[논문]풍력발전기 블레이드 상태 모니터링을 위한 질량 불균형 감지기법

이종원

doi:10.11112/jksmi.2011.15.1.209

풍력발전기 블레이드 상태 모니터링을 위한 질량 불균형 감지기법
Sensing Technique of Mass Imbalance for Condition Monitoring of Wind Turbine Blade 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.1 = no.65, 2011년, pp.209 - 214

이종원 (남서울대학교 건축공학과)

초록
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본 연구에서는 효과적인 풍력발전기 블레이드의 상태 모니터링을 위하여 대표적 손상형태 중 하나인 로터의 질량 불균형으로 인한 이상상태를 감지할 수 있는 기법을 제안하였다. 이를 위하여 수평축 3-블레이드 풍력발전기를 대상으로, 블레이드 1개의 질량을 증가시키면서 로터의 질량 불균형 조건을 구현한 후 전체 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 질량 불균형이 발생하면 부가질량에 의한 원심력에 의하여 나셀의 로터 회전축에 대한 횡방향 진동이 발생하고, 부가 질량의 크기가 커질수록 나셀 횡방향 진동의 진폭이 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A method to detect rotor mass imbalance, which is one of the typical faults of wind turbine, is presented for effective condition monitoring of wind turbine. Dynamic analysis for a three-bladed horizontal-axis wind turbine was carried out with adding mass to a blade for inflicting the rotor mass imbalance. It has been found that the added mass induce a resulting centrifugal force to nacelle and this leads to a transverse (relative to the rotor axis) oscillation of the nacelle. It has been also found that the amplitude of the oscillation is almost linearly increased as the added mass is increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 풍력발전기의 거동특성을 파악하고, 효과적인 상태 모니터링을 위하여 대표적 손상형태 중 하나인 로터의 질량 불균형으로 인한 이상상태를 감지할 수 있는 기법을 제안한다.
본 연구에서는 효과적인 풍력발전기 상태 모니터링을 위하여 대표적 손상형태 중 하나인 로터의 질량 불균형으로 인한 이상상태를 감지할 수 있는 기법을 제안하였다. 이를 위하여 1.

제안 방법

, 2004). 개발한 시스템을 실제 대형 풍력발전기에 설치하여 측정한 1년여 간의 데이터를 이용하여 주파수 스펙트럼 해석, 하중 스펙트럼 및 등가하중 산출 등을 수행하였다. 또한 Schroede 등(2006)은 안전성 모니터링, 블레이드의 제어, 하중 모니터링 및 피로하중 산정 등을 위하여 FBG 스트레인 센서를 이용하여 센서 시스템을 구축하였으며, 53 m의 블레이드에 실제 장착하여 성능을 평가하였다.
로터의 질량 불균형과 나셀 횡방향 진동의 관계를 파악하기 위하여 Table 1에 나타낸 제원의 풍력발전기에 대하여, 블레이드 1개의 질량을 각각 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20% 증가시키면서 로터의 질량 불균형 조건을 구현한 후 전체 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 나셀의 로터 회전축에 대한 수평 횡방향 가속도 결과를 구하였다.
5 MW 용량의 수평축 업윈드 3-블레이드 풍력발전기를 대상으로, 블레이드 1개의 질량을 증가시키면서 로터의 질량 불균형 조건을 구현한 후 전체 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 나셀의 로터 회전축에 대한 수평 횡방향 가속도 결과를 구하여 부가질량의 크기와 진동특성과의 관계를 조사하였다.
로터의 질량 불균형과 나셀 횡방향 진동의 관계를 파악하기 위하여 Table 1에 나타낸 제원의 풍력발전기에 대하여, 블레이드 1개의 질량을 각각 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20% 증가시키면서 로터의 질량 불균형 조건을 구현한 후 전체 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 나셀의 로터 회전축에 대한 수평 횡방향 가속도 결과를 구하였다.
식(1)의 운동방정식에서는 3-블레이드 풍력발전기의 경우 지반, 기초, 베이스 플레이트, 나셀, 회전자, 기어, 허브 등을 강체로, 타워, 블레이드 및 주축을 유연체로 모델링하였다. 즉, 다물체 동력학 및 모드해석이 조합된 형식이며 총 24개의 자유도를 적용한다.
본 연구에서는 효과적인 풍력발전기 상태 모니터링을 위하여 대표적 손상형태 중 하나인 로터의 질량 불균형으로 인한 이상상태를 감지할 수 있는 기법을 제안하였다. 이를 위하여 1.5 MW 용량의 수평축 업윈드 3-블레이드 풍력발전기를 대상으로, 블레이드 1개의 질량을 증가시키면서 로터의 질량 불균형 조건을 구현한 후 전체 풍력발전기에 대한 동력학 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로부터 나셀의 로터 회전축에 대한 수평 횡방향 가속도 결과를 구하여 부가질량의 크기와 진동특성과의 관계를 조사하였다.
풍속변화에 따른 풍력발전기의 응답, 블레이드의 하중 및 변형 등 거동특성을 파악하기 위하여 Table 1에 나타낸 제원의 1.5MW용량의 수평축 업윈드 풍력발전기에 대하여, FAST 프로그램을 이용하여 동력학 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

해석대상 블레이드의 길이는 33.25m, 블레이드 1개의 질량은 3912.59kg, 위치에 따른 블레이드 단면의 주요 특성은 Table 2와 같다. 한편, 해석대상 타워의 높이는 82.

이론/모형

풍력발전기 전체 해석을 위해서는 기계 서브시스템, 공력학 서브시스템, 전기 서브시스템 및 피치 시스템 등을 각각 모델링 한 후 이를 통합하여야 한다. 본 연구에서는 풍력발전기의 비선형운동방정식의 해를 구할 수 있는 FAST 프로그램(Jonkman and Buhl Jr., 2005)을 이용하여 풍력발전기에 대한 전체 해석을 수행하였다. 이 프로그램을 이용하면 풍력발전기에 대한 강체역학 및 유연체역학 해석이 가능하고, 바람하중이 작용하는 상태에서 시간에 대한 공력학 및 구조 응답을 구할 수 있다.

성능/효과

로터의 질량 불균형이 발생하면 부가질량에 의한 원심력에 의하여 나셀의 횡방향 진동이 발생하고, 부가질량의 크기가 커질수록 나셀 횡방향 진동의 진폭이 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 따라서 나셀 횡방향 진동의 실효값을 모니터링 하여 로터의 질량 불균형 발생여부 및 불균형 정도를 판정하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
, 2005)을 이용하여 풍력발전기에 대한 전체 해석을 수행하였다. 이 프로그램을 이용하면 풍력발전기에 대한 강체역학 및 유연체역학 해석이 가능하고, 바람하중이 작용하는 상태에서 시간에 대한 공력학 및 구조 응답을 구할 수 있다. FAST 프로그램에서 대상으로 하는 수평축 업윈드(upwind) 3-블레이드 풍력발전기의 레이아웃을 Fig.

후속연구

신뢰성 있는 상태 모니터링을 위해서는 우선 정상상태 풍력발전기에 대한 해석 및 현장실험 결과를 비교하여, 해석 시 적용된 변수 및 가정사항 등을 개선(updating)시킬 필요가 있다. 개선된 해석결과를 이용하여 질량 불균형 정도와 진동신호와의 관계를 파악하고, 운용 중 계측된 신호와 비교함으로써 질량 불균형 정도의 정확한 판정이 가능할 것으로 판단된다. 즉, 본 연구는 블레이드 질량 불균형에 대한 상태 모니터링을 위한 전체 과정 중 일부의 과정에 대한 연구이며, 제안된 기법은 상태 모니터링에 직접 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
11에서 살펴보면, 실효값의 크기는 부가질량의 크기에 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 따라서 나셀 횡방향 진동의 실효값을 모니터링 하여 로터의 질량 불균형 발생여부 및 불균형 정도를 판정하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
개선된 해석결과를 이용하여 질량 불균형 정도와 진동신호와의 관계를 파악하고, 운용 중 계측된 신호와 비교함으로써 질량 불균형 정도의 정확한 판정이 가능할 것으로 판단된다. 즉, 본 연구는 블레이드 질량 불균형에 대한 상태 모니터링을 위한 전체 과정 중 일부의 과정에 대한 연구이며, 제안된 기법은 상태 모니터링에 직접 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
향후, 진동신호를 이용하여 질량이 부가된 특정 블레이드를 추정하고 부가질량의 크기를 판정할 수 있는 연구를 수행할 계획이며, 실험을 통하여 질량 불균형에 대한 상태 기법을 통합하고 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상태 모니터링이란 무엇인가?	특히, 해상 풍력발전기에 있어서는 접근의 제한성, 고신뢰성 요구 및 대형화로 인하여 상태 모니터링은 필수 기술이 될 것으로 예측되고 있다. 상태 모니터링이란 기계부품의 거동을 센서로 측정하여 현재의 상태를 평가하는 것이다. 특히, 실시간 상태 모니터링은 운용 중 기계의 상태를 상시 모니터링하면서 센서로부터 측정되는 데이터를 지속적으로 제공하며 이들 데이터를 처리하고 해석한 결과를 제공한다.
	해상풍력발전기의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	예를 들어 5MW급 풍력발전기의 블레이드 로터 지름과 타워의 높이는 약 120m이며, 이러한 대형화에 따른 기술적 문제점 들이 부각되는 한편 구조물 및 부품들의 유지관리 문제가 대두되고 있다. 한편, 협소한 국토 및 민원문제 등으로 인한 육상풍력발전의 한계점들을 극복하고 해상의 고품질 풍력자원을 이용하기 위하여 해상풍력발전기에 대한 개발이 요구되고 있다. 해상풍력발전기 건설에 대한 비용을 절감하기 위해 발전기의 대용량화가 더욱 요구되고 있으며, 접근성 제약으로 인한 효과적 유지관리 및 신뢰성 확보 등을 위한 기술개발이 필요하다.
	블레이드에서 발생할 수 있는 손상으로 무엇이 있는가?	1) 아이싱, 오염, 기공, 박리 등에 의한 표면 거칠음(surface roughness) 2) 아이싱, 균열을 통한 수분 침투 등으로 인한 질량 불균형(mass imbalance) 3) 블레이드 피치각 불일치, 공력학적 프로필의 제작 공차, 운전 중 프로필의 변형 등으로 인한 공력학적 비대칭(aerodynamic asymetry) 4) 유리섬유 또는 탄소섬유 강화 플라스틱 구조의 박리(delamination) 5) 표면균열 및 내부균열

참고문헌 (7)

이종원, 허영철, 남용윤, 이근호, 김유성, 이용배, "분포형 광섬유 센서를 이용한 풍력발전기의 기계적 부하 측정 및 모니터링", 한국소음진동공학회논문집, 제17권 11호, 2007, pp.1028-1036.

원문보기 상세보기
Caselitz, P. and Giebhardt, J., "Rotor Condition Monitoring for Improved Operational Safety of Offshore Wind Energy Converters", Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 127, 2005, pp.253-261.

상세보기
Giebhardt, J., "Evolutionary Algorithm for Optimisation of Condition Monitoring and Fault Prediction Pattern Classification in Offshore Wind Turbines", Proceedigns of European Wind Energy Conference, Paper 75, Athens, Greec, 2006.
Hyers, R. W., McGowan, J. G., Sullivan, K. L., Manwell, J. F., and Syrett, B. C., "Condition Monitoring and Prognosis of Utility Scale Wind Turbine", Energy Material, Vol. 1, No.3, 2006, pp.187-203.

상세보기
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Rademakers, L. W. M. M., Verbruggen, T. W., van der Werff, P. A., Korterink, H., Richon, D., Rey, P., and Lancon, F., "Fiber Optic Blade Monitoring", Proceedings of European Wind Energy Conference, London, UK, 2004.
Schroeder, K., Ecke, W., Apitz, J., Lembke, E. and Lenschow, G., "A Fibre Bragg Grating Sensor System Monitors Operational Load in a Wind Turbine Rotor Blade", Measurement Science and Technology, Vol. 17, 2006, pp.1167-1172.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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