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문제 정의
- 본 연구에서는 유리/에폭시 복합재료를 적용하여 경량화 수직축 풍력 발전 시스템 블레이드 설계 및 제작 연구를 수행하였다[12]. 또한 설계된 풍력 발전 시스템을 지지하는 타워 구조의 구조 설계 연구를 함께 수행하였다. 대상 구조물은 소형 3 kW급 수직축 풍력 발전시스템을 지지하는 타워이다.
- 본 연구를 통해서 유리섬유/에폭시 복합재료를 적용하여 수직축 풍력 발전 시스템 블레이드 구조 설계를 수행하였다. 또한 수직축 풍력 발전 시스템의 타워 지지 구조에 대한 구조 설계 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서 복합재 풍력 발전 블레이드 시스템을 지지하는 타워 구조 설계를 수행하였다. 풍력 발전 타워를 설계하기 위해서 타워에 작용하는 구조 설계 하중을 정의해야 한다.
- 선행 연구 분석 결과 풍력 발전 시스템의 블레이드 연구는 다양하게 수행되고 있으나, 소형급 블레이드가 개발되었을 때 이를 지지하는 타워의 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 유리/에폭시 복합재료를 적용하여 경량화 수직축 풍력 발전 시스템 블레이드 설계 및 제작 연구를 수행하였다[12]. 또한 설계된 풍력 발전 시스템을 지지하는 타워 구조의 구조 설계 연구를 함께 수행하였다.
제안 방법
- Table 1은 세부 설계 사양을 보여주고 있다. 공력 설계 요구 조건을 분석하여 형상 설계를 수행하였다. 공력 설계는 로터의 회전에 의해 형성되는 회전 체적을 검사체적으로 가정하고 높이 방향과 원주 방향으로 발생 되는 바람 방향에 평행한 유관으로 이루어진 것으로 가정하는 방법인 다중 유관 이론을 바탕으로 설계를 수행하였다.
- 공력 설계 요구 조건을 분석하여 형상 설계를 수행하였다. 공력 설계는 로터의 회전에 의해 형성되는 회전 체적을 검사체적으로 가정하고 높이 방향과 원주 방향으로 발생 되는 바람 방향에 평행한 유관으로 이루어진 것으로 가정하는 방법인 다중 유관 이론을 바탕으로 설계를 수행하였다. 최종 공력 형상 설계 결과는 높이 4 m, 블레이드 회전 반지름 1.
- 본 연구에서는 타워의 다양한 하중을 분석한 후 구조 설계를 진행하였다. 구조 설계 결과는 구조 해석을 수행하여 안전성을 평가하였다. 최종 타워의 구조 설계 결과에 대한 구조 해석을 통해 운용 중 구조 안전성 여부를 검토한 결과 충분히 만족함을 확인하였다.
- 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 평가를 위해 유한 요소 해석 모델링을 수행하였다. Fig.
- 1로서 좌굴 안정성이 분석되었다. 그러나 풍력 블레이드 설계 및 해석에 대한 국제 표준 규정 IEC 61400-2 규정에 의거하면, 극한 하중 해석 조건에서 최소 하중안전계수 1.1, 재료안전계수 1.35로 최소한 1.458의 안전율을 가지고 있어야 하므로, 설계 결과를 수정하여 좌굴 하중 배수 1.5를 만족하도록 설계하였다. Fig.
- 는 스트러트 면적이다. 나셀과 발전기 및 블레이드의 무게에 의해 발생하는 총 무게는 FN으로 계산하였다. Table 5에 계산된 하중을 명시하였다.
- 유리섬유가 스킨과 스파 플렌지에 해당하는 부위에 적용되었다. 내부는 폴리우레탄 폼이 적용되어 전체적으로 샌드위치 복합재 구조로 설계하였다. 블레이드는 총 3개가 적용되며, 타워와 연결부위는 3개의 스트러트(strut)로 지지되는 구조이다.
- 초기 설계 결과에 대한 구조 해석을 수행하여 연결 부위 스트러트가 불안전한 구조인 것으로 검토되었다. 따라서 연결부위를 보강하여 구조 설계를 변경하였다. 2차 구조 해석을 통한 응력 해석 결과 블레이드 최대 응력은 43.
- 위의 식을 활용하여 회전 날개의 미소길이 ds에 작용하는 미소 양력 dL과 미소항력 dD 벡터의 합으로 로터의 회전방향인 미소 접선력 dT와 미소 수직력 dN으로 나눌 수 있고 동적 압력 q를 적용하여 다음 식으로 양력, 항력을 표현할 수 있다. 미소 단면적 ds에 작용하는 하중인 dN과 dT를 회전날개 전체에 발생하는 하중으로 구하기 위해 거리에 대해 적분하여 등분포 하중을 구하고 이를 구조 설계 하중으로 활용하였다[13].
- 본 연구를 통해서 유리섬유/에폭시 복합재료를 적용하여 수직축 풍력 발전 시스템 블레이드 구조 설계를 수행하였다. 또한 수직축 풍력 발전 시스템의 타워 지지 구조에 대한 구조 설계 연구를 수행하였다.
- 황병선 등은 국산 중형 및 대형급 수평축 풍력 발전기 블레이드를 위한 복합재료 및 제조방법의 고찰에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 재료 및 제품 제작에 필요한 고려사항을 문헌을 통하여 분석하였고 이미 개발 경험이 있는 수직축 블레이드의 예를 들어 비교하였다[5].
- 국외 연구 동향을 살펴보면, 2014년에 Yao Hsu 등이 풍력 터빈 타워의 신뢰성 해석에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 풍속과 관계된 타워의 하중을 분석하여 타워 모델을 제시하였다[6]. 정성문 등은 5MW급 풍력 발전 타워의 구조 모델링 연구를 수행하였다[7].
- 운용 중에 타워가 받는 하중은 블레이드의 회전에 의해 발생하는 공기력과 바람에 의한 공기력을 고려할 수 있다. 본 연구에서는 타워의 다양한 하중을 분석한 후 구조 설계를 진행하였다. 구조 설계 결과는 구조 해석을 수행하여 안전성을 평가하였다.
- 대상 구조물은 소형 3 kW급 수직축 풍력 발전시스템을 지지하는 타워이다. 블레이드의 회전 거동을 고려하여 타워 설계 요구 조건 정립 후 구조 설계를 수행하였다. 설계 결과는 구조 해석을 통해 안전성을 검토하였다.
- 블레이드의 회전 거동을 고려하여 타워 설계 요구 조건 정립 후 구조 설계를 수행하였다. 설계 결과는 구조 해석을 통해 안전성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 선택된 유리 섬유와 에폭시 수지를 적용한 시편을 제작한 후 시편 시험을 통해 기계적 물성치를 획득하였다[14]. 시편 제작은 블레이드 제작과 동일한 조건을 유지하여 상온 경화 상태로 제작하여 총 5개의 시편을 획득한 후 인장, 압축, 전단 시험 등을 수행하였다. 최종 분석된 시편의 기계적 물성치를 활용하여 구조 설계를 수행하였다.
- 타워 구조물은 긴 원통형 구조 형상이며 장착된 블레이드는 회전하는 구조물이므로 회전에 의한 공진 가능성을 검토해야 한다. 이를 위해 타워의 고유 진동수 해석을 수행하였다. 고유 진동수 해석 결과 주요 모드인 1차부터 3차까지 진동수를 분석하였다.
- 시편 제작은 블레이드 제작과 동일한 조건을 유지하여 상온 경화 상태로 제작하여 총 5개의 시편을 획득한 후 인장, 압축, 전단 시험 등을 수행하였다. 최종 분석된 시편의 기계적 물성치를 활용하여 구조 설계를 수행하였다. Table 3은 시편 시험을 통해 획득된 기계적 물성치를 보여주고 있다.
- 총 요소수는 23,077개의 요소가 적용되었다. 타워 하단부에 고정 경계 조건을 적용하고, 블레이드 및 스트러트에 의해 발생하는 하중, 타워 전체 바람에 의한 분포 하중, 나셀 등의 무게가 적용되었다.
- 풍력 블레이드는 공력 설계 결과를 분석하여 구조 설계하중을 산출하였으며, 스킨-스파-폼 샌드위치 복합재 구조를 채택하여 설계하였다. 최종 구조 설계 결과는 유한 요소구조 해석을 수행하여 구조 안전성을 검토한 결과 충분히 안전한 구조 설계 결과인 것으로 분석되었다.
대상 데이터
- 또한 설계된 풍력 발전 시스템을 지지하는 타워 구조의 구조 설계 연구를 함께 수행하였다. 대상 구조물은 소형 3 kW급 수직축 풍력 발전시스템을 지지하는 타워이다. 블레이드의 회전 거동을 고려하여 타워 설계 요구 조건 정립 후 구조 설계를 수행하였다.
- 수직축 풍력 발전 시스템 블레이드 설계 방안은 선행 연구를 통해 제시하였다[12]. 본 연구 대상 풍력 발전 시스템의 사양은 3 kW 급이며, 정격 풍속은 국내 지형에 알맞은 12 m/s이다. 적용된 블레이드 에어포일은 NACA0018을 채택하였다.
- 본 연구에서 타워의 구조 설계 하중을 분석하여 최종 설계된 타워는 제작성을 고려하여 2단으로 분리하여 상단부 2 m, 하단부 4 m로 설계 되었으며, 적용된 재료는 철강 구조물로 적용되었다.
- 재료가 적용되었다. 본 연구에서는 선택된 유리 섬유와 에폭시 수지를 적용한 시편을 제작한 후 시편 시험을 통해 기계적 물성치를 획득하였다[14]. 시편 제작은 블레이드 제작과 동일한 조건을 유지하여 상온 경화 상태로 제작하여 총 5개의 시편을 획득한 후 인장, 압축, 전단 시험 등을 수행하였다.
- 블레이드 구조 형상은 항공기 날개의 스킨-스파 형상을 채택하였다[15]. 유리섬유가 스킨과 스파 플렌지에 해당하는 부위에 적용되었다.
- 본 연구 대상 풍력 발전 시스템의 사양은 3 kW 급이며, 정격 풍속은 국내 지형에 알맞은 12 m/s이다. 적용된 블레이드 에어포일은 NACA0018을 채택하였다. 수직축 블레이드의 개수는 통상 3~4개를 적용하는데, 본 연구에서는 3개로 확정하였다.
- 5는 유한 요소 해석을 위한 타워의 모델링 형상이다. 총 요소수는 23,077개의 요소가 적용되었다. 타워 하단부에 고정 경계 조건을 적용하고, 블레이드 및 스트러트에 의해 발생하는 하중, 타워 전체 바람에 의한 분포 하중, 나셀 등의 무게가 적용되었다.
- 공력 설계는 로터의 회전에 의해 형성되는 회전 체적을 검사체적으로 가정하고 높이 방향과 원주 방향으로 발생 되는 바람 방향에 평행한 유관으로 이루어진 것으로 가정하는 방법인 다중 유관 이론을 바탕으로 설계를 수행하였다. 최종 공력 형상 설계 결과는 높이 4 m, 블레이드 회전 반지름 1.5 m, 블레이드 코드 200 mm로 설계되었다. Fig.
데이터처리
- 3 Hz로 분석되었다. 블레이드의 주요 회전수에서 회전에 의한 공진 가능성을 검토하기 위해 Campbell 선도를 통해 결과를 분석하였다. 대표적인 rpm인 300 rpm에서 충분히 공진 가능성에 대해 안전한 것으로 확인하였다.
이론/모형
- 구조 설계 결과에 대한 안전성 검증을 위해 유한 요소 해석 기법을 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 초기 설계 결과에 대한 구조 해석을 수행하여 연결 부위 스트러트가 불안전한 구조인 것으로 검토되었다.
성능/효과
- 따라서 연결부위를 보강하여 구조 설계를 변경하였다. 2차 구조 해석을 통한 응력 해석 결과 블레이드 최대 응력은 43.8 MPa인 것으로 검토되었다. 스트러트의 최대 응력 분포는 74.
- 구조 설계 조건 1인 정상 작동 시 타워가 받는 하중 하에서 구조 해석 결과 응력은 14.1 MPa로 확인되었으며, 타워에서 발생하는 변위는 12.9 mm로 확인되었다. Fig.
- 구조 설계 조건 2인 폭풍시 정지하였을 때 타워가 받는 하중 하에서 구조 해석 결과 응력은 50.9 MPa로 확인되었으며, 타워에서 발생하는 변위는 43 mm로 확인되었다. Fig.
- 블레이드의 주요 회전수에서 회전에 의한 공진 가능성을 검토하기 위해 Campbell 선도를 통해 결과를 분석하였다. 대표적인 rpm인 300 rpm에서 충분히 공진 가능성에 대해 안전한 것으로 확인하였다. 운용 rpm은 Fig.
- 본 연구에서 수직축 풍력 발전 시스템 지지 타워에 대한구조 해석 결과 구조 설계 하중 기준 2가지 경우 모두 안전한 것으로 확인되어, 설계 결과가 충분히 타당한 것으로 검토되었다.
- 6, 7에 응력 해석 결과와 변위 해석 결과를 명시하였다. 좌굴 해석 결과는 좌굴 하중 안전율 19로서 좌굴 하중에도 충분히 안전한 것으로 확인되었다. Fig.
- 9, 10에 응력 해석 결과와 변위 해석 결과를 명시하였다. 좌굴 해석 결과는 좌굴 하중 안전율 9로서 충분히 안전한 것으로 확인되었다. Fig.
- 구조 설계 결과에 대한 안전성 검증을 위해 유한 요소 해석 기법을 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 초기 설계 결과에 대한 구조 해석을 수행하여 연결 부위 스트러트가 불안전한 구조인 것으로 검토되었다. 따라서 연결부위를 보강하여 구조 설계를 변경하였다.
- 풍력 블레이드는 공력 설계 결과를 분석하여 구조 설계하중을 산출하였으며, 스킨-스파-폼 샌드위치 복합재 구조를 채택하여 설계하였다. 최종 구조 설계 결과는 유한 요소구조 해석을 수행하여 구조 안전성을 검토한 결과 충분히 안전한 구조 설계 결과인 것으로 분석되었다.
- 구조 설계 결과는 구조 해석을 수행하여 안전성을 평가하였다. 최종 타워의 구조 설계 결과에 대한 구조 해석을 통해 운용 중 구조 안전성 여부를 검토한 결과 충분히 만족함을 확인하였다.
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