덴마크의 풍력발전소에서 풍력 터빈 항적난기류를 측정하는 무인 항공기
배경
덴마크 알보그(Aalborg) 대학은 무인 항공기로 서비스 항구에서 근해 풍력 터빈의 나셀로 부품을 직접 이동시킬 방법을 찾는 연구 프로젝트에 참여하고 있습니다. 성공적인 결과가 나온다면, 새로운 시스템은 선적으로 부품을 이동시킨 후 느리고 일이 많은 크레인을 사용해 나셀까지 부품을 옮기던 기존 이동수단을 대체하게 됩니다. 이는 풍력 터빈의 운영에 대한 비용과 방해 요소를 크게 줄이는 목적을 가지고 있습니다.
풍력 터빈은 바람이 많은 곳에 위치하는 일이 많고, 부속품 전달은 터빈의 가동을 멈추지 않고 진행하는 것이 이상적이기 때문에 어려움이 많았습니다. 알보그 대학은 FT에게 거세고 난류가 심한 바람 속에서도 블레이드 회전을 계속하면서 나셀 위까지 바로 드론을 띄우는 작업의 안전성을 평가해달라는 요청을 했습니다.
프로젝트
정확한 무인 항공기의 위치의 바람 조건을 알아보기 위해, 알보그 대학은 FT742-SM 센서를 먼저 ‘비교적 작은’ 드론인 DJI Matrice 600에 마운트한 후 연구 프로젝트 중 직접 시험용 전달 작업을 할 항공기인 90kg 짜리 로터크래프트 드론에 마운트했습니다.
초기에 M600 드론은 두 가지 이유로 사용되었습니다. 처음에는 20m/s가 넘는 풍속에서 회전하는 블레이드로부터 5m 뒤에서 100m 높이의 6MW 풍력 터빈이 있는 나셀의 몇미터 상공을 날 때 어떤 것을 예상해야 할지 몰랐습니다. 하여 연구원들은 비교적 비용이 낮은 드론을 사용하기로 했습니다. 두 번째로, 멀티로터 설정이 있어 로터 웨이크 위에 마운트하여 더이상 풍력 측정이 영향을 받지 않도록 했습니다. 센서는 50cm 길이의 알루미늄 로드에 배치한 후 결과를 보기 위해 점점 나셀과 가까워지도록 비행했습니다.
영상은 다음을 보여줍니다.
좌측 상단: 항공기 시점
우측 상단:드론의 전후면 모터와 좌우 모터의 작동 차이
좌측 하단: FT742-SM이 m/s(파랑)으로 측정한 풍속과 풍향(보라). 빨간색으로 나타난 부분은 지면의 풍속이지만, 이 비행에서는 데이터가 손실되었습니다.
우측 하단:명목 자기장에 대한 자기장 강도(줄이 그어진 평행선).
이 비행에서 가장 흥미로운 부분은 영상의 7분에서 9분에 해당하는 부분입니다. 풍속이 급격히 변해 드론 앞을 지나며 풍력 터빈 블레이드의 셰이딩이 지는 것을 볼 수 있습니다.
이로 인해 FT742-SM 풍향풍속계를 T50 항공기로 옮겨 위아래를 반대로 하여 동체 아래에 장착했습니다. 이 포지션에서 센서가 유용한 데이터를 제공하도록 하기 위해, 각기 다른 바람 조건에서 수차례 비행을 진행했습니다.
다음 그래프에 나타난 데이터는 지면에서 약 8m/s로 측정되는 꽤 강한 바람이 부는 중에 진행한 비행입니다. 풍력 센서가 항공기 로터에서 나오는 난류만이 아니라 주변 바람을 얼마나 측정하는지 알기 어려웠기에, 항공기는 호버링(즉, 위치 유지)을 하게 두고 머리 부분을 수차례 바꾸었습니다. 측정된 풍향이 비교적 안정적이며 항공기의 머리 부분과 상관 관계가 있는 경우, 측정된 풍속도 신뢰할 수 있을 것입니다. 좌측의 그래프는 항공기의 나침반 머리 부분과 FT 센서로 측정한 풍향을 비교한 것입니다. 우측 그래프는 이와 연관한 측정 풍속입니다. 상관 관계는 꽤나 가까웠기에 풍속 측정값 또한 꽤 정밀한 것으로 간주됩니다. 
아래 영상은 지면 추적 카메라를 통한 비행을 보여줍니다. 그래프에 나타난 데이터는 영상의 4:07 지점부터 시작합니다. 그래프의 12.03.50 지점에 있는 풍향의 큰 변화는 영상에서 5:05 지점에 발생합니다.
결론
“FT742-SM 모델은 비교적 큰 무인 항공기 아래 위치했을 때를 비롯하여 풍속 측정에 유용한 것으로 나타났습니다. 저희는 향후 비행시 풍속과 풍향 측정을 위해 계속해서 이 센서를 사용할 것이며, 특히 거센 바람 속에 가동하는 항공기의 사양을 초과하지 않는 것이 특히 중요한 시야 밖까지 비행하는 긴 비행을 진행할 때 사용할 것입니다.”
Anders la Cour-Harbo
드론 연구소 PhD 매니저 수학 석사를 취득한 보조 교수
알보그 대학(AAU)
덴마크
