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경사 및 가속도 계측자료 융합을 통한 풍력 터빈의 변위 추정
Study on Combined Use of Inclination and Acceleration for Displacement Estimation of a Wind Turbine Structure 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.1, 2015년, pp.1 - 8  

박종웅 (미국 일리노이 주립대학) ,  심성한 (울산과학기술대학교 도시환경공학부) ,  정병진 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) ,  이진학 (한국해양과학기술원 연안공학연구본부)

초록
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신재생 에너지 개발에 대한 사회적 요구가 증가하면서 경제성 및 기술 성숙도가 높은 풍력발전이 많은 관심을 받고 있다. 대규모 에너지 생산을 위해 풍력 터빈의 대형화와 해상풍력 단지 개발에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 운영 및 관리(O&M, Operation and Management) 측면에서의 구조적 안전성 평가 및 유지관리의 중요성 또한 지속적으로 증가하고 있다. 안전성 평가를 위한 여러 항목 중 터빈 상부 즉, 허브 높이에서의 변위는 구조물의 강성에 의해 지배되는 직접적인 지표로, 구조물의 건전상태를 쉽게 평가할 수 있는 지표라 할 수 있다. 그러나 풍력 터빈과 같은 대형 구조물의 변위 측정은 장비의 한계로 직접적으로 측정하기에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 이 연구에서는 (1) 경사와 가속도의 동적 계측응답 자료를 융합하여 간접적으로 변위를 추정하는 방법을 제안하고, (2) 제안된 방법을 제원이 공개되어 있는 NREL 5 MW급 풍력 터빈에 적용하여 경사계의 수, 경사계의 잡음 수준 및 계측 주파수에 따른 변위 추정의 정확도를 평가하였으며, 실제 변위 측정을 위한 매개변수 연구를 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Wind power systems have gained much attention due to the relatively high reliability, good infrastructures and cost competitiveness to the fossil fuels. Advances have been made to increase the power efficiency of wind turbines while less attention has been focused on structural integrity assessment ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 실제 구조물은 이상적인 가진이 어려우므로 정확한 모드형상을 추출하기 쉽지 않을 뿐 아니라, 질량에 대한 정보를 얻기 힘들기 때문에 최대 모드크기에 대해 정규화된 형상을 주로 사용한다. 이 연구에서는 실제 기울기 모드형상과 변위 모드형상의 크기 및 오차를 보정하기 위해 보정계수를 제안하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대형 구조물의 변위 측정을 위하여 적용 가능한 방법은 무엇이 있는가? 계측을 통하여 구조적 안전성을 평가하기 위한 여러 항목 중, 터빈 상부의 변위는 구조물의 외력에 대한 상태를 가장 직관적으로 표현해 줄 수 있는 요소이다. 그러나 풍력 터빈과 같은 대형 구조물의 변위 측정은 매우 제한적으로 이루어지고 있으며, 현재 이와 같은 대형 구조물의 변위 측정을 위하여 적용 가능한 방법으로는 영상기반 방법(vision-based method), LDV (Laser Doppler Vibrometer) (Nassif et al., 2005) 그리고 GPS (Global Positioning System) (Celibi, 2000) 등이 있다. 영상기반 방법은 카메라 등 영상장비를 이용하여 취득한 구조물의 움직임에 대한 영상자료를 변위로 변환 하는 기법이다.
영상기반 방법의 장단점은? 영상기반 방법은 카메라 등 영상장비를 이용하여 취득한 구조물의 움직임에 대한 영상자료를 변위로 변환 하는 기법이다. 이 방법은 구조물의 2차원 면내 동적인 움직임을 포착할 수 있다는 큰 장점이 있으나, 영상장비와 구조물 사이의 거리가 멀어질수록 오차가 커지게 되며, 또한 광학을 이용한 장비의 특성상 날씨에 큰 영향을 받는다는 단점이 있다. LDV는 레이저를 이용하여 측정 구조물 표면의 변위를 측정하는 방법으로 높은 해상도를 가지는 장점이 있으나, 이와 같은 뛰어난 성능에도 불구하 고 상대적으로 고가인 장비가격으로 인해 현장적용이 쉽지 않은 단점이 있다.
LDV의 장단점은? 이 방법은 구조물의 2차원 면내 동적인 움직임을 포착할 수 있다는 큰 장점이 있으나, 영상장비와 구조물 사이의 거리가 멀어질수록 오차가 커지게 되며, 또한 광학을 이용한 장비의 특성상 날씨에 큰 영향을 받는다는 단점이 있다. LDV는 레이저를 이용하여 측정 구조물 표면의 변위를 측정하는 방법으로 높은 해상도를 가지는 장점이 있으나, 이와 같은 뛰어난 성능에도 불구하 고 상대적으로 고가인 장비가격으로 인해 현장적용이 쉽지 않은 단점이 있다. 또한 영상처리 및 LDV를 이용한 변위 측정은 기본적으로 장비를 설치하기 위한 고정점이 필요하며 따라서 장비 설치가 어려운 환경에서는 적용 또한 어려울 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Berg, D. and Zayas, J. (2001). "Accurate time-linked data acquisition system field deployment and operational experience." Proceedings of the 2001 ASME Wind Energy Symposium, Reno, Nevada, pp. 153-161. 

  2. Celibi, M. (2000). "GPS in dynamic monitoring of long-period structures." Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 20, No. 5, pp. 477-483. 

  3. Foss, G. and Haugse, E. (1995). "Using modal test results to develop strain to displacement transformations." Proceeding of 13th International Model Analysis Conference, Nashville, Tennessee, pp. 112-118. 

  4. Jeon, H., Bang, Y. and Myung, H. (2011). "A paired visual servoing system for 6-DOF displacement measurement of structures." Smart Materials and Structures, Vol. 20, No. 4, 045019. 

  5. Jonkman, B. J. and Kilcher L. (2012). TurbSim User's Guide: Version 1.06.00. NREL Technical Report September 2012. 

  6. Jonkman, J. M. and Buhl, M. L. (2005). FAST User's Guide. Technical Report NREL/EL-500-38230 August 2005. 

  7. Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W. and Scott, G. (2009). Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development. Technical Report NREL/TP-500-38060 February 2009. 

  8. Lee, H. S., Hong, Y. H. and Park, H. W. (2010). "Design of an FIR filter for the displacement reconstruction using measured acceleration in low-frequency dominant structures." International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 82, No. 4, pp. 403-434. 

  9. Lee, J. J. and Shinozuka, M. (2006). "A vision-based system for remote sensing of bridge displacement." NDT & E International, Vol. 39, No. 5, pp. 425-431. 

  10. Lee, J. J., Ho, H. N. and Lee, J. H. (2012). "A vision-based dynamic rotational angle measurement system for large civil structures." Sensors, Vol. 12, No. 6, pp. 7326-7336. 

  11. Nassif, H. H., Gindy, M. and Davis, J. (2005). "Comparison of laser doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration." NDT&E International, Vol. 38, No. 3, pp. 213-218. 

  12. Park, J.-W., Sim, S.-H. and Jung, H.-J. (2013). "Displacement estimation using multimetric data fusion." ASME/IEEE transactions on Mechatronics, Vol. 18, No. 6, pp. 1675-1682 

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