Fatigue Analysis of a 12MW Floating Offshore Wind Turbine Blade

12MW 해상 부유식 풍력 터빈 블레이드의 피로 해석. 본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 지원 연구과제입니다. (주제 키워드: 부유식 해상풍력발전기, 피로해석, 강우주기수) , 마르코프 행렬, 등가 피로 하중.

서 론

연구 배경

해상풍력의 장점은 다음과 같다. 부유식 해상풍력터빈의 경우 설치, 분해, 운반이 비교적 용이하다. 원통형 구조물은 일반적으로 심해에 설치되는 길고 속이 빈 구조물로 큰 부표처럼 보입니다.

Fig. 2 MHI Vestas V164-9.5MW Offshore Wind Turbine [2]

관련 연구 현황

• 대형 풍력발전기 및 부유식 해상풍력발전기 관련 연구
• 풍력발전기의 피로해석 관련 연구

연구 목적

상부구조물 설계

• 날개 제원
• 허브/나셀 제원
• 타워 제원
• 제어기 설계

12MW급 풍력발전기의 블레이드 길이는 기하학적 유사성의 법칙을 이용하여 연장되었다. 12MW급 풍력 터빈 블레이드의 재료 특성은 5MW급 풍력 터빈 블레이드의 편향 비율을 고려합니다. CFRP로 확장된 12MW 풍력 터빈 블레이드의 고유 진동수와 모드 형상은 NREL의 모드[16]를 사용하여 계산되었습니다.

본 논문에서는 블레이드 요소 모멘트 이론을 적용하여 풍력 터빈에 작용하는 공기역학적 힘을 계산한다. 12MW 해상 부유식 풍력 터빈의 블레이드는 경간 방향으로 17개의 요소로 나누어 계산되었습니다. RNodes'는 회전 중심에서 각 블레이드 요소(노드) 중심까지의 거리이므로 식 (2-2)에서 구한 유사율을 5MW급 풍력발전기의 RNode에 적용하여 계산하였다.

12MW 풍력 터빈의 블레이드 단면은 5MW 풍력 터빈의 블레이드 단면과 동일했습니다. 12MW급 풍력발전기에 사용되는 허브와 나셀의 사양은 Table 6과 같다. 일반적으로 풍력발전기 제어기는 발전기 토크 제어기와 블레이드 피치 제어기로 구분된다.

본 논문의 컨트롤러는 5MW급 풍력터빈의 컨트롤러를 수정하여 적용하였다(표 9). 해상에 떠 있는 풍력 터빈에서는 음의 감쇠가 발생합니다. 네거티브 댐핑 현상은 바다에 떠 있는 해상풍력발전기가 파도에 의해 앞으로 밀려나는 현상이다.

Fig. 5 Extrapolated 12MW Wind Turbine

하부구조물 설계

부유체 설계

• 부유체 제원
• 복원성 검증

안정성은 부유식 해상 풍력 터빈의 안정성을 결정하는 중요한 기준 중 하나입니다. 블레이드는 풍력 터빈의 가장 중요한 부분입니다. 16은 12MW 부유식 해상풍력터빈의 블레이드 피로해석 절차를 나타낸다.

12MW 부유식 해상 풍력 터빈의 계획 수명은 20년입니다. 그림 18은 12MW 부유식 해상 풍력 터빈의 설계 부하 상태 시나리오를 보여줍니다. 21은 5MW 풍력 터빈 블레이드의 에지 모멘트와 플랩 모멘트를 마르코프 행렬로 보여줍니다.

따라서, 주기빈도가 높은 지역에 비해 주기빈도가 낮더라도 주로 주기빈도가 높은 지역에서 주요 피로손상이 발생할 것을 예측할 수 있다. 따라서 Table 16은 5MW급 풍력발전기 블레이드의 블레이드 모멘트와 플래핑 모멘트의 등가피로하중을 나타낸다. Table 17은 12MW급 해상풍력터빈의 플로팅 블레이드의 에지모멘트와 플랩핑 모멘트의 등가피로하중을 나타낸다.

12MW 부유 블레이드 해상풍력터빈의 에지 모멘트와 플랩 모멘트에 대한 피로해석을 수행하였다.

Fig. 13 CATIA Modeling of the Floating Platform

계류시스템 설계

블레이드의 피로해석

• Fatigue Analysis Conditions
• Wave Condition
• Wind Condition
• Capacity Factor
• Analysis Loads
• Cycle Counting Method
• Peak and Valley
• Toplevel-up Cycle Counting
• Markov Matrix
• Equivalent Fatigue Load
• Result

최근 풍력발전기의 대형화에 따라 블레이드의 길이와 무게뿐만 아니라 블레이드에 작용하는 하중도 기하급수적으로 증가하고 있다. 피로하중 조건을 수행함에 따라 풍력발전기가 발전하는 조건인 DLC1.2와 발전하지 않고 풍력발전기가 정지되는 DLC6.4를 선택하였다. 12MW급 부유식 해상풍력발전기가 발전하는 구간의 풍속인 컷인(Cut-in)과 컷아웃(Cut-out) 사이에서 전력을 생산할 경우 가동률은 약 60%에 이른다.

그러나 풍력발전기는 전력을 생산하는 풍속 범위에서도 구조적 결함이나 외부 영향으로 인해 전력 생산이 어려울 수 있다. 풍력 터빈 블레이드에 작용하는 하중은 변위와 평균 하중이 연속적이고 불규칙하게 변하는 무작위 하중입니다. 이 방법은 일반적으로 풍력 터빈의 피로 해석에 사용되며 많은 연구자들에 의해 다양한 알고리즘이 제안되었습니다.

도 23은 5MW 풍력 터빈 블레이드의 에지방향 모멘트 및 플랩방향 모멘트의 마르코프 행렬의 대수 규모 다이어그램이다. 또한, 에지모멘트에서 가장 높은 주기주파수를 갖는 영역이 5MW급 풍력발전기 블레이드의 1차 질량관성모멘트 부근에서 발생함을 확인하였다. 풍력발전기 빔 모델로부터 계산된 목표 시험하중은 12주기 수준이므로 피로시험은 12주기 수준까지 가속되어야 수개월 내에 완료될 수 있다.

27은 12MW 부유식 해상 풍력 터빈 블레이드의 에지 방향 모멘트와 플랩 방향 모멘트를 마르코프 행렬과 로그 눈금으로 보여줍니다. 5MW 풍력발전기의 결과와 유사한 경향을 보이나, 대체로 범위, 평균값, 주기가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 5MW급 풍력터빈과 마찬가지로 12MW급 부유식 해상풍력터빈의 블레이드의 1차 질량 관성모멘트 근처에서 에지 모멘트의 사이클 주파수가 가장 높은 범위가 발생하는 것을 확인하였다.

Table 13 Design Load Cases for Fatigue Load Analysis

결론

5] Statoil, "Hywind Scotland Pilot Part", cited November 28, 2017, URL: http://www.statoil.com/en/TechnologyInnovation/NewEnergy/RenewablePowerProduction/Offshore/HywindScotland/Pages/default.aspx?redirectSho rtUrl=http %3a%2f%2fwww.statoil.com%2fHywindScotland. Mandell, 1998, “Fatigue of Composite Beam Elements Representative of Wind Turbine Blade Substructure”, NREL/SR-500-24379. C et al. Comparison of fatigue life estimates of composite wind turbine blades using different fatigue analysis tools", Proceedings of 20th International Conference on Composite Materials.