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광섬유 브레그격자 센서를 이용한 풍력발전기 날개의 모드 해석
Modal Analysis of Wind Turbine Blade Using Optical-Fiber Bragg-Grating Sensors 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.5 = no.308, 2011년, pp.513 - 516  

김창환 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) ,  백인수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) ,  유능수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) ,  남윤수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

초록
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소형 풍력발전기 날개의 동적 거동에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 날개를 따라 배열된 광 브레그 격자 (Fiber Bragg Grating) 센서를 이용하여 날개 표면에서의 변형률(strain)을 측정하였다. 충격 햄머 실험 (Impact Hammer Test)을 통하여, 1차 및 고차 모드의 공진주파수를 측정하였다. 광섬유 센서를 이용한 실험결과를 스트레인 게이지를 이용한 실험 결과와 비교한 결과 모드 주파수는 매우 유사하였다. 하지만, 광섬유 센서의 경우 스트레인 게이지에서 감지하지 못하는 모드를 감지할 수 있었다. 또한, 실험으로부터 얻은 변형률 모드를 이용하여 근사적으로 날개의 변위 모드를 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The dynamic behavior of a small wind-turbine blade was analyzed experimentally. Arrays of fiber Bragg-Grating (FBG) sensors attached along the blade were used to measure the strains of the blade surface. An impact test was performed to estimate the resonance frequencies of the fundamental and higher...

주제어

#풍력발전기날개   #모드해석   #공진  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 개별 피치제어기술에 적용하기 위한 전 단계로 광 브레그격자(FBG)센서를 이용하여 소형 풍력발전기 날개의 변형률을 측정하고 날개의 모드형상을 계산하는 연구를 수행하였다. 모드형상은 각 FBG 센서로부터 측정된 변형률을 이용하여 날개의 처짐을 나타내는 변위모드를 계산하였다.
  • 본 연구에서는 풍력발전기 날개의 풍하중을 줄이기 위한 개별 피치제어기술에 적용하기 위한 전 단계로 광센서를 이용한 풍력발전기 날개의 변형률을 측정하고 이를 이용하여, 날개의 모드 형상을 찾아내는 연구를 수행하였다.

가설 설정

  • 각 센서의 부착위치에서의 y 값은 단면을 일정한 재질의 단면으로 가정하고 중립축의 위치를 FBG 센서의 부착위치와 스트레인게이지 부착위치 사이의 거리의 1/2 인 지점으로 가정하였다. 이런 가정을 이용하여 근사적으로 날개의 처짐 ν(x)에 대한 모드를 구한 결과가 Fig.
  • 5에 나타내었다. 변위 모드형상의 경우 근사적인 모드형상을 알아보기 위해 단순보의 미소처짐을 가정하여 계산하였다. 단순보의 미소처짐에서 곡률과 변형률, 그리고 처짐사이의 관계(12)는
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풍력발전 산업이 경제성을 인정받고 있는 이유는? 1970년대 후반 풍력발전산업의 근대화가 이루어지면서 메가와트(MW)급의 대형 풍력발전기가 본격적으로 생산되기 시작된 이후, 풍력발전 산업은 비교적 낮은 발전단가와 높은 내구성으로 인해 그 경제성을 인정받고 있다. 또한 건설비용 대비 발전수익을 높이기 위해 풍력발전기의 용량은 점점 대형화 되고 있으며 최근에는 7.
메가와트(MW)급의 대형 풍력발전기가 본격적으로 생산되기 시작한 배경은? 1970년대 후반 풍력발전산업의 근대화가 이루어지면서 메가와트(MW)급의 대형 풍력발전기가 본격적으로 생산되기 시작된 이후, 풍력발전 산업은 비교적 낮은 발전단가와 높은 내구성으로 인해 그 경제성을 인정받고 있다. 또한 건설비용 대비 발전수익을 높이기 위해 풍력발전기의 용량은 점점 대형화 되고 있으며 최근에는 7.
FBG 센서를 이용하여 모드를 추출할 경우에는 수직 및 측면방향 모두에 센서를 부착하여 각각의 경우에 해당하는 모드를 확인할 필요가 있다고 판단된 이유는? 모드형상은 각 FBG 센서로부터 측정된 변형률을 이용하여 날개의 처짐을 나타내는 변위모드를 계산하였다. FBG 센서로부터 얻은 모드형상을 스트레인 게이지를 이용하여 얻은 모드 형상과 비교한 결과, 두 센서로 부터의 결과는 매우 유사하였다. 하지만, 스트레인 게이지의 경우 센서가 설치된 표면의 수직방향(날개의 Flapwise 방향)으로 작용하는 굽힘에 대해서만 반응하게 되는 반면 FBG 센서의 경우 센서가 설치된 표면의 수직 과 측면 방향으로 작용하는 굽힘과 비틀림 모두에 반응하게 되므로, 푸리에 스펙트럼의 경우 스트레인 게이지신호의 경우보다 많은 모드를 감지할 수 있었다. 따라서 FBG 센서를 이용하여 모드를 추출할 경우에는 수직 및 측면방향 모두에 센서를 부착하여 각각의 경우에 해당하는 모드를 확인할 필요가 있다고 판단된다.
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참고문헌 (13)

  1. "E-126 Turns Into 7.5 MW Wind Turbine," Article Available Online at http://www.evwind.es/noticias.php?id_not4017, Last Seen on June 30, 2010. 

  2. “World's Largest Wind Turbine," Article Available Online at http://www.greenmuze.com/climate/energy/2287-worlds-largest-wind-turbine.html, Last Seen on June 30, 2010. 

  3. Marin, J.C., Barroso, A., Paris, F. and Canas, J., 2009, "Study of Fatigue Damage in Wind Turbine Blades," Engineering failure analysis, Vol. 16, pp. 656-668. 

    상세보기 crossref

  4. Mahri, Z.L. and Rouabah, M.S., 2002, "Fatigue Estimation for a Rotating Blade of a Wind Turbine," Rev. Energ. Ren., Vol. 5, pp. 39-47. 

  5. Bossanyi, E.A., 2002, "Individual Blade Pitch Control for Load Reduction," Wind Energy, Vol. 6, pp. 119-128. 

  6. Bossanyi, E.A., 2005, "Further Load Reductions with Individual Pitch Control," Wind Energy, Vol. 8, pp. 481-485. 

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  7. Lee, J.W., Huh, Y.C., Nam, Y.Y., Lee, G.H.,Kim, Y.S. and Lee, Y.B., 2007, "Measurment and Monitoring of Mechanical Loads of Wind Turbines Using Distributed Fiber Optic Sensor," Trans. of the Korean Soc. for Noise and Vib. Eng., Vol. 17, pp. 1028-1036. 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. Schroeder, K., Ecke, W., Apitz, J., Lembke, E.and Lenschow, G., 2006, "A Fibre Bragg Grating Sensor System Monitors Operational Load in a Wind Turbine Rotor Blade," Meas. Sci. Technol., Vol. 17, pp. 1167-1172. 

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  9. Cytronique Co. Ltd. 

  10. PXI module, National Instruments. 

  11. Kang, L.H., Kim, D.K. and Han, J.H., 2007, "Estimation of Dynamic Structural Displacements Using Fiber Bragg Grating Strain Sensors," Journal of Sound and Vibration, Vol. 35, pp. 534-542. 

  12. Gere, J.M. and Goodno, B.J., 2009, Mechanics of Materials, 7th edition, Cengage Learning, Toronto, Canada, Chapter 5. 

  13. Choi, E.S., Kang, D.H., Chung W.S. and Kim,H.S., 2006, "Estimation of Dynamic Displacement and Characteristics of a Simple Beam from Fbg Sensor Signals," Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 18, pp. 503-514. 

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