태양광 발전: 캘리포니아 모하비 사막

프로젝트:

Ivanpah 태양광 발전 시스템
캘리포니아 모하비 사막

2013년에 캘리포니아의 모하비 사막에서 377메가 와트의 집광 태양광 발전(CSP) 단지가 조업을 시작했습니다. Ivanpah 태양광 발전 시스템은 약 14제곱킬로미터(3,500에이커)에 달하는 3개의 헬리오스탯 미러 패널 필드로 이루어져 있습니다. 각각의 헬리오스탯은 태양광을 세 개의 수신기 타워 중 하나에 집중시키는데, 이 타워는 그 집중된 태양광을 14만 캘리포니아 가정에 공급되는 전기를 생산하는 증기 터빈의 일차 열원으로 사용합니다.

도전 과제

CSP는 거울이나 돋보기로 작은 불을 피우는 것과 비슷하게 동작합니다. 햇빛을 받을 수 있도록 거울을 들고 있지 않으면 불이 붙지 않습니다. 마찬가지로, 집중된 햇빛을 가연성 대상에 꾸준히 정확하게 정렬시킬 수 없다면 불이 붙지 않습니다.

발전소 전력 생산을 최적화하기 위해 Ivanpah 엔지니어들은 하루 종일 최대 태양광을 수신 타워에 반사시키는 방식으로 173,000개의 헬리오 스탯들을 정렬시켜야 했습니다. 그러한 묘기를 부리기 위해, 그들은 세 가지 큰 도전에 직면했습니다.

#1: 태양의 위치가 끊임 없이 변합니다. 각 헬리오스탯은 0.009rpm의 느린 속도로 매일 최대 270도까지 회전해야 합니다. 헬리오스탯이 태양 광선에 더 정확하게 초점을 맞출수록 해당 발전소의 발전량이 더 커집니다.

# 2: 사막의 바람이 시속 약 120km(190 마일)에 달하는 돌풍을 일으킬 수 있습니다. Ivanpah의 헬리오스탯들은 직경으로 25제곱미터 이상입니다. 넓은 모하비 지역에서는, 이 크고 평평한 패널들이 폭풍이 치는 동안 돛처럼 기능하여 포지셔닝 기어에 불안정과 반동을 유발시킬 수 있습니다. 또한 기어는 바람에 의해 운반되는 상시적인 모래와 부스러기를 견뎌야 합니다.

#3: 173,000개의 헬리오스탯을 유지하는 것은 엄청난 비용이 들 수 있습니다. 일단 시동되면, 스스로 기어 반동을 일으켜 기어 세트를 빠르게 마모시킬 수 있습니다. 에너지 비용을 낮게 유지하려면, Ivanpah의 헬리오스탯 기어들이 한 번에 수십 년 동안 안정성과 정밀도를 유지해야 합니다.

해결책:

Cone Drive의 장구형 웜 드라이브

여러 제조업체의 기어 추적 드라이브 시스템을 평가한 후, BrightSource는 수만 개의 Ivanpah 헬리오스탯에 Cone Drive의 장구형 웜 드라이브를 설치하기로 결정했습니다. 해당 드라이브는 위성 포지셔닝 및 수술 도구에 사용되는 고정밀 모션 제어를 제공하며 최대 35 년의 수명에 이를 수 있도록 설계되었습니다.

작동 원리

Cone Drive의 장구형 웜 드라이브는 기어와 웜 사이의 접촉 면적을 증가시켜 기존 웜 드라이브보다 더 높은 안정성을 제공합니다. 웜 나사의 모래 시계 모양이 기어를 감싸고, 또한 웜을 감쌉니다.

Cone Drive의 전략 시장 담당 이사인 Jacob Randall은 “이 우수한 메시 접촉은 더 높은 토크 용량과 더 큰 충격 부하 저항으로 이어집니다.”라고 말합니다. “장구형 기어 세트는 반동 무결성을 제로로 유지하여 톱니와 나사산 사이의 간격으로 인한 틈새 또는 손실 동작을 제거합니다.”

Cone Drive의 장구형 웜 드라이브는 기어와 웜 사이의 접촉 면적을 증가시켜 기존 웜 드라이브보다 더 높은 안정성을 제공합니다.

장점

#1: 정밀도. Randall은 “장구형을 통해 달성할 수 있는 정밀도가 Ivanpah에게 매우 적합했습니다.”라고 말합니다. Cone Drive 기어 세트를 사용하면 Ivanpah 헬리오스탯들이 수신기 타워에 더 많은 햇빛을 더 안정적으로 집중시킬 수 있습니다. 173,000개의 헬리오스탯을 가지고 있다면 정확도를 조금만 개선해도 발전소 생산량에 큰 차이를 만들 수 있습니다.

# 2: 안정성. Cone Drive의 장구형 웜 드라이브는 극심한 바람 조건에서도 Ivanpah 헬리오스탯들이 최적의 수준으로 작동할 수 있도록 도와줍니다. Randall은 “다른 말로, 기어가 매우 견고합니다.”라고 말합니다. “바람이 거울에 부딪쳐도 거울이 움직이지 않습니다.”

#3: 유지 보수가 필요 없습니다. 헬리오스탯이 매우 안정적이기 때문에 Cone Drive 솔루션은 마모 및 값 비싼 수리의 필요성과 더불어 기어 반동을 최소화합니다. 기어는 내부적으로 윤활 처리되고 평생 밀봉되어, 모래, 먼지 및 파편에 저항하고 유지 보수 작업이 필요 없습니다.

결과

지난 7년 동안 운영한 결과, Ivanpah 팀은 해가 뜨지 않거나 구름에 가려져 있을 때 증기 터빈을 계속 작동시키기 위해 사용하는 천연 가스의 양에 비해 발전소의 청정 에너지 생산량을 성공적으로 증가시켰습니다.

• 2015년부터 해당 발전소는 연간 평균 거의 700,000 메가 와트 시간의 태양 에너지를 생산했습니다.
• Ivanpah는 하루 중 피크 시간대에 14만 가구 이상의 캘리포니아 주택에 서비스를 제공합니다.
• 해당 발전소는 30년 수명 동안 1,300만 톤의 이산화탄소 배출을 피할 수 있는 궤도를 달리고 있습니다.

Cone Drive의 Ivanpah 솔루션을 통한 성공의 결과로, BrightSource Energy는 아랍 에미리트에 있는 하나의 700 메가와트 발전소와 이스라엘의 네게브 사막에 있는 또 다른 발전소를 포함한 다른 CSP 프로젝트들에 대해 Cone Drive 기술을 사용하고 있습니다.

“태양광 발전 기술은 계속해서 향상되고 있습니다.”라고 Randall은 말합니다. “작지만 점진적인 개선은 재생 가능한 에너지원에 대한 관심이 급증하는 가운데 엄청난 이익을 가져다 줄 수 있습니다.”

Cone Drive의 장구형 웜 기어 및 태양광 산업 참여에 대해 자세히 알아보기.

Last Updated: 2021/11/19

Published: 2021/02/14