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SQP법을 사용한 복합재 조류력 발전용 블레이드의 스파 캡에 대한 두께 최적화
Thickness Optimization for Spar Cap of Composite Tidal Current Turbine Blade using SQP Method 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.4, 2013년, pp.207 - 212  

차명찬 (한국과학기술원 기계항공시스템공학부 항공우주공학전공 대학원) ,  김상우 (한국과학기술원 기계항공시스템공학부 항공우주공학전공 대학원) ,  정민수 (한국과학기술원 기계항공시스템공학부 항공우주공학전공 대학원) ,  이인 (한국과학기술원 기계항공시스템공학부 항공우주공학전공) ,  유승재 (현대중공업 주식회사) ,  박천진 (현대중공업 주식회사)

초록
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본 연구에서는 유리강화섬유폴리머(GFRP)와 탄소강화섬유폴리머(CFRP)로 적층된 조류력 블레이드의 스파 캡(Spar cap)을 대상으로 끝단 처짐의 제한에 따른 단방향(UD) GFRP의 적층 두께를 최적화 하였다. 또한 도출된 적층 두께에 따른 블레이드 내부의 응력의 변화와 블레이드의 재료비용을 확인하였다. 비선형 최적화에 뛰어난 순차 이차방정식 프로그래밍(SQP) 알고리즘을 사용하였고, 목적함수를 계산하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus/Standard와 연계하였다. UD CFRP의 적층 두께가 9 mm로 제한된 경우, 끝단 처짐이 감소함에 따라 UD GFRP의 적층 두께가 증가하였다. 즉, 최적화된 스파 캡의 무게는 최대 96.2% 증가였으며 최대 인장응력은 최대 24.6% 감소하였다. 끝단 처짐이 126.83 mm로 제한된 경우, UD CFRP의 적층 두께가 줄어듦에 따라 UD GFRP의 적층 두께가 증가하였다. 이로 인하여 무게는 최대 40.1% 증가하였지만 재료비용은 최대 16.97% 감소하였다. 본 연구에서 제시한 블레이드 스파 캡의 최적화된 두께를 바탕으로 조류력 블레이드의 무게, 내부의 최대 응력과 재료비용의 상관관계를 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the thickness optimization for uni-directional (UD) glass fiber reinforced polymer (GFRP) laminates of the spar cap of composite tidal blades was performed under the tip deflection constrains. The spar cap was composed of GFRP composites and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) comp...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 여기서 UD GFRP 두께는 설계 변수이고 UD CFRP 두께는 고정 변수이다. Table 1로부터 UD CFRP의 재료비용이 UD GFRP보다 약 10배 이상 크므로, 본 연구에서는 고정된 UD CFRP 두께에서 제한 조건을 만족하는 최소의 UD GFRP를 얻고자 하였다. 즉, UD CFRP 두께가 9 mm부터 1 mm까지 1 mm씩 감소하였을 경우, 제한 조건을 만족하는 동시에 블레이드 무게가 최소가 되는 UD GFRP 두께를 찾는 것이 목적이다.
  • 따라서 본 연구에서는 유리 섬유 강화 복합재(GFRP composite)와 탄소 섬유 강화 복합재(CFRP composite)로 적층된 조류력 블레이드의 스파 캡(Spar cap)을 대상으로 끝단 처짐의 제한에 따른 단방향(UD) GFRP의 적층 두께를 최적화 하였다. 또한 블레이드의 강도와 성능 조건을 유지하면서 경량화를 달성하고자 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 유리 섬유 강화 복합재(GFRP composite)와 탄소 섬유 강화 복합재(CFRP composite)로 적층된 조류력 블레이드의 스파 캡(Spar cap)을 대상으로 끝단 처짐의 제한에 따른 단방향(UD) GFRP의 적층 두께를 최적화 하였다. 또한 블레이드의 강도와 성능 조건을 유지하면서 경량화를 달성하고자 하였다.
  • Table 1로부터 UD CFRP의 재료비용이 UD GFRP보다 약 10배 이상 크므로, 본 연구에서는 고정된 UD CFRP 두께에서 제한 조건을 만족하는 최소의 UD GFRP를 얻고자 하였다. 즉, UD CFRP 두께가 9 mm부터 1 mm까지 1 mm씩 감소하였을 경우, 제한 조건을 만족하는 동시에 블레이드 무게가 최소가 되는 UD GFRP 두께를 찾는 것이 목적이다.

가설 설정

  • 2) 하중 인가 시 복합재 구조물이 각 복합재의 항복 강도를 넘지 않아야 한다. 최적화 모델에 적용된 복합재의 항복 강도는 Table 2와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
조류력 발전은 무엇인가? 조류력 발전은 조수간만의 차에 의해 발생하는 조류를 이용하여 에너지를 생산하는 발전으로, 조류의 유속이 충분히 빠른 해역에 적용할 수 있다. 우리나라의 경우 조류 에너지는 매우 풍부하며, 최적의 개발 입지 조건을 갖추고 있다[1].
조류력 발전용 블레이드가 지속적인 큰 하중을 받는 이유는 무엇인가? 조류력 발전용 블레이드는 일반적으로 수심이 깊고 유속이 빠른 열악한 환경에서 운용되므로 지속적인 큰 하중을 받게 된다. 2011년에 Verdant Power사가 뉴욕 East River에 설치한 조류력 발전기는 강력한 조류로 인하여 블레이드 끝단 일부가 파괴되었다[3].
조류력 발전이 조력 발전과 갖는 차이점은 무엇인가? 우리나라의 경우 조류 에너지는 매우 풍부하며, 최적의 개발 입지 조건을 갖추고 있다[1]. 한편 자연적인 조류 흐름을 직접 이용한다는 점에서 조력 발전과 차이점을 둔다[2]. 조수간만의 차는 항상 존재하며, 날씨나 계절에 큰 영향을 받지 않기 때문에 기존의 친환경 신재생에너지에 비해 큰 장점을 지니고 있다.
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참고문헌 (5)

  1. Cho, C.H., "Characteristics of Tidal Current Power and Technical Trend of Domestic and International Development," Journal of Solar Energy Society of Korea, Vol. 6, No. 1, 2007, pp. 9-16. 

  2. Cho, C.H., and Lee, Y.H., "Current Status of Domestic and International Technology of Ocean Energy," The Society of Airconditioning and Refrigerating Engineers of Korea, Vol. 37, No. 10, 2008, pp. 14-37. 

  3. http://www.businessgreen.com/bg/news/1935363/yorks-eastriver-promises-rising-tide-verdant-power 

  4. Wasiutynski, Z., "The Present State of Knowledge in the Field of Optimum Design of Structures," Applied Mechanics Reviews, Vol. 16, No. 5, 1963, pp. 341-350. 

  5. Schittkowski, "Numerical Comparison of Nonlinear Programming Algorithms for Structural Optimization," Structural Optimization, Vol. 7, 1994, pp. 1-19. 

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