[논문]타워를 포함한 6kW급 수직축 풍력발전기 구조진동해석

김동현; 류경중; 김요한; 김성복; 김광원; 남효우; 이명구

타워를 포함한 6kW급 수직축 풍력발전기 구조진동해석
Structure Dynamic Analysis of 6kW Class Vertical-Axis Wind Turbine with Tower 원문보기

김동현 (경상대학교 기계항공공학부 및 공학연구원) , 류경중 (국립경상대학교 기계항공공학부 대학원) , 김요한 (국립경상대학교 기계항공공학부 대학원) , 김성복 (헵시바(주)) , 김광원 (헵시바(주)) , 남효우 (헵시바(주)) , 이명구 (헵시바(주))

In this study, the design and verification of 6kW class lift-type vertical-axis wind turbine (VAWT) has been conducted using advanced CAE technique based on computational fluid dynamics (CFD), finite element method (FEM), and computational structural dynamics (CSD). Designed aerodynamic performance of the VAWT model is tested using unsteady CFD method. Designed structural safety is also tested through the evaluation of maximum induced stress level and resonance characteristics using FEM and CSD methods. It is importantly shown that the effect of master eccentricity due to rotational inertia needs to be carefully considered to additionally investigate dynamic stress and deformation level of the designed VAWT system.

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문제 정의

본 논문은 지식경제부 기술혁신사업 중 6 kW급 고효율 양력형 수직축 풍력발전기 개발(헵시바(주)와 공동수행) 및 에너지자원인력양성사업의 일환으로 수행되었다.
본 연구에서는 기존의 800 W급 수직축 풍력발전기의 성공적인 개발⁽¹⁾과 축척된 관련 기술을 기반으로 6 kW급 양력형 수직축 풍력발전기를 개발하였다. 이를 위해 기존의 특허등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술⁽²⁾을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다.
Hau⁽³⁾는 수평축과 관련하여 낮은 공력효율, 불리한 공력하중, 블레이드의 높은 가격은 다른 부품을 단순화해서 보상해야 경쟁력이 있다고 설명하고 있다. 본 연구에서는 다년간의 대형 풍력발전기의 정밀해석 연구에서 축적된 전문적인 CAE 해석기술을 활용하여 공력해석 및 구조/진동 해석을 수행하여 운용하중에 대한 안전성을 검증 하였고 현재 실제 크기의 시제품을 제작하여 성능 및 안정성의 검증을 수행하고 있다.
타워 구조물은 옥상 설치형과 필드(Field) 설치형으로 나눠서 설계 되었으며, 필드 설치형의 경우 타워 높이 15 m로 되어있고, 옥상 설치형의 경우 타워 높이 6 m로 되어있다. 본 연구에서는 타워 구조물을 포함한 풍력발전기 모델에 대한 공력 해석 및 구조 진동해석을 수행 하였다.
이를 위해 기존의 특허등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술⁽²⁾을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다. 하지만 본 논문에서는 지면관계상 설계 개선을 거친 최종 모델에 대한 연구내용을 기술 하고자 한다.

제안 방법

특히, 풍력발전기의 경우 블레이드가 회전하는 효과를 반드시 반영하여야 하기 때문에 응력 해석수준에 상세 유한요소모델을 적용하게 되면 해석시간이 방대해져서 설계 변경 안에 대한 진동안전성 결과를 조기에 도출 할 수 없다. 그래서 Fig. 12에서와 같이 상세유한요소모델에 준하는 등가 보 요소를 이용한 진동모델을 구축 하였으며 이를 이용한 진동해석을 수행하였다.⁽⁴⁾
본 연구에서는 6 kW급 수직축 CFD 기법을 이용한 성능해석 및 FEM 기법을 이용한 구조 건전성 해석을 수행하였다. 그리고 회전하는 블레이드의 풍하중, 관성력, 중력이 복합적으로 작용하는 하중조건을 모두 고려하였으며, 실제 실험이 불가능한 극한 풍하중 조건에 대해서는 정밀해석 결과로 설계 시스템의 안전성을 검토하였다. 정격 회전수 300 RPM 수준까지 진동안전성을 확보하였다.
회전하는 블레이드는 바람이 불어오는 방향에 대해 항상 방위각이 변하기 때문에 비정상유동해석이 반드시 요구된다. 다양한 유동조건에 대해 해석이 수행되었으며, 각 블레이드에 유발되는 최대 하중을 산출하여 적용하였다. Fig.
등가 보 모델을 제외한 허브 및 조인트 등의 주요 파트에 대해서는 집중질량으로 모델링하였다. Fig.
본 개발과제에서 개발된 풍력발전기는 크게 허브와 블레이드를 합한 상부 구조물, 전기 발전기와 연결조인트의 중간 구조물, 풍력발전기 타워와 베이스 프레임의 하부구조물로 나누어진다. Fig.
본 모델은 수직축 풍력 발전기의 분류상 자이로밀형(gyromill type)으로 수직으로 체결된 에어포일단면의 블레이드가 풍향에 대하여 자동적으로 최적의 받음각(angle of attack)을 얻는 구조를 갖는다. 다른 형태의 수직축 발전기인 다리우스형(darrieus type)이나 사보니우스형(savonius type)보다 구조적으로 복잡하여 설계하기가 힘든 단점이 있지만 효율이 높은 것이 특징이다.
본 모델의 경계조건은 블레이드와 블레이드 고정 구조물 사이에는 면 접촉을 가지는 glue 조건을 부여하였으며, 블레이드 고정 구조물과 블레이드 암 결합은 bolt 체결구조로써 블레이드 암 끝단과 블레이드 고정 구조물 체결부만을 선택하여 fixed 조건을 사용하였다. 전기발전기와 타워 상단부 역시 fixed 조건을 사용하였다.
본 연구에서는 6 kW급 수직축 CFD 기법을 이용한 성능해석 및 FEM 기법을 이용한 구조 건전성 해석을 수행하였다. 그리고 회전하는 블레이드의 풍하중, 관성력, 중력이 복합적으로 작용하는 하중조건을 모두 고려하였으며, 실제 실험이 불가능한 극한 풍하중 조건에 대해서는 정밀해석 결과로 설계 시스템의 안전성을 검토하였다.
각 블레이드에 작용하는 하중은 블레이드의 방위각에 따라 회전속도와 풍속의 합 벡터 차이로 인한 상대 받음각 변화 때문에 방위각에 따라 변화하게 된다. 본 연구에서는 각 블레이드에 작용하는 하중을 방위각에 따라 구한 후 최대 하중이 되는 조건들을 구하여 구조해석에 반영하였다.
본 연구에서는 정밀 CFD 유동해석 기법을 적용하여 다양한 모델에 대해 TSR 변화에 따른 파워계수 최적화 연구를 수행하였으며, Fig. 4는 이번 연구에서 사용된 TSR에 따른 출력계수 비교 예를 보여주고 있다.
유동해석 조건은 3개의 블레이드에 x-축 방향으로 극한 풍속(ultimate speed) 25 m/s를 부여하였고, 로터 블레이드의 회전속도는 정격 회전속도(rated rotation speed)보다 높은 300 rpm을 고려하였다. 블레이드와 블레이드 유동영역간의 상대운동을 비정상 공력해석에 반영하기 위해서 MRF(multiple rotating reference frames)조건을 이용하여 회전조건을 적용하였다. Fig.
유동해석에서 구한 공력하중을 3 개의 블레이드에 모두 적용하였고, 중력 효과를 고려하기 위해 구조물 전체에 9.81 m/s²의 가속도를 부가하였다.
과 축척된 관련 기술을 기반으로 6 kW급 양력형 수직축 풍력발전기를 개발하였다. 이를 위해 기존의 특허등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술⁽²⁾을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다. 하지만 본 논문에서는 지면관계상 설계 개선을 거친 최종 모델에 대한 연구내용을 기술 하고자 한다.
10은 구조해석에 적용된 하중조건으로 풍력발전기 운용 중 회전에 따른 관성력, 구조물 자체의 자중, 바람에 의한 풍하중의 복합적인 하중이 작용하는 것을 나타내었다. 이와 같은 하중을 장기간에 걸쳐 반복적으로 지지해야 하며, 이로 인한 풍력발전기가 작동 중 나타낼 수 있는 구조적 불안정성을 차단하기 위하여 사전에 진동해석 및 구조 해석을 수행하였다. 유동해석에서 구한 공력하중을 3 개의 블레이드에 모두 적용하였고, 중력 효과를 고려하기 위해 구조물 전체에 9.
추가 해석으로 Fig. 15와 같이 마스트 끝단에서의 변위가 3 cm 발생하도록 편심도 0.57°를 적용하여 수행 하였으며 Campbell Chart에서 표시된 공진 가능영역으로 판단된 교차점 부근인 50, 108, 120, 150, 200, 250, 300 RPM에 대하여 수행 하였으며, 이에 대한 해석결과 값은 Fig. 16과 같다.
풍력발전기 모델에서 마스트는 1차원 beam 요소를 사용하였으며, 블레이드와 블레이드 고정 구조물및 타워와 같이 일정한 두께를 가지는 부분은 4질점 shell 요소를 사용하였다. 유한요소모델링에 사용된총 질점(node) 수는 266,834 개 이며, 총 요소(element) 수는 277,887 개 이다.

대상 데이터

로터 블레이드 모델의 유한요소 격자는 Fig. 5와 같으며, 활용된 총 격자수는 49,784 개이며, 총 노드의 수는 50,138 개 이다. 유동해석 조건은 3개의 블레이드에 x-축 방향으로 극한 풍속(ultimate speed) 25 m/s를 부여하였고, 로터 블레이드의 회전속도는 정격 회전속도(rated rotation speed)보다 높은 300 rpm을 고려하였다.

성능/효과

3의 안전여유를 가지고 있다. 그리고 블레이드-암 조인트는 177.0 MPa, 암은 49.0 MPa로 충분한 안전여유를 확보하고 있음을 알 수 있었다.
13에서는 고유진동수가 증가함에 따라 반복되는 모드를 제외한 대표적인 모드들을 나타내고 있다. 이를 토대로 Fig. 14와 같이 회전효과에 따른 전체 구조물의 Campbell Chart를 도출 하였으며, 풍력발전기가 108 RPM으로 회전 시 1차 고유모드가 발생할수 있음을 확인하였다. 또한 이를 통하여 추가적인 공진 회피설계로 이 부근에서는 제어기 설계로 지속적인 작동이 되지 않도록 약간의 조치가 필요함을 확인하였다.
11(b)은 풍력발전기의 주요 부분에 대한 응력해석 결과 값의 예를 보여주고 있다. 해석결과 일체형 암-허브 구조, 블레이드-암 체결부, 블레이드 등 각 부위에서 발생한 응력 모두 각 재질에 따른 허용응력보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었으며, 이 해석결과를 토대로 각재질의 허용응력과 비교하여 M.S(Margin of Safety)를 계산하였다. 블레이드의 경우 해석결과 188.

후속연구

17에서는 6 kW급 수직축 풍력발전기의 최종 조립형상을 보여주고 있다. 현재 설치된 모델에 대해서 제품으로서의 신뢰성을 확보하기 위하여 장기간의 성능평가기간을 가질 예정이며, 이 성능평가 기간 중에 발생할 수 있는 여러상황에 대하여 조치와 구조개선 등을 통하여 보다 안정적이고 고성능의 제품을 개발 할 계획이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

세계적으로 풍력발전시스템의 상업적 보급은 언제 본격적으로 이루어지게 되었는가?

세계적으로 풍력발전시스템의 상업적 보급은 1990년대 중반 이후 본격적으로 이루어지게 되었고, 2008년 말 세계 누적 풍력설비용량은 대략 122 GW 에 달하고 있다. 풍력시장의 확대와 함께 유사한 추이로 상업용 풍력발전시스템의 단위 용량 규모도 1980년대 초의 50 kW급에서 현재 6 MW급으로 120배 커졌다.

풍력발전기를 회전축 방향에 따라 분류한 것 중 수직축 풍력터빈이 요잉 장치가 불필요한 이유는?

1과 같이 수평축과 수직축으로 나눌 수 있다. 수직축 풍력터빈(VAWT, vertical-axis wind turbine)은 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하기 때문에 요잉(yawing) 장치가 불필요한 장점이 있다.

2008년 말 세계 누적 풍력설비용량은 어느 정도에 달하고 있는가?

세계적으로 풍력발전시스템의 상업적 보급은 1990년대 중반 이후 본격적으로 이루어지게 되었고, 2008년 말 세계 누적 풍력설비용량은 대략 122 GW 에 달하고 있다. 풍력시장의 확대와 함께 유사한 추이로 상업용 풍력발전시스템의 단위 용량 규모도 1980년대 초의 50 kW급에서 현재 6 MW급으로 120배 커졌다.

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