풍력발전 산업에서는 에너지의 고 효율화를 위해 단일 로터 풍력발전기의 대형화 및 해상화가 이루어지고 있다. 그에 따라 크기가 큰 단일 로터 풍력발전기의 터빈은 운송 및 설치 비용에 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 멀티 로터 풍력 발전기 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 위상최적설계법(Topology optimization)을 이용한 멀티 로터 풍력 발전기의 구조 설계 방법을 제안한다. 풍력 발전기는 많은 부하에서 작동하기에 힘을 견디기 위해 정적 및 ...
풍력발전 산업에서는 에너지의 고 효율화를 위해 단일 로터 풍력발전기의 대형화 및 해상화가 이루어지고 있다. 그에 따라 크기가 큰 단일 로터 풍력발전기의 터빈은 운송 및 설치 비용에 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 멀티 로터 풍력 발전기 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 위상최적설계법(Topology optimization)을 이용한 멀티 로터 풍력 발전기의 구조 설계 방법을 제안한다. 풍력 발전기는 많은 부하에서 작동하기에 힘을 견디기 위해 정적 및 동적 강성을 가져야 한다. 따라서 구조 설계 과정에서 정적 및 동적 상태를 모두 고려하여 구조 설계를 진행한다. 멀티 로터 풍력 발전기의 구조는 2차원 및 3차원 구조 설계의 응력 및 체적 제약을 만족시키면서 구조의 강성을 최대화하도록 최적화되었습니다. MMA(Method of Moving Asymptotes) 방법과 결합된 밀도법(Density method)은 위상최적설계를 위해 사용됩니다. 위상최적설계에 의한 결과 형상은 제조 과정에서 구현하기 어렵기 때문에 도출된 형상으로부터 얻은 구조는 단순화작업을 통해 간단화 합니다. 간단화 작업을 통해 얻어진 구조는 원형 지름과 두께를 가지는 쉘 구조로 변경됩니다. 이후 두께와 변수를 가지는 쉘 구조에 변수를 설정합니다. 구조물의 성능에 영향을 미치는 변수는 실험계획법 (Design of experience)과 반응표면법 (Response surface method)을 사용하여 변수 최적화되며 수정됩니다. 변수 최적화된 쉘구조는 타워와 접합부위에서 응력집중현상이 발생합니다. 응력집중현상을 완화하기 위해 발생부위 근처에 보강재 역할을 하는 구조를 위상최적설계법을 사용하여 설계합니다. 위상최적설계를 통해 얻어진 보강재 구조는 질량을 고려하여 쉘 구조로 변경됩니다. 이후, 최종 형상은 정적 해석 및 동적 해석을 고려하여 결정됩니다. 유한요소 해석 및 회귀 분석을 위해 COMSOL 프로그램과 Minitab 프로그램이 사용되었다.
풍력발전 산업에서는 에너지의 고 효율화를 위해 단일 로터 풍력발전기의 대형화 및 해상화가 이루어지고 있다. 그에 따라 크기가 큰 단일 로터 풍력발전기의 터빈은 운송 및 설치 비용에 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 멀티 로터 풍력 발전기 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 위상최적설계법(Topology optimization)을 이용한 멀티 로터 풍력 발전기의 구조 설계 방법을 제안한다. 풍력 발전기는 많은 부하에서 작동하기에 힘을 견디기 위해 정적 및 동적 강성을 가져야 한다. 따라서 구조 설계 과정에서 정적 및 동적 상태를 모두 고려하여 구조 설계를 진행한다. 멀티 로터 풍력 발전기의 구조는 2차원 및 3차원 구조 설계의 응력 및 체적 제약을 만족시키면서 구조의 강성을 최대화하도록 최적화되었습니다. MMA(Method of Moving Asymptotes) 방법과 결합된 밀도법(Density method)은 위상최적설계를 위해 사용됩니다. 위상최적설계에 의한 결과 형상은 제조 과정에서 구현하기 어렵기 때문에 도출된 형상으로부터 얻은 구조는 단순화작업을 통해 간단화 합니다. 간단화 작업을 통해 얻어진 구조는 원형 지름과 두께를 가지는 쉘 구조로 변경됩니다. 이후 두께와 변수를 가지는 쉘 구조에 변수를 설정합니다. 구조물의 성능에 영향을 미치는 변수는 실험계획법 (Design of experience)과 반응표면법 (Response surface method)을 사용하여 변수 최적화되며 수정됩니다. 변수 최적화된 쉘구조는 타워와 접합부위에서 응력집중현상이 발생합니다. 응력집중현상을 완화하기 위해 발생부위 근처에 보강재 역할을 하는 구조를 위상최적설계법을 사용하여 설계합니다. 위상최적설계를 통해 얻어진 보강재 구조는 질량을 고려하여 쉘 구조로 변경됩니다. 이후, 최종 형상은 정적 해석 및 동적 해석을 고려하여 결정됩니다. 유한요소 해석 및 회귀 분석을 위해 COMSOL 프로그램과 Minitab 프로그램이 사용되었다.
Although mostly used in wind turbine market, single rotor wind turbines have problems with transportation and installation costs due to their large size. In order to solve such problems, multi-rotor wind turbine is being proposed; however, light weight design of multi-rotor wind turbine is required ...
Although mostly used in wind turbine market, single rotor wind turbines have problems with transportation and installation costs due to their large size. In order to solve such problems, multi-rotor wind turbine is being proposed; however, light weight design of multi-rotor wind turbine is required considering the installation at offshore or deep sea. This study proposes the systematic design process of the multi-rotor wind turbine with simultaneous consideration of static and dynamic behaviors. Firstly, the main dimensions of the multi-rotor wind turbine to be designed are determined based on a single-rotor wind turbine. Then the 2D supporting structure of a multi rotor wind turbine is designed to minimize the compliance of structure while satisfying the volume constraint using topology optimization based on the density method. Inspired by the result 2D structural design, newly defined design domain for the supporting structure and the reinforcement parts at the tower and branch structure joints are optimized by the 3D topology optimization method. Due to the difficulty of direct realizing the conceptual design obtained by topology optimization in manufacturing, the derived 3D structure is modified to have shell structures and optimized again through parametric design using the design of experiments and the response surface method for detail design of their thicknesses and radii. The resultant structure is determined to satisfy the stress and the buckling load constraint as well as to minimize the weight. The weight reduction and the satisfaction of design constraints of the resultant supporting structure were verified numerically. For the finite element analysis and the design process, commercial packages COMSOL and Minitab were used with the Matlab programing.
Although mostly used in wind turbine market, single rotor wind turbines have problems with transportation and installation costs due to their large size. In order to solve such problems, multi-rotor wind turbine is being proposed; however, light weight design of multi-rotor wind turbine is required considering the installation at offshore or deep sea. This study proposes the systematic design process of the multi-rotor wind turbine with simultaneous consideration of static and dynamic behaviors. Firstly, the main dimensions of the multi-rotor wind turbine to be designed are determined based on a single-rotor wind turbine. Then the 2D supporting structure of a multi rotor wind turbine is designed to minimize the compliance of structure while satisfying the volume constraint using topology optimization based on the density method. Inspired by the result 2D structural design, newly defined design domain for the supporting structure and the reinforcement parts at the tower and branch structure joints are optimized by the 3D topology optimization method. Due to the difficulty of direct realizing the conceptual design obtained by topology optimization in manufacturing, the derived 3D structure is modified to have shell structures and optimized again through parametric design using the design of experiments and the response surface method for detail design of their thicknesses and radii. The resultant structure is determined to satisfy the stress and the buckling load constraint as well as to minimize the weight. The weight reduction and the satisfaction of design constraints of the resultant supporting structure were verified numerically. For the finite element analysis and the design process, commercial packages COMSOL and Minitab were used with the Matlab programing.
주제어
#Multi-rotor wind turbine Light weight design Topology optimization Design of experiment Response surface method 위상최적설계 밀도법 멀티로터 풍력발전기 구조 설계 실험계획법 반응표면법 유한요소해석
학위논문 정보
저자
박현진
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내석사
학과
Department of Mechanical Engineering
지도교수
Jeonghoon Yoo
발행연도
2021
총페이지
vi, 59장
키워드
Multi-rotor wind turbine Light weight design Topology optimization Design of experiment Response surface method 위상최적설계 밀도법 멀티로터 풍력발전기 구조 설계 실험계획법 반응표면법 유한요소해석
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