[논문]임피던스 기법을 이용한 풍력 블레이드 손상 모니터링

허용학; 김종일; 홍성구

doi:10.7779/jksnt.2013.33.5.452

임피던스 기법을 이용한 풍력 블레이드 손상 모니터링
Damage Monitoring for Wind Turbine Blade using Impedance Technique 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.33 no.5 = no.139, 2013년, pp.452 - 458

허용학 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부) , 김종일 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부) , 홍성구 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부)

초록
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풍력 발전 블레이드에서 손상 발생 및 진전을 모니터링하기 위한 임피던스 기법에 대한 고찰을 하였다. 본 연구에서는 PVDF 필름 피에조 센서를 제작하여 10 kW 급 풍력 발전 블레이드에 부착하여 피로하중의 부하에 따른 임피던스 신호를 1-200 MHz 주파수 영역에서 측정하였다. 피로하중을 부하함에 따라 블레이드의 처짐과 국부적인 변형률의 변화가 발생하였고, 임피던스 신호의 패턴에서의 변화를 감지할 수 있었다. 임피던스와 변형률 그리고 처짐 신호로부터 블레이드의 국부적인 손상 혹은 기하학적 변화가 발생하였음을 알 수 있었다. 임피던스 신호의 정성적인 비교를 정량적으로 비교하기 위하여 통계적인 접근으로 스칼라 손상 지수 M을 사용하였다. 피로 하중의 부하와 센서 위치에 따른 지수 M을 계산할 수 있었고, 이들 값을 비교하여 지수와 손상을 상관지을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Impedance based monitoring technique was investigated to evaluate the damage occurring in wind turbine blade. In this study, PVDF film piezo sensors were patched on the 10 kW wind turbine blade, and impedance was measured over the frequency range of 1~200 MHz under fatigue loading. With applying fatigue loads on the blade, change in maximum deflection of the blade and local strain values could be obtained from the strain gages attached on the blade, and difference of the impedance signatures was also observed. From these data, it could be found that local damage or geometrical change in the blade structure happened. To quantitatively compare the impedance signature patterns, a statistical algorithm, scalar damage metric M was used. It was calculated from the impedance signatures considering fatigue loads and location of the sensors. The metric values were compared to correlate the metrics with damage in the blade.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 10 kW 풍력 발전 블레이드에서 피로하중의 부하에 따른 손상의 발달을 임피던스로 측정하여 그 적용성을 검토하였다. 또한 실 규모 블레이드에서 손상의 발달에 따른 임피던스의 변화를 정량적으로 나타내기 위하여 통계적인 접근으로 손상 지수를 사용하여 이에 대한 사용 가능성을 확인하였다. 블레이드에서 발생하는 임피던스의 변화는 블레이드에 PVDF 필름 센서를 부착하여 측정하였다.
본 연구에서는 10 kW 풍력 발전 블레이드에서 피로하중의 부하에 따른 손상의 발달을 임피던스로 측정하여 그 적용성을 검토하였다. 또한 실 규모 블레이드에서 손상의 발달에 따른 임피던스의 변화를 정량적으로 나타내기 위하여 통계적인 접근으로 손상 지수를 사용하여 이에 대한 사용 가능성을 확인하였다.

제안 방법

풍력 발전 블레이드에서 손상 발생 및 진전을 모니터링하기 위한 임피던스 기법을 고찰하였다. 10 kW 급 풍력 발전 블레이드에 PVDF 필름 센서를 제작하여 부착하여 임피던스를 측정하였다.
3) 임피던스 신호 패턴은 정성적으로 비교하기 위하여 스칼라 손상 지수를 정의하여 계산하였다. 이 지수와 블레이드에서 발생하는 손상과 연계하여 비교할 수 있었다.
센서의 크기는 25 x 20 mm²로 센서의 피에조 특성은 Table 1과 같다. 본 연구에서 사용한 블레이드 임피던스 측정은 Fig. 2에서 보여주고 있는 바와 같이 4개의 지점에서 부착된 PVDF 센서로부터 이루지도록 하였다. 센서는 HP4191A 임피던스 분석기에 연결되었고 임피던스 분석기에서 측정되는 임피던스 신호는 GPIB 포트를 통하여 PC에 획득되도록 하였다.
이 지수는 각 주파수 단계에서 임피던스 차이로 계산한다. 본 연구에서는 10 KW 급 풍력 블레이드의 피로 하중의 부하에 따라 변화하는 Fig. 5에서 보여준 바와 같은 임피던스 신호를 식(1)과 같이 정의되는 손상 지수로 정량적으로 평가하였다.
본 연구에서는 Fig. 1에서 보여 준 바와 같이 10 kW급 풍력 블레이드에 플랩방향으로 피로하중을 부하하였다. 피로하중 부하에 따라 블레이드 내부에 손상이 발생하게 되고 이는 블레이드를 계측하는 다양한 신호의 변화로 나타나게 된다.
블레이드 피로 시험의 일정 하중 진폭 부하동안의 하중과 블레이드 처짐 그리고 각 주요 부위의 변형률을 각각 측정하였다. 본 시험에서의 하중은 하중 크래들에 연결된 하중점에서의 하중을 측정하였다.
블레이드 피로하중의 부하에 따른 손상ㅇ을 모니터링하기 위하여 블레이드의 국부 임피던스를 측정하였다. 임피던스는 52 um두께의 PVDF 필름 센서(Measurement Specialties Co.
3은 플랩방향으로 피로하중 부하에 따른 블레이드의 처짐의 변화를 나탠다. 블레이드의 처짐은 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 블레이드 루트에서 690 mm, 2150 mm 그리고 블레이드 끝단에서 각각 측정하였다. 피로하중 사이클의 증가에 따라 최대 처짐량을 측정하였으며, 353,723 사이클후의 최대 처짐은 107 mm정도이었으며, 블레이드 축 길이에 따라 루트부에서의 처짐에 비하여 블레이드 선단에서의 처짐이 급격히 변화되고 있다.
임피던스 기반 구조 건전성 모니터링기법도 항공 구조물과 토목 구조물에서 사용되어진 바 있으며, 구조물의 국부적 기계적 임피던스와 직접적으로 상관되는 전기적 임피던스를 측정하여 구조물의 손상 발생 및 진전을 모니터링하였다. 일반적으로 임피던스는 측정 부위에 붙여주거나 혹은 내부에 매입한 PZT 센서로 측정하나, 최근에는 PVDF 필름 센서가 개발되어 사용되고 있다[5-7].
임피던스 신호는 1 MHz에서 200 MHz 범위에서 Fig. 2에서 나타낸 바와 같은 4개의 위치에 부착한 PVDF 필름 센서로부터 측정하였다. 피로 하중의 부하에 따라 블레이드의 손상을 모니터링하기 위하여 블레이드의 루트로부터 길이 방향으로 PVDF필름 센서를 블레이드 루트로부터 350(C-PS-1), 500(C-PS-2, 650(C-PS-3), 950(C-PS-4)mm에 각각 위치시켰다.
피로하중은 유압 엑츄에이터(최대 용량 100 kN, 1000 mm, MTS)로 부하하는 시스템을 사용하였다. 크래들과 하중 부하용 유압 엑츄에이터의 연결은 연결봉으로 이루어졌으며, 피로 하중 부하동안의 행정 거리의 각도 변화를 고려하여 크래들의 연결부위와 유압 엑츄에이터 연결부위에 각각 유니버셜 조인트를 설치하였다. Fig.
풍력 발전 블레이드에서 손상 발생 및 진전을 모니터링하기 위한 임피던스 기법을 고찰하였다. 10 kW 급 풍력 발전 블레이드에 PVDF 필름 센서를 제작하여 부착하여 임피던스를 측정하였다.
풍력 블레이드에 피로 하중을 가하는 방법으로는 직접 하중 혹은 공진형 하중 부하 장치를 이용할 수 있다 본 연구에서 사용한 블레이드 크기의 한계성으로 직접 하중을 가하는 방법을 사용하였다. 피로 하중은 단일 집중하중으로 블레이드 루트 끝단에서 2150 mm 지점에 하중 크래들을 설치하여 부하하였다.
2에서 나타낸 바와 같은 4개의 위치에 부착한 PVDF 필름 센서로부터 측정하였다. 피로 하중의 부하에 따라 블레이드의 손상을 모니터링하기 위하여 블레이드의 루트로부터 길이 방향으로 PVDF필름 센서를 블레이드 루트로부터 350(C-PS-1), 500(C-PS-2, 650(C-PS-3), 950(C-PS-4)mm에 각각 위치시켰다. Fig.
피로하중 부하 동안 블레이드의 처짐(deflection)은 Fig. 2에서 보여준 바와 같이 하중 작용점과 블레이드 루트에서 690 mm, 그리고 블레이드 팁에서 각각 측정하였다.

대상 데이터

변형률 측정은 게이지 길이 5 mm인 단축 변형률 게이지(KFG-5-350-C1-11, Kyowa)를 사용하였으며, 블레이드의 압력면(pressure side)에 4개의 게이지를 부착하였다. Fig.
본 연구에 사용한 풍력 발전 블레이드는 10 kW급으로 길이가 약 3550 mm 이고 하나의 전단 웹이 블레이드 길이 방향으로 내부에 연결되어 있다. 블레이드를 구성하는 재료는 GFRP (glass fiber-reinforced plastic)이다.
본 연구에 사용한 풍력 발전 블레이드는 10 kW급으로 길이가 약 3550 mm 이고 하나의 전단 웹이 블레이드 길이 방향으로 내부에 연결되어 있다. 블레이드를 구성하는 재료는 GFRP (glass fiber-reinforced plastic)이다.
2에서 보여주고 있는 바와 같이 4개의 지점에서 부착된 PVDF 센서로부터 이루지도록 하였다. 센서는 HP4191A 임피던스 분석기에 연결되었고 임피던스 분석기에서 측정되는 임피던스 신호는 GPIB 포트를 통하여 PC에 획득되도록 하였다. 임피던스 신호 값은 1 MHz의 주파수 간격으로 100 kHz의 해상도로 획득되었다.
블레이드 피로하중의 부하에 따른 손상ㅇ을 모니터링하기 위하여 블레이드의 국부 임피던스를 측정하였다. 임피던스는 52 um두께의 PVDF 필름 센서(Measurement Specialties Co.)를 사용하였다. 센서의 크기는 25 x 20 mm²로 센서의 피에조 특성은 Table 1과 같다.

이론/모형

본 연구에서 계측되는 하중, 변형률 그리고 처짐은 정적 데이터 획득 시스템인 SYSTEM 5000(MM)을 사용하였다. 데이터 획득은 초당 150 번(150 Hz)의 속도로 이루어졌다.

성능/효과

1) 블레이드에 피로하중을 부하함에 따라 블레이드 처짐과 변형률의 변화가 발생하였고 블레이드 루트부에서 상대적으로 큰 변화가 감지되어 국부적인 손상이 발생함을 인지할 수 있었다.
2) 블레이드 길이 방향을 따라 부착한 PVDF 필름 센서에서 측정한 임피던스 신호는 피로하중의 부하에 따라 그리고 센서 위치에 따라 다른 신호 패턴을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 사용된 블레이드를 구성하는 재료는 무엇인가?	본 연구에 사용한 풍력 발전 블레이드는 10 kW급으로 길이가 약 3550 mm 이고 하나의 전단 웹이 블레이드 길이 방향으로 내부에 연결되어 있다. 블레이드를 구성하는 재료는 GFRP (glass fiber-reinforced plastic)이다.
	본문에서 풍력 발전 시스템의 효율을 위해 강조하는 것은 무엇인가?	대형화되고 해상 풍력으로 발전하는 풍력 발전 시스템에서의 운영 및 관리는 경제적으로나 안전 관리 측면에서나 그 중요성이 더해가고 있다. 풍력 발전 시스템을 효율적으로 관리 운영하기 위해서는 손상 관리 시스템이 잘 준비되어야 한다. 손상 블레이드의 조기 탐지 기술들이 연구되고 있고 실질적으로 음향 방출, 광섬유를 이용한 모니터링, 초음파, 임피던스 기반 기법 등 다양한 비파괴 기법들이 개발되었고 이들 기술 중 일부는 그 유용성을 항공 구조물과 토목 구조물에서 검토되어 졌었다[1-4, 12-14].
	블레이드의 국부 임피던스를 측정을 위해 사용된 것은 무엇인가?	블레이드 피로하중의 부하에 따른 손상ㅇ을 모니터링하기 위하여 블레이드의 국부 임피던스를 측정하였다. 임피던스는 52 um두께의 PVDF 필름 센서(Measurement Specialties Co.)를 사용하였다. 센서의 크기는 25 x 20 mm2로 센서의 피에조 특성은 Table 1과 같다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
G. Park, H. Sohn, C. R. Farrar and D. J. Inman, "Overview of Piezoelectric Impedance-based Health Monitoring and Path Forward," The Shock and Vibration Digest, Vol. 35, No. 6, pp. 451-463 (2003)

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G. Park and D. J. Inman, "Structural health monitoring using piezoelectric impedance measure- ments," Phil. Trans. R. Soc. A, Vol. 365, No. 1851, pp. 373-392 (2007)

상세보기
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J. Kim, Y.-H. Huh, D. Kim, G. Lee, S. Ryu, and J. Lee, "Investigation of Impedance Characteristics with Damage Developed in Wind Turbine Blade," Proceedings of the KSME Spring Conference, pp. 2059-2062 (2010)
C. Lee and S. Park, "Local Damage Detection of Steel Structures based on Nonlinear Self-sensing Impedance Technology," Proceedings of the Korean Society of Steel Construction Conference, pp. 31-33 (2012)

저자의 다른 논문 :

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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