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풍력발전 타워구조물 모니터링 및 자료 공유 플랫폼 설계

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Academic year: 2023

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연구자 홈페이지를 통한 공유 플랫폼 구축 가능성 평가 연구자 홈페이지를 통한 공유 플랫폼 구축 가능성 평가

기술적 측면

경제, 산업적 측면

그러나 석유(석유)나 LNG 가스보다 저렴하고 이미 그리드 패리티에 도달한 것으로 알려져 있다. 현재 육상풍력에 비해 해상풍력의 경우 기초, 해저케이블, 설치 및 공사비, 유지관리비 등으로 에너지 단위당 비용이 높다.

사회, 문화적 측면

ㅇ소규모 공유 및 관련 연구자와의 데이터 공유를 위한 플랫폼 설계 - 연구자 홈페이지를 통한 공유 플랫폼 구축 가능성 검토 국가연구개발사업 운영규정 검토를 통한 연구성과 공유 문제점 분석 - 관련 운영규정 및 연구자 규정의 틀 내에서 공유할 수 있는 소규모 공유 플랫폼 설계

풍력발전 타워구조물 계측 평가 분야

또한 Jung et al.(2015)은 풍력단지 타워구조물은 아니지만 이와 유사한 하중특성을 가지는 해양구조물 상부구조물의 가속도 응답과 하부구조물의 변형률을 분석하였다. 바람 농장 타워 구조의. 응답을 통해 Park et al.(2013)이 제안한 데이터 융합 알고리즘이 동적 변위뿐만 아니라 준정적 변위도 상당히 정확하게 추정할 수 있음을 실험적으로 검증하였다.

그림 2.1 FBG 센서를 이용한 풍력발전 타워의 변형률 및 변위 계측 사례 (Bang et al.,  2012)
그림 2.1 FBG 센서를 이용한 풍력발전 타워의 변형률 및 변위 계측 사례 (Bang et al., 2012)

구축하고 그 결과를 참여 기관에 공유하여 연구를 수행하고 있습니다. 그러나 이 경우에도 일반 수사관의 참여는 매우 제한적이었다.

풍력발전 타워구조물 계측 및 유지관리 기술 수준

한편, Devriendt et al.(2014)은 실제로 해상풍력터빈의 구조 건전성 모니터링과 관련이 있다. 풍력 발전소 타워 구조물에 대한 측정 데이터는 아니지만 미국의 Los Alamos National Laboratory(LANL)의 경우 구조 손상 평가와 관련된 고도의 실험을 수행하고 그 결과를 공유했으며 이후 많은 연구에 사용되었습니다. .

그림 2.6 주풍향 및 주풍향 직각방향에서 얻은 회전속도에 따른 주파수 변화  (Hu 등 2015a)
그림 2.6 주풍향 및 주풍향 직각방향에서 얻은 회전속도에 따른 주파수 변화 (Hu 등 2015a)

풍력발전 타워구조물 현장 계측 결과 미활용

풍력발전용 회전자, 기계, 전기기기 측정기술에 대한 국내 및 국제적으로 많은 특허가 출원/등록되어 있습니다. 해외의 경우 풍력타워 구조물 측정기술에 대한 특허를 찾아볼 수 없고, 이는 국내에서만 드문 상황이다.

그러나 국내 풍력타워 구조물 측정기술 특허는 변위계, 변형률계, 가속도계 등을 중심으로 매우 제한적이며, 그외 건설시 필요한 측정기술은 등록되어 있다. 제3장 풍력타워 구조물에 대한 모니터링 및 측정 평가 기술의 적용.

그림 2.14 RAVE 프로젝트에서 다양한 센서 네트워크를 설치한 바 있는 REpower 5MW  터빈과 Areva 5MW 터빈
그림 2.14 RAVE 프로젝트에서 다양한 센서 네트워크를 설치한 바 있는 REpower 5MW 터빈과 Areva 5MW 터빈

동특성 추정 기법

구조물의 동적 특성을 보다 정확하게 추정하기 위해 적용되는 확률적 부분 공간 식별(SSI) 방법은 응답 데이터 상관 행렬을 요소로 하는 Hankel 블록 행렬의 외부 분해입니다. (SVD(Singular Value Decomposition)) 구조의 고유진동수, 모달 감쇠비 등의 동특성을 평가하는 방법에 따라 SSI-BR(Balanced Realization)과 SSI-CVA(Canonical Variation Analysis)로 나눌 수 있습니다. Hankel 매트릭스 구성 방법(Overschee and De Moor, 1996; Peeters and De Roeck, 1999; Hermans and Van Der Auweraer, 1999; Yi and Yun, 2004). 확률적 부분공간 식별 방법은 기존 문헌을 참고할 수 있으므로 주요 내용을 간략히 요약하면 다음과 같다.

손상추정 기법

국내외 풍력발전 타워의 유지관리 기술 개요

2절 풍력터빈구조모델을 이용한 피해평가. 이러한 결과를 바탕으로 풍력에너지 타워 구조물에 대한 구조 건전성 및 손상 평가 알고리즘의 적용 가능성을 검토하였다.

표 3.2 측정 부위별 응답 및 해석 절차 (GL Renewable Guideline, 2013)
표 3.2 측정 부위별 응답 및 해석 절차 (GL Renewable Guideline, 2013)

실내실험 개요

도면에서 점선은 손상이 없을 때 손상지수 분포에 의해 결정되는 손상지수 허용치의 상한과 하한이며, 이 값은 손상이 있을 때 평균 손상지수를 중심으로 한다. 해가 없습니다. 표준편차의 3배를 고려한 값이다. 신호 기반 손상 추정 방법을 이용한 손상 추정 결과, 진동 응답이 크고 기초 및 주탑 플랜지 손상이 큰 경우 손상 위치가 상대적으로 잘 추정되는 것으로 나타났으나, 진동 응답이 작은 경우 , 손상 정도와 상관없이 일정한 경향을 보였다. 어렵다

그림 3.2 충격실험에 의한 가속도, 변형률 및 경사 응답에 대한 시간이력의 예
그림 3.2 충격실험에 의한 가속도, 변형률 및 경사 응답에 대한 시간이력의 예

소형풍력터빈에 대한 연구 개요

섹션 3 소형 풍력 터빈의 동적 설계 변경. 이러한 연구들은 향후 운전조건이나 전체 시스템의 공진을 고려하여 중소형 풍력발전탑 설계에 중요한 기준선 자료로 여겨진다.

대상 터빈 및 현장실험 개요

가속도 시계열을 보면 충격시험과 정적시험을 통해 자유진동 응답을 얻을 수 있음을 알 수 있다. a) 충격 가진 시험. 로터가 회전할 때 구조 모드에 해당하는 고유진동수와 함께 가진력의 주파수 성분을 동시에 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그림 3.8은 각각의 실험을 통하여 계측된 가속도계 응답 신호와 이들의 PSD 함수를 정 리한  것으로  로터가  회전하지  않는  조건에서  실시한  충격시험과  상시진동시험,  그리고  로터가  회전하는  발전  시  상시진동시험  및  정지시험의  특성을  살펴볼  수  있다
그림 3.8은 각각의 실험을 통하여 계측된 가속도계 응답 신호와 이들의 PSD 함수를 정 리한 것으로 로터가 회전하지 않는 조건에서 실시한 충격시험과 상시진동시험, 그리고 로터가 회전하는 발전 시 상시진동시험 및 정지시험의 특성을 살펴볼 수 있다

실험모드해석

아래의 그림 3.10에서 무발전시 가속 응답에 SSI-CVA 방법을 적용하여 얻은 안정화 다이어그램으로 두 모드에 대해 안정적인 솔루션을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 아래의 그림 3.11은 첫 번째 상태와 두 번째 상태에 대한 상태 형식을 비교한 것입니다. 1차 모드가 캔틸레버 보에서 일반적인 1차 휨 모드의 모드 형상이라면, 2차 모드는 상부 지지 요소가 상대적으로 상부 지지 요소의 영향을 받는 국부 모드의 모드 형상이라고 할 수 있다. 요소가 반영됩니다.

표 3.5 상시진동시험에 의한 고유주파수 분석 결과
표 3.5 상시진동시험에 의한 고유주파수 분석 결과

동적모델 수정 후 풍력터빈 구조물의 동특성 평가

따라서 수치해석 결과를 이용하여 실제 풍력발전탑 내부를 7m 높이까지 콘크리트로 채우도록 계획하였다. 수치해석 결과 풍력터빈 철탑 내부에 콘크리트를 7m 높이까지 채웠다.

그림 3.13 타워 내부 콘크리트 충진 높이에 따른 고유주파수 증가율
그림 3.13 타워 내부 콘크리트 충진 높이에 따른 고유주파수 증가율

소결

실험은 미세진동 측정 조건으로 진행하였다. 수치해석 모델은 모델 업데이트 등을 통해 고유진동수와 측정값이 일치하지 않지만, 수치해석 모델이 강성 변화에 따른 변화 정도를 볼 수 있는 충분한 수준에 있음을 간접적으로 알 수 있다.

장기 모니터링의 목적

따라서 국내 풍력 및 기후조건에 적합한 풍력타워 구조물의 유지보수 기술을 개발하기 위해서는 현재 가동중인 풍력터빈에 대한 응답측정을 통한 실측자료 확보 및 분석이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 제주에서 운영 중인 2MW급 상용 풍력타워 구조물의 대표적인 구조응답인 변형, 피치, 가속도를 장기간에 걸쳐 측정하여 풍력타워 구조물의 동특성 및 거동특성을 분석하였다.

장기 모니터링 개요

계측결과 및 고찰

고유 진동수와 로터 회전 속도 사이의 상관 관계. 평균풍속과 고유진동수의 관계.

표 3.11 고유주파수와 감쇠율 추정 결과
표 3.11 고유주파수와 감쇠율 추정 결과

설문 개요

설문 결과 요약

스터디그룹(기술자, 운영자 등)에게 기술지시를 하는 사람. 본 연구를 통해 풍력타워 구조물에 대한 측정자료를 공유할 수 있는 웹사이트를 구축하였다.

그림 4.1 IRP-Project에서의 기술수준에 따른 공개 범위
그림 4.1 IRP-Project에서의 기술수준에 따른 공개 범위

Gambar

그림 2.4 국제공동연구를 통하여 진도대교에 구축한 바 있는 센서 네트워크 시스템  (https://www.iti.illinois.edu/tech-transfer/technologies/wireless-monitoring-critical-infrastruct
그림 2.6 주풍향 및 주풍향 직각방향에서 얻은 회전속도에 따른 주파수 변화  (Hu 등 2015a)
그림 2.10 LANL에서 수행한 손상 실험
그림 2.14 RAVE 프로젝트에서 다양한 센서 네트워크를 설치한 바 있는 REpower 5MW  터빈과 Areva 5MW 터빈
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Referensi

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