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문제 정의
- 본 연구에서는 4-블레이드 소형 수직축 풍력발전기의 RPM 에 따른 가진 특성 분석에 대해 수행하였다. 고유진동 모드 차수가 올라갈수록 진동수는 계단식 증가를 보인다.
- 본 연구에서는 타워의 강성효과를 고려하여 4개의 블레이드를 가지는 소형 수직축 풍력발전기 모델에 대해 운전진동 실험과 전산해석을 수행하였다. 실험 및 해석을 통하여 전형적으로 회전 공진안정성을 확인하는 캠벨차트에서 1P 과 1차 모드의 교차점이 가장 지배적인 공진 현상을 유발함을 실험을 통해 입증하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 풍력발전기용 타워를 소형풍력발전기에 체결한 후 지상 풍동 베이스에 설치하고 송풍기를 이용하여 가진 응답 실험을 수행하였다. FEM 진동해석결과를 바탕으로 공진 RPM에서의 가속도와 변형률을 분석하고 전산 다물체 동역학 해석결과와 비교하였다.
- 본 논문에서는 풍력발전기용 타워를 소형풍력발전기에 체결한 후 지상 풍동 베이스에 설치하고 송풍기를 이용하여 가진 응답 실험을 수행하였다. FEM 진동해석결과를 바탕으로 공진 RPM에서의 가속도와 변형률을 분석하고 전산 다물체 동역학 해석결과와 비교하였다. 본 연구에서 사용한 소형 풍력발전기 모델은 본 연구실에서 직접 설계 및 제작한 것으로 4개의 블레이드를 가지는 450 W급 모델이다.
- (2) 압출금형을 통해 만들어진 4개의 알루미늄 블레이드를 이용해 풍속 3 m/s에서 출력을 발생한다. 그리고 50 m/s의 풍속까지 견딜 수 있도록 설계되었으며, 외부 컨트롤러를 통해 정격출력 이상의 전력이 발생시, 전력을 가감(regulation)시키고 전기적으로 부하를 발생시켜(electronic torque control) 전기식 브레이크 개념으로 블레이드의 회전을 통제한다. 출력전압은 직류 12 V로 나와 축전지(battery bank)를 충전하도록 하였다.
- 본 논문에서는 탄성 타워효과를 고려하였고, 개방형 풍동의 풍속을 변화시켜 다양한 풍하중으로 가진 조건을 부가하였다. 진동해석은 유한요소법 기반의 다물체 동역학 기법을 적용하였으며, 캠벨차트(Campbell chart)의 이론적인 공진 특성과 공기역학 적인 가진 특성을 고려한 진동응답 특성을 파악해 보고자 한다.
- FEM 기법으로 상용구조해석프로그램을 활용하여 진동해석(vibration analysis)을 수행하였다. Fig.
- 본 모델의 경계조건은 발전기와 상하단 암 구조물, 발전기와 타워 사이와 같이 볼트로 체결되는 부분은 강체와 강체를 연결하는 조건인 고정(fixed) 조건을 부여하였다. 타워 하부 플랜지 부분에는 지상풍동베이스에 체결되어 있는데, 지상 풍동베이스의 질량이 상당히 무거우므로 지면과 같다고 가정하여 6-자유도계를 구속시키는 clamp 조건을 부여하였다.
- 재료 물성치로 암 구조물, 타워, 발전기는 스테인레스 스틸(stainless steel)재질이므로 탄성계수(E, Young’s modulus)는 210 GPa, 푸아송비(poisson’s ratio)는 0.3, 그리고 질량밀도는 7,800 kg/m3 를 입력하였다.
- 3, 그리고 질량밀도는 2,750 kg/m3 을 입력하였다. 발전기-타워 연결용 플랜지 구조물은 엔지니어링 플라스틱 재질을 사용하여 탄성계수가 101 GPa, 푸아송비 0.3, 질량밀도를 1,070 kg/m3를 입력하였다.
- 81 m/s2 의 중력가속도를 부가하였다. 회전 효과는 회전속도(rotation speed)로 풍력발전기 구조물에 부가하여 진동해석을 수행하였다. 50 rpm 단위로 0∼500 rpm, 총 11번 반복 수행하여 캠벨차트를 도식하였다.
- P3 스트레인 인디케이터는 변형률을 측정하는 데 특화된 계측 장비로, 쿼터브릿지(quarter bridge)부터 풀브릿지(full bridge)방식까지 지원한다. 이 장비들을 이용하여 가속도 및 변형률을 측정하는 기법을 구축하였으며, 지상 풍동 베이스에 타워를 체결, 고정시켜 송풍기 회전수를 조절하여 풍력발전기의 RPM 변화에 따른 가속도와 변위응답을 측정하였다.
- 풍력발전기 뒤에 보이는 송풍기에서 나오는 풍속으로 RPM 을 증감시키는 방법을 활용하여 20 rpm 씩 증가시키면서 가속도(g)를 측정하였고, 50 rpm 씩 증가시키면서 변형률(ε)을 측정하였다.
- Fig. 3 (b)를 보면 수직축 풍력발전기 바로 아래에 있는 엔지니어링 플라스틱 구조물에 RPM 측정기를 부착하여 풍력발전기의 회전수를 측정하였고, 타워 상단 플랜지 부분에 가속도계를 부착하여 회전수에 따른 가속도를 측정할 수 있도록 구축하였으며, 타워 하단 뿌리(root)부분에 하프 브릿지(half-bridge)방식으로 스트레인게이지를 부착하여 회전수에 따른 변형률을 측정할 수 있도록 구축하였다. 가속도와 변형률은 송풍기에서 불어오는 바람의 방향을 x축으로 정하여 x축 방향과 그에 수직한 y축 방향, 두 개의 신호(signal)를 측정하였다.
- 3 (b)를 보면 수직축 풍력발전기 바로 아래에 있는 엔지니어링 플라스틱 구조물에 RPM 측정기를 부착하여 풍력발전기의 회전수를 측정하였고, 타워 상단 플랜지 부분에 가속도계를 부착하여 회전수에 따른 가속도를 측정할 수 있도록 구축하였으며, 타워 하단 뿌리(root)부분에 하프 브릿지(half-bridge)방식으로 스트레인게이지를 부착하여 회전수에 따른 변형률을 측정할 수 있도록 구축하였다. 가속도와 변형률은 송풍기에서 불어오는 바람의 방향을 x축으로 정하여 x축 방향과 그에 수직한 y축 방향, 두 개의 신호(signal)를 측정하였다. 풍력발전기 뒤에 보이는 송풍기에서 나오는 풍속으로 RPM 을 증감시키는 방법을 활용하여 20 rpm 씩 증가시키면서 가속도(g)를 측정하였고, 50 rpm 씩 증가시키면서 변형률(ε)을 측정하였다.
대상 데이터
- FEM 진동해석결과를 바탕으로 공진 RPM에서의 가속도와 변형률을 분석하고 전산 다물체 동역학 해석결과와 비교하였다. 본 연구에서 사용한 소형 풍력발전기 모델은 본 연구실에서 직접 설계 및 제작한 것으로 4개의 블레이드를 가지는 450 W급 모델이다. 수직축 풍력발전기에 대한 가속 성능시험은 차량장착시험 시스템(vehicle mounted testing system)을 이용하여 수행한 사례가 있다.
- 출력전압은 직류 12 V로 나와 축전지(battery bank)를 충전하도록 하였다. 풍력발전기의 제원을 간단히 설명하자면, 블레이드 길이 1.4 m, 로터직경이 1.4 m, 무게 40.2 kg, 컷인풍속(cut-in speed) 3 m/s, 정격풍속(regulated speed) 12 m/s이며 400 W급 전기발전기를 사용하였다. 그래프를 보면 정격풍속인 12 m/s에서 평균적으로 450 W가 도출하는 것을 볼 수 있다.
- Fig. 1 (a)은 3D CAD 프로그램으로 모델링한 450 W급 소형 수직축 풍력발전기 모습으로 블레이드 직경 1.4 m, 블레이드 길이가 1.4 m 의 구조물이다. Fig.
- Figure 3 (a)는 수직축 풍력발전기를 타워에 체결시켜 지상 풍동 베이스에 설치한 모습이다. 본 연구실은 직경 50.1 mm 인 타워를 사용하였는데, 이는 타워의 가진 응답 결과를 가시화시키기 위해서이다. Fig.
이론/모형
- 본 논문에서는 탄성 타워효과를 고려하였고, 개방형 풍동의 풍속을 변화시켜 다양한 풍하중으로 가진 조건을 부가하였다. 진동해석은 유한요소법 기반의 다물체 동역학 기법을 적용하였으며, 캠벨차트(Campbell chart)의 이론적인 공진 특성과 공기역학 적인 가진 특성을 고려한 진동응답 특성을 파악해 보고자 한다.
성능/효과
- 이를 토대로 Fig. 5와 같이 회전효과에 따른 전체 구조물의 campbell chart를 도출하였으며, 풍력발전기가 1차 고유진동 모드와 1P 가 교차하는 지점인 268 rpm 에서 가장 큰 1차 공진이 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 통하여 공진 회피방법으로 268 rpm 부근에서 제어기를 설치하여 지속적인 작동이 되지 않도록 약간의 조치가 필요함을 확인하였다.
- 5와 같이 회전효과에 따른 전체 구조물의 campbell chart를 도출하였으며, 풍력발전기가 1차 고유진동 모드와 1P 가 교차하는 지점인 268 rpm 에서 가장 큰 1차 공진이 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 통하여 공진 회피방법으로 268 rpm 부근에서 제어기를 설치하여 지속적인 작동이 되지 않도록 약간의 조치가 필요함을 확인하였다.(3)
- 그리고 본 논문을 통해 실제 10∼20 m 정도의 전용타워 설계가 이루어진 경우에는 이에 대한 등가 강성 수준을 반영하여 실제 타워 설치조건과 유사하게 가속 평가 하는 것이 가능함을 중요하게 파악할 수 있다.
- 이 오차의 이유는 첫 번째로 실제모델에서의 암 구조물은 테이퍼가 주어진 구조물인데 반해, FEM 모델에서 beam모델링은 실제와 일치하게 모델링되지 못하기 때문에 이런 오차가 발생했다. 두 번째로 FEM 모델에서 모델링한 타워의 재질 특성과 실제 타워의 재질 특성이 정확하게 일치하지 않아 가상 타워가 실제 타워보다 유연하게 모델링 되었다고 볼 수 있다. 마지막으로 해석에서는 타워의 감쇠(damping)작용을 고려하지 않았지만, 실험에서는 타워의 감쇠작용이 고려되어 측정값이 도출되었다.
- 본 연구에서는 타워의 강성효과를 고려하여 4개의 블레이드를 가지는 소형 수직축 풍력발전기 모델에 대해 운전진동 실험과 전산해석을 수행하였다. 실험 및 해석을 통하여 전형적으로 회전 공진안정성을 확인하는 캠벨차트에서 1P 과 1차 모드의 교차점이 가장 지배적인 공진 현상을 유발함을 실험을 통해 입증하였다. 이론 해석결과에서는 캠벨차트에 전형적으로 다양한 공진 가능성이 나타나게 된다.
- 이론 해석결과에서는 캠벨차트에 전형적으로 다양한 공진 가능성이 나타나게 된다. 하지만, 실제 실험을 수행해본 결과 1차 주요 공진조건 이외에는 바람 방향으로의 풍속 및 회전속도 증가에 따른 동적 풍하중 증가가 시스템 진동 불안정성의 주요 원인으로 작용하게 됨을 중요하게 보였다. 본 연구 결과는 복잡하고 난해한 수직축 풍력발전기 및 타워의 최적 구조설계 과정에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 하지만, 실제 실험을 수행해본 결과 1차 주요 공진조건 이외에는 바람 방향으로의 풍속 및 회전속도 증가에 따른 동적 풍하중 증가가 시스템 진동 불안정성의 주요 원인으로 작용하게 됨을 중요하게 보였다. 본 연구 결과는 복잡하고 난해한 수직축 풍력발전기 및 타워의 최적 구조설계 과정에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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