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제안 방법
- 14를 택하였다. 5개의 1시간 데이터의 난류 영향을 확인하기 위하여 Fig. 4와 같이 불 규칙파는 동일한 것으로 계산에 적용이 되었고 바람의 방향과 파도의 방향은 일치하는 COD(Co-directional)로 설정하였다.
- 각각의 최대, 평균, 최소, 표준편차의 값들은 난류 장에서 난수생성 값인 seed number 1001-1005의 난류 데이터를 공수탄성 코드인 HAWC2로 계산하여 통계화한 것이다. 계산 시간은 부유체가 정적 평형을 이루는 250초 후부터 1시간 동안 수행을 하였다. 육상의 경우 풍력 발전기의 13 m/s에서 타워 하단 굽힘 모멘트가 추력에 의하여 발생하여 정격 풍속 영역에서 최대가 되고 정격풍속에서 풍속이 더 증가하면 날개 피치제어가 날개피치각도를 증가시켜 추력은 감소하게 된다.
- 본 연구에서는 제주 월정해역에 설치된 2 MW 영구자석 집적 구동형 풍력 발전기 모델을 대상으로 HAWC2를 이용하여 풍력발전기를 모델링 하였고, 하부구조물은 부유체 모델을 적용하였다. 기존의 NREL 5 MW 풍력 발전기를 위해 적용되었던 부유체 스파 부이 모델의 길이와 발라스트를 수정하여 2 MW급 집적 구동형 풍력발전기에 적합한 스파 부이 부유체를 모델화하였다. 본 연구는 2 MW급 직접 구동형 부유식 스파 부이(Spar-buoy)풍력 발전기의 종동요 운동(Platform pitch)에 의한 타워 하단 전후 굽힘 모멘트, 발전기 출력과 피로파괴 등가하중(DEL: Damage Equivalent Load)3)의 결과를 최대, 최소, 평균, 표준편차로 제시하였으며 2 MW 집적 구동형 육상풍력발전기의 결과와 비교하였다.
- 그중에서 스파 부이모델이 전체 동적인 특성 개선과 이해를 목적으로 광범위하게 연구가 수행되었다. 기존의 연구는 NREL 5 MW의 풍력 발전기 모델을 대상으로 하여 부유식 스파부이 풍력 발전기에 대한 조합된 풍속과 파도의 환경에서 전체 시스템에 대한 동특성, 하중과 출력의 결과를 분석하였다.
- 그 공간 벡터 장은 3차원 u, v, w 속도벡터들의 변수들 사이에서 서로 상관관계를 가진다. 난류 장에서 가로, 세로의 길이는 각각 150 m, 150 m 로서 2 MW 집적 구동형 풍력 발전기의 로터, 타워가 난류장 안에 포함되도록 하였다. 2MW 직접 구동형 부유식 풍력 발전기의 난류강도(Iref)는 IEC 61400-1에서 정의되어진 0.
- 기존의 NREL 5 MW 풍력 발전기를 위해 적용되었던 부유체 스파 부이 모델의 길이와 발라스트를 수정하여 2 MW급 집적 구동형 풍력발전기에 적합한 스파 부이 부유체를 모델화하였다. 본 연구는 2 MW급 직접 구동형 부유식 스파 부이(Spar-buoy)풍력 발전기의 종동요 운동(Platform pitch)에 의한 타워 하단 전후 굽힘 모멘트, 발전기 출력과 피로파괴 등가하중(DEL: Damage Equivalent Load)3)의 결과를 최대, 최소, 평균, 표준편차로 제시하였으며 2 MW 집적 구동형 육상풍력발전기의 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서 부가 질량계수와 항력 계수는 덴마크 Ris ø 제시한 값으로 부가질량 계수: 0.969954, 항력계수: 0.6으로서 부유체의 단위길이 당 동일 값으로 적용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 23개의 평균속도(3-25 m/s)를 가지면서 난류 풍속을 구현하기 위하여 Risø에서 만든 난수생성(seed number)번호를 사용하였다.
- 본 연구에서는 직접 구동형 부유식 스파부이 풍력 발전기에 대하여 구동환경(production)에서 HAWC2 프로그램으로 계산하여 바람하중과 파도하중에 의하여 유발된 타워 하단 굽힘 모멘트, 발전기 출력, 부유체 종동요 운동을 분석하였다. 부유식 스파 부이 풍력 발전기는 바람과 파도에 의하여 지면에 고정된 육상 풍력 발전기보다 타워 하단 굽힘 모멘트의 표준편차가 증가하고 발전기 출력의 최소 값은 감소한다.
- 이 부유식 풍력 발전기에 대한 제어 시스템은 이전 연구에서 수행하였던 육상의 제어 시스템을 적용하였다. 설계의 근거로 2 MW급 직접 구동형 풍력 발전기제원은 동적특성을 위해서 제주 월정리 해역에 설치된 풍력발전기 모델의 정보를 근간으로 하였다. 이 풍력 발전기 모델의 구동 자료(Operational data)로부터 HAWC2 제어기 프로그램인 HS2PID를 사용하였다.
- 1에서 해수면(Mean sea level) 위의 영역은 2 MW급 영구자석 직접 구동형 풍력 발전기에 대한 타워와 허브 높이 로터 직경이고, 해수면 아래는 부유식 스파 부이 플랫폼의 잠긴 깊이(Draft), 직경과 밸러스트의 무게와 길이 대하여 나타내었다. 정적 평형(Static equilibrium) 상태를 위하여 바람조건은 풍속이 0 m/s, 파도조건은 파가 없는 잔잔한 물(Still water)에서 0 s-2000 s의 시간동안 계산을 진행하였다. 정적평형상태 위하여 2 MW 영구자석 직접 구동형 풍력발전기의 아래로 작용하는 힘의 무게(Fg), 풍력 발전기의 무게와 계류의 무게(Fm)를 지탱하여 위로 작용하는 부유체 스파 부이 플랫폼의 부력(Fb)을 고려하면서 부유체의 길이와 밸러스트의 무게를 조절하였고 물성치를 Table 1에 제시하였다.
- 정적 평형(Static equilibrium) 상태를 위하여 바람조건은 풍속이 0 m/s, 파도조건은 파가 없는 잔잔한 물(Still water)에서 0 s-2000 s의 시간동안 계산을 진행하였다. 정적평형상태 위하여 2 MW 영구자석 직접 구동형 풍력발전기의 아래로 작용하는 힘의 무게(Fg), 풍력 발전기의 무게와 계류의 무게(Fm)를 지탱하여 위로 작용하는 부유체 스파 부이 플랫폼의 부력(Fb)을 고려하면서 부유체의 길이와 밸러스트의 무게를 조절하였고 물성치를 Table 1에 제시하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 23개의 평균속도(3-25 m/s)를 가지면서 난류 풍속을 구현하기 위하여 Risø에서 만든 난수생성(seed number)번호를 사용하였다. 그리하여 1001부터 1005까지 5개의 번호로 난류 데이터를 생성하였다. 이러한 5개의 1시간 난류데이터가 풍황 하중으로 적용이 되었고 HAWC2로 계산되어진 결과 값이 최대, 최소, 평균, 표준편차로 통계화되었다.
- 본 연구에서는 제주 월정해역에 설치된 2 MW 영구자석 집적 구동형 풍력 발전기 모델을 대상으로 HAWC2를 이용하여 풍력발전기를 모델링 하였고, 하부구조물은 부유체 모델을 적용하였다. 기존의 NREL 5 MW 풍력 발전기를 위해 적용되었던 부유체 스파 부이 모델의 길이와 발라스트를 수정하여 2 MW급 집적 구동형 풍력발전기에 적합한 스파 부이 부유체를 모델화하였다.
데이터처리
- 7은 비 정상파, 난류 장 조건에서 평균 풍속에 따른 2 MW 영구자석 직접 구동형 육상 풍력발전기와 부유식 스파 부이 풍력 발전기의 타워 하단 전후 굽힘 모멘트를 비교한 그림이다. 각각의 최대, 평균, 최소, 표준편차의 값들은 난류 장에서 난수생성 값인 seed number 1001-1005의 난류 데이터를 공수탄성 코드인 HAWC2로 계산하여 통계화한 것이다. 계산 시간은 부유체가 정적 평형을 이루는 250초 후부터 1시간 동안 수행을 하였다.
이론/모형
- 이러한 5개의 1시간 난류데이터가 풍황 하중으로 적용이 되었고 HAWC2로 계산되어진 결과 값이 최대, 최소, 평균, 표준편차로 통계화되었다. 난류 모델은 Mann turbulence 모델을 사용하였다7). Mann turbulence 모델은 테카르트 좌표계 안에서 공간벡터장을 생성한다.
- . 바람과 파도 환경 데이터는 Johannessen13)에 의하여 묘사된 실험적인 모델을 사용하였다. 이 환경 데이터를 근사화하기 위하여 Weibull 분포가 고려되었다.
- Table 2에 2 MW 집적 구동형 부유식 풍력발전기의 모델에 대한 전체 시뮬레이션에서 제어기 부분의 입력 값을 제시하였다. 이 부유식 풍력 발전기에 대한 제어 시스템은 이전 연구에서 수행하였던 육상의 제어 시스템을 적용하였다. 설계의 근거로 2 MW급 직접 구동형 풍력 발전기제원은 동적특성을 위해서 제주 월정리 해역에 설치된 풍력발전기 모델의 정보를 근간으로 하였다.
- 설계의 근거로 2 MW급 직접 구동형 풍력 발전기제원은 동적특성을 위해서 제주 월정리 해역에 설치된 풍력발전기 모델의 정보를 근간으로 하였다. 이 풍력 발전기 모델의 구동 자료(Operational data)로부터 HAWC2 제어기 프로그램인 HS2PID를 사용하였다. H2PID는 풍력발전기의 PI 제어기에 대하여 parameter의 값을 조정하는 프로그램으로서 Table 2에 제시된 발전기 회전력 제어와 날개 피치 제어의 비례제어 게인(kP), 적분 게인(kI), Optimal Cp tracking factor의 값을 조절할 수 있다5).
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