로 그리드에 연결되어 푸젠성 Xinghua Bay 해상 풍력 발전소에서 전기를 생산하여 중국 단일 해상 풍력 터빈 용량에 대한 새로운 기록을 세웠습니다. 풍력 터빈 제조업체의 개발 계획 관점에서 보면 8MW가 새로운 출발점이 되었으며, 10MW 이상의 대규모 해상 풍력 터빈이 핵심 개발 모델로 선정되었습니다.{5}}
그림 2-3 2019년 말 중국 해상풍력발전 용량 비율
2.2.3 해상 풍력 발전 건설은 연안의 얕은 바다에서 심해 및 심해 지역으로 점차 전환되고 있습니다.-
2019년 말까지 중국에서 승인된 총 해상 풍력 발전 용량은 3,500만 킬로와트에 달했습니다. 이 중 장쑤성과 광둥성은 1000만kW를 초과하는 용량을 승인했고, 푸젠성과 저장성은 300만kW를 초과하는 용량을 승인했다. 향후 개발에 사용할 수 있는 근해 자원은 제한되어 있는 반면, 중국은 향후 해상 풍력 발전 개발의 초점이 될 것으로 예상되는 이용 가능한 심해 수역이 광대한 지역입니다.
3. 해상 풍력 발전 단지의 산업용 이더넷 스위치에 대한 하드웨어 요구 사항
해상 풍력 터빈과 해상 변전소는 육지에서 수십 킬로미터 떨어진 극도로 혹독한 환경에서 건설됩니다. 이로 인해 장비, 특히 핵심 통신 장비에 대한 요구 사항은 주로 신뢰성, 염수 분무 저항, 고온 및 저온, 전자기 간섭과 관련됩니다. 더욱이 해양 장비 유지 관리는 날씨, 해상 규정, 선박 배치의 제약을 받아 긴급 유지 관리와 정기 유지 관리가 매우 어렵고 시기를 예측하기가 매우 어렵습니다. 이로 인해 이더넷 스위치의 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동에 대한 요구가 매우 높아졌습니다.
3.1 신뢰성 요구사항
장비 신뢰성에 대한 몇 가지 주요 지표:
1) 평균 고장 시간(MTTF)
2) 평균 고장 간격(MTBF)
3) 평균 수리 시간(MTTR)
3.1.1 MTBF 표시기
산업용 이더넷 스위치의 가장 중요한 성능 지표 중 하나는 MTBF(평균 고장 간격)입니다. 가장 널리 인정되고 권위 있는 표준은 MIL-HDBK-217, GJB/Z299B 및 Bellcore입니다. 대부분의 외국 브랜드 산업용 스위치는 미국 MIL-HDBK 217F를 참조 표준으로 사용하고 R&D 및 생산 테스트 중에 HALT(High-Accelerated Life Test) 및 HASS(High-Accelerated Stress Screening) 테스트를 사용하여 제품의 MTBF가 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 대부분의 산업용 이더넷 스위치의 MTBF는 20년 이상이며 일부는 50년을 초과하기도 합니다.
HALT(Highly Accelerated Life Testing)는 주로 제품 연구 및 개발 설계 단계에서 사용됩니다. 이는 제품의 잠재적인 결함을 노출시키는 데 효과적이며 설계 엔지니어가 제품 신뢰성을 향상시키는 중요한 테스트 방법입니다.
HASS(Highly Accelerated Stress Screening)는 제품이 작동 또는 파괴 한계를 결정하기 위해 HALT 테스트를 통과한 후 생산 라인에서 수행되는 초가속 스트레스 스크리닝 프로세스입니다.{1}}%의 제품이 스크리닝에 참여해야 합니다. 그 목적은 제조된 제품에 숨겨진 결함이 없는지 확인하거나 적어도 제품이 공장에서 출고되기 전에 이러한 결함을 식별하고 해결하는 것입니다. HASS는 가속화된 스트레스를 활용하여 단시간에 불량 제품을 찾아내고, 시정 조치 주기를 단축하며, 동일한 문제가 있는 제품을 식별합니다.
3.1.2 MTTR 지표
해상 풍력 발전소 현장에 대한 일반적인 요구 사항은 다음과 같습니다. 제조업체가 제공하는 평균 수리 시간(MTTR)은 관리 지원 시간 및 납품 시간을 고려하지 않을 경우 일반적으로 0.5~1시간입니다. 결함이 있는 플러그를 진단(또는 검사)하고 업데이트하는 데 소요되는 시간은 30분 미만이어야 합니다.
산업용 스위치에 하드웨어 장애가 발생하고, 관리 지원 시간과 배송 시간을 고려하지 않고 단순 교체만 필요한 경우, 대부분의 경우 산업용 스위치 제품은 고객의 MTTR 요구 사항을 충족하여 1시간 이내에 교체가 가능합니다.
3.2 내식성 요구사항
해양 작업 환경의 주요 특징은 높은 염수 분무 수준입니다. 산업용 이더넷 스위치 제품은 거친 해양 환경에서 오랫동안 안정적이고 안정적으로 작동하려면 G3 보호 수준을 달성하기 위한 회로 기판 보호 코팅 설계를 제공하고 ISA{2}}S71.04-1985(G3-해시 그룹 A 분류) 및 EN60068-2-60 방법 4 표준의 요구 사항을 완전히 준수해야 합니다.
초기 해상 풍력 발전 단지에서는 스위치 고장이 많이 발생했습니다. 스위치 케이스를 열었을 때 회로 기판에 눈에 띄는 탄 흔적이 발견되었습니다. 그 이유 중 하나는 스위치에 보호 코팅이 부족했기 때문입니다.
3.3 고온 및 저온 요구사항
다양한 해상 풍력 발전소는 서로 다른 위도에 위치하므로 기후 조건이 크게 다릅니다. 예를 들어, 겨울에는 다롄(Dalian)에 있는 Zhuanghe 해상 풍력 발전소의 최저 온도가 -15°C에 도달하고, 여름에는 Zhanjiang에 있는 Xuwen 해상 풍력 발전소의 최고 온도가 38°C에 도달합니다. 풍력 터빈 타워 내부의 온도는 실외 온도보다 훨씬 높을 수 있습니다. 따라서 산업용 스위치의 정상 작동 온도에 대한 요구 사항은 매우 높습니다.
시장에 나와 있는 대부분의 산업용 스위치 제조업체는 스위치의 작동 온도를 -40도 ~ +70도 또는 -40도 ~ +85도로 표시하지만 이러한 수치는 단기-실험실 테스트에서 파생됩니다. 예를 들어, 국내 평판이 좋은 테스트 기관의 테스트 요구 사항에는 고온 환경에서 전원이 켜진 상태에서 스위치를 환경 테스트 챔버 중앙에 배치하고 온도를 70도까지 올려 2시간 동안 유지해야 한다고 명시되어 있습니다. 기기는 +70도에서 정상적으로 작동해야 하며 저장 및 전달 비율은 100%에 도달해야 합니다. 이 요구 사항이 충족되면 스위치는 합당한 것으로 간주됩니다(적격/허용).
동일한 저온-환경에 대한 기술적 요구 사항은 다음과 같습니다. 스위치를 켜진 상태에서 환경 테스트 챔버 중앙에 놓고 온도를 -40도까지 낮춘 후 그 온도를 2시간 동안 유지합니다. 장치는 저장 및 전달 비율이 100%인 -40도에서 정상적으로 작동해야 합니다. 또한 -40도에서 정상적으로 시작할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항이 충족되면 합당(적격/허용)된 것으로 간주됩니다. 따라서 테스트는 이러한 극한의 온도에서 2시간 동안 안정적으로 작동할 수 있는지만을 검증하는 것입니다.
해상 풍력 발전 단지의 산업용 스위치는 이러한 극한의 온도를 견딜 필요는 없지만 가혹한 온도 환경에서 장기간 지속적으로 작동해야 하며 다른 외부 환경으로 인해 추가적인 악영향을 받을 수도 있습니다. 오랜 시간 동안 테스트를 거친 산업용 스위치만이 해상 풍력 발전 단지의 고온 및 저온 요구 사항을 충족한다고 할 수 있습니다.
(계속 예정)