논문 Original Paper DOI: http://dx.doi.org/0.5293/kfma.203.6.3.005 ISSN (Print): 2287-9706 타워강성효과를고려한소형수직축풍력발전기운전진동실험및해석 추헌호ㆍ심재박 * ㆍ오민우 * ㆍ김동현 *) **2) Operational Vibration Experiment and Analysis of a Small Vertical-Axis Wind Turbine Considering the Effect of a Tower Stiffness Heon-Ho Choo *, Jae-Park Sim *, Min-Woo Oh *, Dong-Hyun Kim ** Key Words : Vertical-Axis Wind Turbine( 수직축풍력발전기 ), Vibration Experiment( 진동실험 ), P3 Strain Indicator(P3 스트레인측정기 ), Lab-VIEW System( 랩뷰시스템 ), Computational Structural Dynamics( 전산구조동역학 ) ABSTRACT In this study, operational vibration experiment and analysis have been conducted for the -blade small vertical-axis wind turbine (VAWT) including the effect of tower elastic behavior. Computational structural dynamics analysis method is applied to obtain Campbell diagram for the VAWT with elastic tower. An open type wind-tunnel is used to change and keep the wind velocity during the ground test. Equivalent elastic tower is used to support the VAWT so that the effect of elastic stiffness of the tower can be considered in the present vibration experiment. Various excitation conditions with wind loads are considered and the dominant operating vibration phenomena are physically investigated in detail.. 서론현재세계적으로나타나고있는지구온난화등의이상기상현상에대한우려속에가장실용적인대안으로인정받고있는분야는풍력발전이다. 화석연료와같이기존에너지원과는다르게, 무한무공해에너지인바람을동력원으로한다는장점을가지고있다. 독일등유럽선진국을선두로발전하고있는풍력발전사업은미국의환경친화적인그린뉴딜정책과맞물린유망사업으로부각되어연구와개발이더욱더활발히이루어지고있는실정이다. 국내에서도이러한흐름에맞춰저탄소녹색성장정책등풍력발전에대한개발과지원이국가차원에서진행되고있으며, 풍력발전기에대한연구개발중에서대기업을중심으로한대형풍력발전분야또한급성장하고있다. () 풍력발전시스템의상업적보급은 990 년대중반이후본격적으로이루어지게되었고, 2008 년말세계누적풍력설 비용량은대략 22 GW 에달하고있다. 풍력시장의확대와함께유사한추이로상업용풍력발전시스템의단위용량규모도 980 년대초의 50 kw 급에서현재 6 MW 급으로 20 배커졌다. 이러한국제시장의확대와신규설비교체수요에따른리파워링 (repowering), 해상용풍력발전 (offshore wind power) 설비가증가할것이라는예측과함께풍력발전기의개발형태도다양해지고있다. 풍력발전기가점점대형화됨에따라이를제작하는비용도급격히증가하고있는상황이다. 어떻게저비용고성능풍력발전기를제작할수있을지에대한고민은모든풍력발전기를개발하는모든국가, 기업들의숙제와같다. 그리고국내의경우, 풍력발전기를실제성능테스트검증을통해시행착오를겪으면서설계제작할수있는연구비가충분하지않다. 이에최대한적은시행착오를겪기위해서 FEM 해석의정확성은확실히검증되어야한다. 본논문에서는풍력발전기용타워를소형풍력발전기에체 * 국립경상대학교기계항공공학부대학원 (Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ** 국립경상대학교항공우주시스템공학과및그린에너지융합연구소 (Dept. of Aerospace and System Engineering, Research Institute for Green Energy, Gyeongsang National University) 교신저자 (Corresponding Author), E-mail : dhk@gnu.ac.kr The KSFM Journal of Fluid Machinery: Vol. 6, No. 3, April, 203, pp.05~09(received 7 Aug. 202; revised 2 Apr. 203; accepted for publication 2 Apr. 203) 한국유체기계학회논문집 : 제 6 권, 제 3 호, pp.05~0, 203( 논문접수일자 : 202.08.07, 논문수정일자 : 203.0.02, 심사완료일자 : 203.0.2) 5
추헌호ㆍ심재박ㆍ오민우ㆍ김동현 결한후지상풍동베이스에설치하고송풍기를이용하여가진응답실험을수행하였다. FEM 진동해석결과를바탕으로공진 RPM 에서의가속도와변형률을분석하고전산다물체동역학해석결과와비교하였다. 본연구에서사용한소형풍력발전기모델은본연구실에서직접설계및제작한것으로 개의블레이드를가지는 50 W급모델이다. 수직축풍력발전기에대한가속성능시험은차량장착시험시스템 (vehicle mounted testing system) 을이용하여수행한사례가있다. (2) 압출금형을통해만들어진 개의알루미늄블레이드를이용해풍속 3 m/s 에서출력을발생한다. 그리고 50 m/s 의풍속까지견딜수있도록설계되었으며, 외부컨트롤러를통해정격출력이상의전력이발생시, 전력을가감 (regulation) 시키고전기적으로부하를발생시켜 (electronic torque control) 전기식브레이크개념으로블레이드의회전을통제한다. 출력전압은직류 2 V로나와축전지 (battery bank) 를충전하도록하였다. 풍력발전기의제원을간단히설명하자면, 블레이드길이. m, 로터직경이. m, 무게 0.2 kg, 컷인풍속 (cut-in speed) 3 m/s, 정격풍속 (regulated speed) 2 m/s 이며 00 W급전기발전기를사용하였다. 그래프를보면정격풍속인 2 m/s 에서평균적으로 50 W가도출하는것을볼수있다. 본논문에서는탄성타워효과를고려하였고, 개방형풍동의풍속을변화시켜다양한풍하중으로가진조건을부가하였다. 진동해석은유한요소법기반의다물체동역학기법을적용하였으며, 캠벨차트 (Campbell chart) 의이론적인공진특성과공기역학적인가진특성을고려한진동응답특성을파악해보고자한다. (a) CATIA model 2. 해석및실험기법 2. FEM 기법 (b) FEM model FEM 기법으로상용구조해석프로그램을활용하여진동해석 (vibration analysis) 을수행하였다. Fig. (a) 은 3D CAD 프로그램으로모델링한 50 W급소형수직축풍력발전기모습으로블레이드직경. m, 블레이드길이가. m 의구조물이다. Fig. (b) 는상용구조해석프로그램에서진동해석하기위해풍력발전기를 beam 으로모델링 (modeling) 한모습이고, Fig. (c) 는 mesh 모델이다. 본모델의경계조건은발전기와상하단암구조물, 발전기와타워사이와같이볼트로체결되는부분은강체와강체를연결하는조건인고정 (fixed) 조건을부여하였다. 타워하부플랜지부분에는지상풍동베이스에체결되어있는데, 지상풍동베이스의질량이상당히무거우므로지면과같다고가정하여 6-자유도계를구속시키는 clamp 조건을부여하였다. 재료물성치로암구조물, 타워, 발전기는스테인레스스틸 (c) FEM mesh model Fig. 50 W VAWT model 6 한국유체기계학회논문집 : 제 6 권, 제 3 호, 203
타워강성 효과를 고려한 소형 수직축 풍력발전기 운전 진동실험 및 해석 (stainless steel)재질이므로 탄성계수(E, Young s modulus) 는 20 GPa, 푸아송비(poisson s ratio)는 0.3, 그리고 질량 밀도는 7,800 kg/m3 를 입력하였다. 블레이드는 알루미늄을 사용하여 탄성계수는 70 GPa, 푸아송비는 0.3, 그리고 질량 밀도는 2,750 kg/m3 을 입력하였다. 발전기-타워 연결용 플랜지 구조물은 엔지니어링 플라스틱 재질을 사용하여 탄 성계수가 0 GPa, 푸아송비 0.3, 질량밀도를,070 kg/m3 를 입력하였다. 하중조건은 Table 에 나오는 정보를 활용하여 풍력발전 기 부품 별로 질량을 부가하였고, 중력효과를 고려하기 위해 구조물 전체에 9.8 m/s2 의 중력가속도를 부가하였다. 회전 효과는 회전속도(rotation speed)로 풍력발전기 구조물에 부 가하여 진동해석을 수행하였다. 50 rpm 단위로 0 500 rpm, 총 번 반복 수행하여 캠벨차트를 도식하였다. Fig. 2 Excitation-response experiment equipment 2.2 가진실험기법 가진 응답 실험은 Fig. 2에서 제시하는 바와 같이 풍력발 전기 타워의 가속도를 모니터링(monitoring) 할 수 있는 랩 뷰시스템(Lab-VIEW system)과 스트레인 게이지(strain gage)를 이용하여 변형률(strain)을 모니터할 수 있는 P3 스 트레인 인디케이터(P3 strain indicator)로 구성되어 있다. 랩뷰는 직관적인 그래픽 아이콘 및 컨트롤 시스템을 사용하 는 그래픽 프로그래밍 환경기반으로, 계측 및 자동화를 위한 전문프로그램이다. P3 스트레인 인디케이터는 변형률을 측 정하는 데 특화된 계측 장비로, 쿼터브릿지(quarter bridge) 부터 풀브릿지(full bridge)방식까지 지원한다. 이 장비들을 이용하여 가속도 및 변형률을 측정하는 기법을 구축하였으 며, 지상 풍동 베이스에 타워를 체결, 고정시켜 송풍기 회전 수를 조절하여 풍력발전기의 RPM 변화에 따른 가속도와 변 위응답을 측정하였다. Figure 3 (a)는 수직축 풍력발전기를 타워에 체결시켜 지 상 풍동 베이스에 설치한 모습이다. 본 연구실은 직경 50. (a) VAWT installation on the wind tunnel ground base Table 50 W class vertical-axis wind turbine mass information 50 W VAWT part name Number (EA) Weight (kg) Blade part 7. Upper Arm part 8.7 Lower Arm part 8.7 Upper Plate part 2. Lower Plate part 2 Wing guide part 8 0.3 Tower (D=50. mm) 5.3 Generator part.3 Generator-tower joint flange Total weight 한국유체기계학회 논문집: 제6권, 제3호, 203 9. (b) Attached position of the measuring equipment 6.9 Fig. 3 50 W class VAWT on the wind tunnel ground base 7
추헌호ㆍ심재박ㆍ오민우ㆍ김동현 (a) st mode(. Hz) (b) th mode(.9 Hz) mm 인타워를사용하였는데, 이는타워의가진응답결과를가시화시키기위해서이다. Fig. 3 (b) 를보면수직축풍력발전기바로아래에있는엔지니어링플라스틱구조물에 RPM 측정기를부착하여풍력발전기의회전수를측정하였고, 타워상단플랜지부분에가속도계를부착하여회전수에따른가속도를측정할수있도록구축하였으며, 타워하단뿌리 (root) 부분에하프브릿지 (half-bridge) 방식으로스트레인게이지를부착하여회전수에따른변형률을측정할수있도록구축하였다. 가속도와변형률은송풍기에서불어오는바람의방향을 x축으로정하여 x축방향과그에수직한 y축방향, 두개의신호 (signal) 를측정하였다. 풍력발전기뒤에보이는송풍기에서나오는풍속으로 RPM 을증감시키는방법을활용하여 20 rpm 씩증가시키면서가속도 (g) 를측정하였고, 50 rpm 씩증가시키면서변형률 (ε) 을측정하였다. 가속도의경우가속도의평균값을나타내는 RMS value 값을측정하였다. (c) 8th mode(9.3 Hz) (d) 2th mode(5.36 Hz) Fig. Natural vibration mode shape Fig. 5 Campbell chart according to the rotational speed Fig. 6 Induced acceleration level vs. rpm. 3. 결과및검토본연구에서는 -블레이드소형수직축풍력발전기의 RPM 에따른가진특성분석에대해수행하였다. 고유진동모드차수가올라갈수록진동수는계단식증가를보인다. 이풍력발전기는 차 (. Hz), 2차 (.65 Hz) 고유진동수가서로유사하다. 이와같이나머지 차 (.95 Hz), 5차 (.97 Hz), 6차 (2.22 Hz), 7차 (2.30 Hz) 고유진동수와 8차 (9.35 Hz), 9차 (9.39 Hz), 0차 (9.6 Hz) 고유진동수가서로유사하다. 그리고구조물의고유진동수가유사한경우는그모드형상또한유사하다. Fig. 는고유진동수가증가함에따라각모드형상을대표하는고유모드들을나타내고있다. Fig. (a) 는타워의굽힘모드, Fig. (b) 는암구조물의굽힘모드, Fig. (c) 는블레이드와암구조물사이비틀림모드, Fig. (d) 는원심력에의한블레이드굽힘모드를보여주고있다. Fig. 에서대표모드형상과유사한모드는제외하였다. 이를토대로 Fig. 5와같이회전효과에따른전체구조물의 campbell chart 를도출하였으며, 풍력발전기가 차고유진동모드와 P 가교차하는지점인 268 rpm 에서가장큰 차공진이발생할수있음을확인하였다. 또한이를통하여공진회피방법으로 268 rpm 부근에서제어기를설치하여지속적인작동이되지않도록약간의조치가필요함을확인하였다. (3) Figure 6은가속도계를이용하여풍력발전기회전수에대해가속도변화를나타낸그래프이다. 6 rpm 과 252 rpm 에서주변보다심한가속도가측정되었다. 그리고 300 rpm 에서부터가속도가선형적으로증가하는데, 풍력발전기의편심하중에의한것임을알수있다. 인력으로제작한풍력 8 한국유체기계학회논문집 : 제 6 권, 제 3 호, 203
타워강성효과를고려한소형수직축풍력발전기운전진동실험및해석 다유연하게모델링되었다고볼수있다. 마지막으로해석에서는타워의감쇠 (damping) 작용을고려하지않았지만, 실험에서는타워의감쇠작용이고려되어측정값이도출되었다. 요컨대, ω d = ω n -ζ 2 (ω d : 실험에서의고유진동수, Fig. 7 Induced dynamic strain vs. rpm. 발전기는정확한좌우대칭으로제작하기에한계가존재하기때문에고 RPM 에서상당히큰편심하중이발생하는것은불가피하다. 또한모든 RPM 에서 x축의가속도가 y축의가속도보다큰값을가지는것을볼수있는데, x축이바람방향이기때문이다. 고풍속으로갈수록풍하중은증가하고, y 축보다 x축의가속도가조금크게작용함을알수있다. Figure 7의실험결과를보면 252 rpm 에서 50 με 정도로상당히큰동적변형률이발생함을볼수있다. 6 rpm 의경우주변구간보다높은 25.5 με 의동적변형률수준을보이지만, 252 rpm 에서의공진조건에비하면무시가능한수준임을알수있다. 그리고그래프를보면 6 rpm 에서의동적변형률은 300 rpm 에서부터의동적변형률수준보다 2 배이상낮은것으로보인다. 그러므로저 RPM 에서의공진조건보다고 RPM 에서편심하중에의한진동현상이더위험함을알수있다. 또한 Fig. 7을보면 350 rpm 부터 x축변형률이선형적으로증가하는것을볼수있다. 이는 Fig. 6 그래프의고풍속영역에서나타나는결과와같은현상으로편심에의한불평형으로볼수있다. 풍속이높아지면서타워의 x축으로동적풍하중이증가하고, x축은 y축보다큰변형률을가지게된다. Figure 5와 Figs. 6 7 을비교해보면 Fig. 5에서 차고유진동모드와 /rev 가교차하는지점인 6 rpm 과 Fig. 6 에서공진에의한가속도가증가하는지점인 6 rpm 이정확히일치하는것을볼수있으므로, FEM 해석결과가정확하다는것을입증할수있다. 하지만 Fig. 5에서 차고유진동모드와 /rev 가교차하는지점인 268 rpm 과 Fig. 6에서공진에의한가속도가측정되는지점인 252 rpm 은약 6 rpm 의차이가남을알수있다. 이오차의이유는첫번째로실제모델에서의암구조물은테이퍼가주어진구조물인데반해, FEM 모델에서 beam 모델링은실제와일치하게모델링되지못하기때문에이런오차가발생했다. 두번째로 FEM 모델에서모델링한타워의재질특성과실제타워의재질특성이정확하게일치하지않아가상타워가실제타워보 ω n : 이론에서의고유진동수 ) 식에의해실험결과가해석결과보다낮은 RPM 에서공진가능성이발생했다고판단된다. 풍력시스템및타워설계시최우선적으로 P 와 차고유진동모드가교차하는공진회전조건은절대적으로회피할필요성이있다. 그리고본논문을통해실제 0 20 m 정도의전용타워설계가이루어진경우에는이에대한등가강성수준을반영하여실제타워설치조건과유사하게가속평가하는것이가능함을중요하게파악할수있다.. 결론본연구에서는타워의강성효과를고려하여 개의블레이드를가지는소형수직축풍력발전기모델에대해운전진동실험과전산해석을수행하였다. 실험및해석을통하여전형적으로회전공진안정성을확인하는캠벨차트에서 P 과 차모드의교차점이가장지배적인공진현상을유발함을실험을통해입증하였다. 이론해석결과에서는캠벨차트에전형적으로다양한공진가능성이나타나게된다. 하지만, 실제실험을수행해본결과 차주요공진조건이외에는바람방향으로의풍속및회전속도증가에따른동적풍하중증가가시스템진동불안정성의주요원인으로작용하게됨을중요하게보였다. 본연구결과는복잡하고난해한수직축풍력발전기및타워의최적구조설계과정에매우유용하게활용될수있을것으로판단된다. 후기본논문은 20 년도지식경제부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구내용의일부이며, 지원에감사를표하는바입니다 (No. 2000203070). 참고문헌 () 김동현, 박강균, 이종욱, 최현철, 김동만, 김요한, 2009, 800W급양력형수죽축풍력발전기개발, 한국풍력에너지학회추계학술대회. (2) 이종욱, 김동현, 박강균, 최현철, 김대룡, 200, 차량장착시험시스템 (VMTS) 을이용한소형풍력발전기시스템의성능평가, 한국풍공학회지, 제 권, 제 3호, pp. 207 23. (3) 김동현, 류경중, 김요한, 김성복, 김광원, 남효우, 이명구, 20, 타워를포함한 6kW급수직축풍력발전기구조진동해석, 한국소음진동공학회춘계학술대회, P30, pp. 663 670. 한국유체기계학회논문집 : 제 6 권, 제 3 호, 203 9