풍력발전용 블레이드 설계평가 번역(한국어 원본)제 2 장 2MW급 블레이드(KR40.1b) 설계 및 평가
2.1 블레이드 설계 절차
풍력발전용 블레이드 설계 시에는 출력 및 효율, 블레이드 팁-타워 간격, 극한 및 피로한계상태, 좌굴안정성, 수송, 제작 및 에너지생산단가(COE, cost of energy) 등의 상호작용을 종합적으로 고려해야 하기 때문에 공력설계와 구조설계는 독립적으로 수행 될 수 없으며, 전체 시스템 특성이 충분히 고려된 통합하중해석의 반복수행을 통해 최적의 블레이드 설계결과를 얻는 것이 중요하다. 일반적으로, 공력설계 관점에서는 목표출력 및 효율, 연간에너지생산량(AEP, annual energy production), 축 하중 및 소음 등이 중요한 설계 고려사항으로 간주되며, 코드길이(chord length)가 길수록, 얇은 에어포일을 적용할수록 우수한 성능의 블레이드 공력설계가 가능하다. 하지만 이러한 설계는 하중, 제작비용, 총질량, 이송 등의 문제점을 유발 할 수 있기 때문에 구조설계와 상충관계(trade-offs)에 놓이게 된다.
Fig. 1에 일반적인 블레이드 설계 및 평가절차를 제시하였다. 블레이드 설계사양이 결정되면, 통상 공력설계파트는 에어포일 후보군을 선정하고 시험 혹은 수치해석을 통해 신뢰성 있는 에어포일 성능데이터를 확보하여 기본공력설계 및 성능해석을 수행한다. 기본공력설계는 일반적으로 BEM에 의해 수행되며, 출력/효율/하중 등의 평가결과에 따라 설계최적화 과정을 거치게 된다. 최적설계과정에서 설계조건을 만족하는 경우 최종적인 공력설계정보가 구조설계파트로 전달되며, 구조설계 파트에서는 재료 및 제조공정 등을 고려하여 설계 컨셉을 결정 한 후 내부 구조물(main girder, shear web, root connection) 및 적층패턴 설계를 수행한다. 블레이드 구조설계가 완료되면 국제표준(international standard) 혹은 산업체 가이드라인(industrial guidelines)에 따른 구조건전성 평가를 통해 설계유효성을 검증하는데, 이때 설계수명기간동안 블레이드 루트 및 특정단면에 작용하는 극한 및 피로하중에 대한 이력이 요구된다. 따라서, 구조설계가 완료된 후 시스템통합하중해석(system integrated load calculation) 수행에 필수적으로 요구되는 블레이드 국부단면에서의 질량 및 강성분포를 얻기 위한 유한요소해석(FEA, finite element analysis)이 요구된다. 시스템하중해석파트는 적용기준을 참고하여 설계하중케이스를 정의한 후 공-탄성해석을 통해 블레이드에 작용하는 극한 및 피로하중 해석결과를 도출하며, 구조설계파트는 최종적으로 이를 적용한 유한요소해석을 통해 팁-타워 간극(critical deflection evaluation), 극한한계상태(ultimate limit state), 피로한계상태(fatigue limit state) 및 구조안정성(stability) 등에 대한 해석결과를 얻는다. 이후, 해석결과들이 판정기준을 모두 만족하는 경우 블레이드 설계가 종료되며 만족하지 않는 경우에는 재설계가 수행된다.
이상과 같이, 블레이드 공력 및 구조설계는 구조건전성 평가절차와 연동되어 반복적으로 수행되어야 하므로 공력설계-구조설계-시스템통합하중해석들이 서로 상충관계에 놓이게 된다. 따라서, 시스템 설계와 블레이드 설계를 동시에 진행하는 것이 특정 풍력터빈시스템에 적합한 블레이드 개발을 위해 가장 효율적인 방법이라 할 수 있다.
2.2 공력설계
2.2.1 설계사양
2.2.1.1 로터직경
로터직경은 목표출력, 정격풍속, AEP, 허용하중 등과 같은 설계조건 및 설계자의 의도(바람등급 변경)에 따라 가변적일 수 있다. 일반적으로 동일풍속조건에서 더 많은 에너지생산을 기대하거나 저 풍속형 블레이드 설계를 위해 로터직경을 증가시키기도 하지만, 동일용량의 풍력터빈에 대한 블레이드 대형화는 총 중량과 시스템 전달하중 증가에 따른 보강설계 및 제작비용 상승 등과 같은 문제점을 수반하기도 한다. 따라서, 효과적인 블레이드 직경의 결정을 위해서는 목표 에너지 생산을 위한 운전조건과 블레이드 및 전체 풍력발전시스템 제작비용이 동시에 고려되어야 한다. 풍력발전시스템 제작비용 예측을 통해 에너지생산단가를 계산하는 다수의 비용예측모델이 제시되고 있으나, 이들은 시스템 상세사양 및 제작비용이 알려져 있는 기준모델(reference model)에 대해 개발대상 블레이드의 직경과 무게를 상대적으로 평가하여 비용을 산출하는 방식이 대부분이다. 그러나 동일한 크기와 용량을 갖는 시스템도 제조방법 및 사용재료에 따라 제작비용이 크게 달라지므로, 기준모델과 유사한 개념의 설계안에만 적용이 가능한 한계가 있다.
본 연구에서는 현재 상용화 된 풍력발전시스템의 단위 면적당 출력(specific power) 경향을 분석하여 개발대상인 2 MW 출력에 적합한 블레이드 길이를 선정하였다. 표본으로 선택한 풍력발전시스템의 단위 면적당 출력의 평균값에 근거하여 결정된 블레이드 길이는 현재의 제조기술 및 경제성이 고려된 현실적인 값이라 생각 될 수 있다. 단위 면적당 출력은 식(1)과 같이 정의되며, 로터 회전면의 단위 면적당 출력을 의미한다.
Fig. 2는 2008년 기준으로 상용화된 79종의 풍력발전시스템 로터회전면적에 대한 정격출력 변화 추세 선을 나타낸다. 비록 정격출력, 설계풍속, 운전 및 제어조건, 블레이드 제조방법 등은 각각 다르지만 전체 산포는 원점을 지나며 우상향하는 직선으로 근사시킬 수 있다. 이때 로터의 단위면적당 출력평균 값은 380이다.[1]
Fig. 3은 풍력발전시스템 표본을 본 연구의 설계목표인 2 MW에 가까운 제품으로 제한하고 단위면적당 출력의 평균값을 재계산한 결과이다. 풍력발전시스템의 용량제한 범위는 1.5 MW ~ 3.0 MW로 하였고, 총 13종의 제품에 대한 단위면적당 출력의 평균값은 375으로 나타났으며 fig. 1의 결과와 큰 차이는 없다. 기 상용화된 시스템의 단위 면적당 출력 값의 통계적 분석에 따르면 2 MW 용량에 가장 적합한 로터 직경은 table 1과 같이 약 82 m 수준으로 계산되었다. 따라서 본 연구에서는 로터직경을 82 m로 결정하고 블레이드 설계를 진행하였으며, 이 때 블레이드를 장착하기 위한 로터허브 직경을 제외한 단일 블레이드의 길이는 40 m 이다.
2.2.1.2 목표 총 중량 및 한계 팁 변형
Fig. 4에 나타낸 로터직경변화에 따른 블레이드 총중량 변화 추세선과 같이 동일 용량과 직경을 갖는 블레이드임에도 불구하고 사용재료 및 제조공정에 따라 총 중량의 차이가 발생할 수 있다.[2] 본 연구에서는 2 MW 블레이드의 적층설계를 위해 주로 유리섬유 복합재료와 에폭시 수지재료를 적용하였고, resin infusion 제작공정 적용시의 경쟁력확보를 위해 목표 설계 총 중량을 8 ton 이하로 제한하였다.
블레이드 설계가 종료되면 국제표준 또는 설계기준에 따라 임계 팁 변형, 극한강도, 피로강도 및 좌굴안정성 등의 항목에 대한 구조건전성 평가가 실시된다. 특히 임계 팁 변형의 한계 값은 타워와 블레이드의 간섭에 직결되는 중요한 검토항목이므로, 전체 시스템 설계정보에 근거하여 블레이드 설계단계부터 사전 결정될 필요가 있다. 본 연구에서는 블레이드 임계변형 한계 값의 계산 및 시스템 통합하중해석을 위해 table 2와 같은 사양의 2 MW 가상 시스템을 구성하였으며, 최대 허용 팁 변형은 8.3 m로 제한하였다. |
풍력발전용 블레이드 설계평가 번역(영어 번역본)Chapter 2 2MW Blade(KR40.1b) Design and Evaluation
2.1 Blade Design Procedure
Because the interactions between output and efficiency, blade tip-tower gap, extreme and fatigue limit states, buckling stability, transportation, manufacturing expenses and cost of energy(COE) should be comprehensively considered when designing a wind energy blade, aerodynamic design and structural design cannot be independently conducted, and it is important to obtain the optimal blade design result through repetition of integrated load analysis in which the entire system is sufficiently considered. Generally, from a aerodynamic design, the target output and efficiency, annual energy production(AEP), axis load and noise are considered as important design considerations, and lengthening chord length and applying thin airfoil enables the aerodynamic design of a blade with excellent performance. However, such design can cause problems in load, manufacturing costs , total mass, and transferring so it is placed in a conflicting relation(trade-offs) with structural design.
Fig. 1 shows a general blade design and evaluation procedure. If the design specifications of a blade is decided, the aerodynamic design part usually selects the candidate group of air foil and conducts basic aerodynamic design and performance analysis by obtaining reliable air foil performance data through tests or numerical analysis. Basic aerodynamic design is generally conducted by BEM, and goes through a design optimization process based on the evaluation results of output/efficiency/load. If the design conditions are satisfied in the optimal design process, the final aerodynamic design information is sent to the structural design part, In the structural design part, a design concept is decided after considering material and manufacturing procedures, and internal structure(main girder, shear web, root connection) and lamination pattern designs are conducted. If the structural design of the blade is completed, the design validity is verified through a structural integrity evaluation based on international standards or industrial guidelines, Here, a record of the extreme and fatigue load that is applied to the blade route and specific cross sections during the design life time is required. Therefore, after the structural design is completed, a finite element analysis(FEA) is required to obtain the mass and stiffness distribution on the local cross section of the blade, which is necessary to conduct a system integrated load calculation. The system load part defines the design load case by referring to the applied criteria and derives the aero-elastic analysis results for the extreme and fatigue load applied to blade. and the structural design part ultimately conducts a FEA that applies this to obtain analysis results on tip-tower gap(critical deflection evaluation), extreme state, fatigue limit state and structural stability. Afterwards, the blade design is terminated if all analysis results satisfy the judgement criteria, while a redesign is conducted if they don’t.
Because the aerodynamic and structural design of blades must be repetitively conducted along with a structural integrity evaluation procedure, aerodynamic design-structural design-system integrated load analysis are placed in a conflicting relationship with each other. Therefore, simultaneously conducting system design and blade design is the most efficient method for developing a suitable blade for a specific wind turbine system.
2.2 Aerodynamic Design
2.2.1 Design Specifications
2.2.1.1 Rotor Diameter
The rotor diameter is changeable depending on the design conditions such as target output, rated wind speed, AEP, allowed load and the intention of the designer(wind level change). Generally, the rotor diameter is increased to generate more energy under the same wind condition or to design low wind speed blades, Increasing the size of the blade for a wind turbine of the same capacity also accompanies problems such as reinforcing design and rise in manufacturing costs due to an increase in total mass and system load transfer. Therefore, to determine an effective blade diameter, operating conditions for producing the target energy and manufacturing costs of blades and overall wind turbine must be considered at the same time. Although multiple cost prediction models that predict the cost of manufacturing wind turbines are being proposed, most of these models compute the cost by evaluating the blade diameter and weight relative to a reference model which detailed system specifications and manufacturing expenses are known. However, even systems with the same size and capacity differ greatly in manufacturing costs depending on the manufacturing method and materials used, so it is only applicable to designs that have similar concepts as the reference model.
In this study, we analyzed the trend of output per unit area(specific power) in current commercial wind turbines and selected the blade length that is adequate for 2 MW output which is our development goal. The blade length decided based on the average of specific power in the selected wind turbines can be thought of as a realistic value which current manufacturing technology and economic feasibility have been considered. The specific power is defined as shown in equation (1), and represents the output per unit area of the rotor’s surplane of revolution.
Fig. 2 shows the trend line of rated output change by rotor surplane of revolution for 79 types of commercialized wind turbines in 2008. Although they have different rated output, design wind speed, operating and control conditions, and blade manufacturing methods, the entire distribution can be approximated to a line that passes the origin and goes toward the upper right direction. Here, the average output value per unit area of the rotor is 380.[1]
Fig. 3 shows the result of limiting the wind turbine samples to products that close to 2MW which is the design goal of this study and recomputing the average output per unit area. The capacity limitation range of the wind turbines was set to 1.5 MW ~ 3.0 MW, the average output per unit area for the 13 different products was 375, and did not show a huge difference with the result in fig. 1. According to statistical analysis of output per unit area for existing commercial systems, the most optimal rotor diameter for a 2 MW capacity was computed as approximately 82m as shown in table 1. Therefore, we set the rotor diameter to 82m in this research, and the length of a single blade excluding the diameter of the rotor hub for installing the blade is 40m.
2.2.1.2 Target Total Mass and Limit Tip Transformation
As shown in the trend line of the blades’ total mass change based on the rotor diameter change in Fig. 4, difference in the total mass can occur depending on the material used and manufacturing procedure even between blades with the same capacity and diameter.[2] In this study, glass fiber composites and epoxy resin were mainly applied to design the lamination of a 2 MW blade, and the target total mass of the design was limited to 8 tons or less in order to secure competitiveness when applying the resin infusion manufacturing procedure.
When the blade design is completed, a structural integrity evaluation on critical tip transformation, extreme strength, fatigue strength, and buckling stability is conducted based on international standards or design criteria. Especially, since the limit value of the critical tip transformation is an important review item that is directly related to the interference of the tower and blades, it needs to be determined beforehand in the blade design stage based on the design information of the entire system. In this research, we composed a virtual 2 MW system with the specifications in table 2 to compute the critical transformation limit value of the blade and analyze system integrated load, and limited the maximum tip transformation allowed to 8.3. |
