본 논문에서는 부유식 플랫폼의 동적 거동을 고려하여 해상 풍력 발전기 타워의 구조 해석을 수행하였다. 풍력 발전기는 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브 그리고 3 개의 블레이드로 구성된다. 타워는 3 차원 빔 요소를 사용하여 탄성체로 모델링하여 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 한 운동 방정식을 구성하였다. 회전하는 블레이드에는 블레이드 요소 운동량 이론에 따라 계산된 공기역학적 힘이 적용되었고, 부유식 플랫폼에는 유체정역학적 힘, 유체동역학적 힘 그리고 계류력이 적용되었다. 타워의 구조 동역학적 거동을 수치적으로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 이용하여 굽힘 모멘트와 응력을 산출하고 허용치와 비교하였다.
본 논문에서는 부유식 플랫폼의 동적 거동을 고려하여 해상 풍력 발전기 타워의 구조 해석을 수행하였다. 풍력 발전기는 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브 그리고 3 개의 블레이드로 구성된다. 타워는 3 차원 빔 요소를 사용하여 탄성체로 모델링하여 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 한 운동 방정식을 구성하였다. 회전하는 블레이드에는 블레이드 요소 운동량 이론에 따라 계산된 공기역학적 힘이 적용되었고, 부유식 플랫폼에는 유체정역학적 힘, 유체동역학적 힘 그리고 계류력이 적용되었다. 타워의 구조 동역학적 거동을 수치적으로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 이용하여 굽힘 모멘트와 응력을 산출하고 허용치와 비교하였다.
In this study, we perform the structural analysis of a floating offshore wind turbine tower by considering the dynamic response of the floating platform. A multibody system consisting of three blades, a hub, a nacelle, the platform, and the tower is used to model the floating wind turbine. The blade...
In this study, we perform the structural analysis of a floating offshore wind turbine tower by considering the dynamic response of the floating platform. A multibody system consisting of three blades, a hub, a nacelle, the platform, and the tower is used to model the floating wind turbine. The blades and the tower are modeled as flexible bodies using three-dimensional beam elements. The aerodynamic force on the blades is calculated by the Blade Element Momentum (BEM) theory with hub rotation. The hydrostatic, hydrodynamic, and mooring forces are considered for the platform. The structural dynamic responses of the tower are simulated by numerically solving the equations of motion. From the simulation results, the time history of the internal forces at the nodes, such as the bending moment and stress, are obtained. In conclusion, the internal forces are compared with those obtained from static analysis to assess the effects of wave loads on the structural stability of the tower.
In this study, we perform the structural analysis of a floating offshore wind turbine tower by considering the dynamic response of the floating platform. A multibody system consisting of three blades, a hub, a nacelle, the platform, and the tower is used to model the floating wind turbine. The blades and the tower are modeled as flexible bodies using three-dimensional beam elements. The aerodynamic force on the blades is calculated by the Blade Element Momentum (BEM) theory with hub rotation. The hydrostatic, hydrodynamic, and mooring forces are considered for the platform. The structural dynamic responses of the tower are simulated by numerically solving the equations of motion. From the simulation results, the time history of the internal forces at the nodes, such as the bending moment and stress, are obtained. In conclusion, the internal forces are compared with those obtained from static analysis to assess the effects of wave loads on the structural stability of the tower.
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문제 정의
(1) 따라서 풍력 발전기 타워(tower)의 구조 해석에 부유식 플랫폼에 의한 동적인 영향을 고려할 필요가 있다. 본 논문에서는 부유식 풍력발전기의 운동 방정식을 구성하고, 동적 거동을 고려하여 타워 모델에 대해 구조 해석을 수행하였다.
본 논문은 부유식 풍력 발전기를 대상으로 풍력과 해양파에 의한 외력을 동적인 하중으로 고려하고, 타워의 동적 거동에 따른 구조 해석을 수행하였다. 이 때, 플랫폼, 타워 그리고 상부 구조물의 연성된 운동 방정식을 구성하여 타워의 절점 변형 변위를 계산하고, 이를 통하여 내부 응력을 계산 하였다.
본 연구는 다물체 동역학과 구조 해석을 병행하여 전체적인 경향을 확인하고 동적 하중 경계 조건을 도출하는 것에 초점을 맞추고 있으며, 이러한 결과는 국부 구조 해석에 사용될 수 있다.
가설 설정
8 에 나타내었다. 여기서는 동일한 유체력을 적용하기 어려운 문제로 인해, 플랫폼이 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 본 논문의 결과는 FAST 에 비해 약 7%의 차이가 있는 것을 확인하였다.
진폭 0.5m, 주기 0.628/sec, 길이 126.5m 인 해양파가 x 축에 대해 45 방향으로 입사하고, 바람은 x 축 방향으로 속도 12m/sec 로 입사되는 것으로 가정하였다. 그리고 낫셀에 연결되는 타워의 상단부, 플랫폼에 고정된 타워의 하단부에 대해 응력을 계산하였고, 그 결과는 Fig.
제안 방법
타워는 굽힘에 의해 3 차원 변위를 갖는 유한개의 빔 요소로 모델링 되었다. 구성된 운동 방정식을 수치적으로 풀어 매 단위 시간마다 타워의 절점 변형 변위를 구하고, 변형 변위와 강성 행렬을 통해 각 절점에서 내력 모멘트와 응력을 구한다.
5m 인 해양파가 x 축에 대해 45 방향으로 입사하고, 바람은 x 축 방향으로 속도 12m/sec 로 입사되는 것으로 가정하였다. 그리고 낫셀에 연결되는 타워의 상단부, 플랫폼에 고정된 타워의 하단부에 대해 응력을 계산하였고, 그 결과는 Fig. 7 과 같다. 타워의 상단부에서는 최대 약 30 Mpa 의 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 동적인 효과에 의한 진폭이 거의 보이지 않는다.
먼저 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 하여 부유식 풍력 발전기의 운동 방정식을 구성하였다. 운동 방정식은 Fig.
본 논문에서는 5MW 급 부유식 풍력 발전기에 대하여 탄성 다물체계를 기반으로 한 동역학 방정식을 구성하고, 타워의 동적 구조 해석을 수행하였다. 진폭 0.
는 고정식 해상 풍력 발전기 타워를 대상으로, 유지 보수를 위해 운항하는 바지(barge)선이 충돌하는 경우에 대해, 충격력을 고려하여 구조 해석을 수행하였다. 상용 구조 해석 시스템을 사용하여 타워의 유한 요소 모델을 만들어 구조 해석을 수행하였다. 이봉민 외(3)는 풍력 발전기의 타워에 풍력과 지진 하중을 적용하여 구조 해석을 수행하였다.
홍혁수 외(4)는 고정식 풍력 발전기 타워에 대해 고유진동수 해석, 강도해석 등을 수행하였다. 선급에서 제공하는 가이드라인과 계산 식을 사용 하여 해석을 수해하였으며, 풍력과 자중을 고려하였다. Joshua(5)는 TLP(Tension Leg Platform) 형식의 5MW 급 부유식 풍력 발전기를 설계하고 상용 소프트웨어를 사용하여 타워의 구조 해석을 수행하였다.
외력으로는 블레이드에 작용하는 풍력과 부유식 플랫폼에 작용하는 유체정역학 힘, 유체동역학적 힘 그리고 계류력을 고려하였다. 타워는 굽힘에 의해 3 차원 변위를 갖는 유한개의 빔 요소로 모델링 되었다.
본 논문은 부유식 풍력 발전기를 대상으로 풍력과 해양파에 의한 외력을 동적인 하중으로 고려하고, 타워의 동적 거동에 따른 구조 해석을 수행하였다. 이 때, 플랫폼, 타워 그리고 상부 구조물의 연성된 운동 방정식을 구성하여 타워의 절점 변형 변위를 계산하고, 이를 통하여 내부 응력을 계산 하였다.
이봉민 외(3)는 풍력 발전기의 타워에 풍력과 지진 하중을 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 플랫폼은 고정식이며 상용 구조해석 시스템을 사용하여 타워를 모델링 하고 해석하였다. 홍혁수 외(4)는 고정식 풍력 발전기 타워에 대해 고유진동수 해석, 강도해석 등을 수행하였다.
Joshua(5)는 TLP(Tension Leg Platform) 형식의 5MW 급 부유식 풍력 발전기를 설계하고 상용 소프트웨어를 사용하여 타워의 구조 해석을 수행하였다. 해양파에 의한 외력은 외부 프로그램을 사용하여 계산하였고, 풍력은 정정인 하중으로만 고려하였다. 한편, 다물체 동역학 상용 시스템을 사용할 경우 유체역학적 힘을 별도로 계산하여 연동해야 하는데, 수치적인 안전성을 위해 운동방정식의 관성력에 무한주파수 부가질량을 고려하지 못하는 한계점이 있다.
대상 데이터
먼저 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 하여 부유식 풍력 발전기의 운동 방정식을 구성하였다. 운동 방정식은 Fig. 2 와 같이 3 개의 블레이드(blade)와 허브(hub), 낫셀(nacelle), 타워, 그리고 플랫폼으로 이루어진 풍력 발전기를 대상으로 하였다.
이론/모형
교란 포텐셜을 구하기 위해, 식 (9) 와 같이 그린 정리(Green theorem)의 특수한 형태인 제 2 그린 항등식(Green’s second identity)을 이용한다.
2 절에서 설명한 외력 벡터이며, 일반화 좌표 방향으로 성분이 분해되어 있다. 운동 방정식의 유도는 박광필 외(11)를 참조한다.
풍력은 BEM(Blade Element Momentum) 이론에 의해 각 블레이드 요소에 작용하는 힘과 모멘트로서 계산하였다.(6,7) 하나의 블레이드 요소에 작용하는 힘은 식 (3)과 같다.
성능/효과
한편 타워의 하단부에서는 최대 약 65 Mpa 의 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 약 10 Mpa 의 진폭을 가지고 응력이 진동하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 타워의 재질을 일반 강철로 가정할 때의 허용 응력인 235 Mpa 보다 낮은 응력이 발생하는 것을 확인하였다.
여기서는 동일한 유체력을 적용하기 어려운 문제로 인해, 플랫폼이 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 본 논문의 결과는 FAST 에 비해 약 7%의 차이가 있는 것을 확인하였다.
1 도인 것을 확인할 수 있다. 타워의 길이가 87.6m 인 것에 비해 매우 적은 양이므로 기하 비선형성이 크지 않다고 볼 수 있으며 본 논문의 가정이 합리적임을 입증하고 있다.
628/sec 인 해양파가 x 축에 대해 45 방향으로 입사하고, 바람은 x 축 방향으로 속도 12m/sec 로 입사되는 조건에 대해 타워의 고정단에서 약 65 MPa 에서 15MPa 의 진폭으로 응력이 발생하였다. 플랫폼이 고정된 경우에 공개 코드와 결과를 비교하여 고정단의 응력이 약 7%의 오차가 있는 것을 확인하였다. 향후에는 블레이드도 탄성체로 가정하여 종합적인 해석을 수행할 예정이다.
후속연구
플랫폼이 고정된 경우에 공개 코드와 결과를 비교하여 고정단의 응력이 약 7%의 오차가 있는 것을 확인하였다. 향후에는 블레이드도 탄성체로 가정하여 종합적인 해석을 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
타워는 무슨 기반으로 운동 방정식을 구성하였는가?
풍력 발전기는 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브 그리고 3 개의 블레이드로 구성된다. 타워는 3 차원 빔 요소를 사용하여 탄성체로 모델링하여 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 한 운동 방정식을 구성하였다. 회전하는 블레이드에는 블레이드 요소 운동량 이론에 따라 계산된 공기역학적 힘이 적용되었고, 부유식 플랫폼에는 유체정역학적 힘, 유체동역학적 힘 그리고 계류력이 적용되었다.
타워의 구조 동역학적 거동을 수치적으로 시뮬레이션한 결과는 어떻게 사용되었는가?
타워의 구조 동역학적 거동을 수치적으로 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 이용하여 굽힘 모멘트와 응력을 산출하고 허용치와 비교하였다.
풍력 발전기은 무엇으로 구성되는가?
본 논문에서는 부유식 플랫폼의 동적 거동을 고려하여 해상 풍력 발전기 타워의 구조 해석을 수행하였다. 풍력 발전기는 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브 그리고 3 개의 블레이드로 구성된다. 타워는 3 차원 빔 요소를 사용하여 탄성체로 모델링하여 탄성 다물체계 동역학을 기반으로 한 운동 방정식을 구성하였다.
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FAST Change Log (v7.00.01a-bjj, 235 KB, 02- November-2010), http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/fast/
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