풍력발전 시스템 번역(한국어 원본)대부분의 선진 풍력발전 시스템 제작사들은 블레이드를 주요핵심 부품으로 분류하여, 수직 계열화를 통한 자체제작 및 공급능력 확대에 주력하고 있다. 최근 세계 풍력발전시장이 지속적인 성장세를 나타냄에 따라 다수의 신규 블레이드 제작사들이 시장에 진출하고 있으나, 여전히 약 70% 이상의 세계 블레이드 부품시장이 선진 풍력발전 시스템 제작사 및 LM Windpower에 의해 점유되고 있는 실정이다.(1) 다수의 새로운 독립 블레이드 제작사들이 시장에 진입함에 따라, 전 세계 블레이드 총 공급용량은 증가하였으나, 3MW급 이상의 대형 블레이드를 상용화하고 있는 제작사는 여전히 제한적인 이유로, 향후 해상풍력발전 시장의 확대에 따른 대형 블레이드 시장의 수급 불균형 현상이 가속화 될 것으로 예상된다. 한국에서는 KM, 데크항공, 휴리스 등이 2~3MW급 블레이드 시제품 제작에 성공한바 있으나, 핵심 설계기술 대부분을 해외 엔지니어링 사로부터 도입함에 따라 성공적인 시장진입을 위해서는 Multi-MW급 블레이드에 대한 설계 및 제작 원천기술 조기확보 등의 기술 경쟁력 강화에 여전히 많은 노력이 필요한 상황이다.
풍력발전용 블레이드는 설계수명기간 동안 발생 가능한 외부환경조건을 고려하여 국제기준에서 요구하는 수준의 안전도 및 신뢰도를 유지하여야 하므로, 설계과정에서 공-탄성 해석, CFD 해석, FEM 해석 등의 방법을 통해 목표 출력, 효율 및 구조건전성을 반복적으로 평가하게 된다. 따라서, 블레이드 최적설계는 공력형상설계-출력 및 하중평가-시스템하중해석-구조설계-구조 건전성 평가 등의 과정을 반복수행 함으로써 얻어질 수 있다. 공력설계 관점에서는 축 하중, 출력, 효율, AEP (Annual Energy Production)등이 중요한 설계요소이고, 구조설계 관점에서는 복합재료 적층, 질량, 강성, 좌굴 안정성, 극한 및 피로하중에 대한 구조 건전성이 중요한 설계고려 대상이다.
현재까지 Multi-MW급 풍력발전용 블레이드의 공력최적설계 및 평가가 동시에 가능한 설계전용 소프트웨어는 개발된 바 없으며, 유사한 개념으로 2006년에 네덜란드의 ECN에서 출시한 Excel 기반의 BOT (Blade Optimization Tool)(2)가 유일한 설계도구이다. BOT는 자체적인 블레이드 초기형상 설계가 불가능하고 외부에서 설계된 블레이드에 한해 공력형상 최적화만을 수행 할 수 있다는 점에서 완전한 형태의 블레이드 공력최적설계 도구라고 볼 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 블레이드 초기 공력설계, 출력 및 하중해석, 공력최적설계, 출력제어 및 효율 극대화를 위한 피치/토크제어 맵 생성 등 사용 편의성이 극대화된 설계자 중심의 블레이드 최적설계 소프트웨어 개발을 목적으로 한다.
기본형상설계(baseline design) 단계에서는 목표출력, 설계풍속, 예상효율 및 최대 비틀림 각도 제한 등 table 1과 같은 공력설계변수와 가변속도 형 블레이드의 운전범위를 결정하기 위한 팁(tip) 속도제한, 인버터 제어범위, 발전기 정격회전속도 또는 기어 비의 결정이 필요하다. 이후 table 1의 입력 값을 참조하여 블레이드 직경 D_rotor, 정격회전속도 Ω_(blade,rated), 설계 날개 끝 속도 비 λ_(design ), 최대 및 최소 가변 회전속도 구간 Ω_(blade,min) 및 Ω_(blade,max)이 식 1~5에 의해 계산될 수 있으나, 블레이드 직경의 경우 설계조건의 변경에 따라 설계자가 필요로 하는 직경 D_user를 강제로 적용할 수 도 있다. 이상과 같은 초기설계변수의 결정 후, 기본형상설계를 진행하는데, 이 과정에서는 루트(root)부터 팁까지 설계자에 의해 구획된 계산지점에서의 코드길이(chord length) 및 비틀림 각도(twist angle)를 계산한다. 계산지점은 Δμ에 따라 등 간격 또는 fig. 1과 같이 부등간격으로 정의 될 수 있다. 결정된 각각의 계산지점에서의 코드길이와 비틀림 각도는 식 6~10에 의해 다음과 같은 절차에 따라 계산된다.(3)
1) 날개 끝 손실계수 f_(μ,tip)의 계산
2) 축 흐름 유도계수 a_μ의 계산
3) f_(μ,tip)과 a_μ의 반복계산에 의한 최종 수렴 값 도출
4) 회전흐름유도계수 〖a’〗_μ의 계산
5) 코드길이 c_μ의 계산
6) 비틀림 각도 θ_μ의 계산 |
풍력발전 시스템 번역(영어 번역본)Most of the leading wind turbine system manufacturers consider blades as their main products and have concentrated their efforts on producing them on their own and increasing the supply through vertical integration. Recently, a number of new blade production companies are entering the market because the wind power market has shown continuous growth worldwide. Still, about 70% of the blade market is dominated by the leading wind turbine system manufacturers such as LM Windpower. (1) The overall supply of blades has increased as many individual blade manufacturers have newly entered the market, but since the number of manufacturers capable of producing large blades of 3MW class or bigger is limited, it is predicted that the imbalance between supply and demand will be exacerbated due to the expansion of the global wind power market. In Korea, companies such as KM, DACC Airlines, and HULIS have succeeded in producing 2~3MW class blade prototypes but they have adopted most of the core technology from foreign engineering companies. In order for the Korean companies to successfully enter the market, they need to strengthen technological competitiveness by obtaining the fundamental technology on design and production of multi-MW class blades.
Wind power blades have to take into account the external environmental conditions that can occur during the design life time to satisfy the safety and reliability levels required by the international standards. Therefore, desired output, efficiency, and structural integrity are assessed iteratively through methods such as aero-elastic analysis, CFD analysis, and FEM analysis. Therefore, optimum blade design can be obtained through iterative appraisals evaluation of aerodynamic shape design – output and load assessment – system load analysis – structural design – structural integrity analysis. From the perspective of aerodynamic design, axial load, power, efficiency, and AEP (Annual Energy Production) are the important design parameters, and from the perspective of structural design, composite material stacking, mass, stiffness, buckling stability, and ultimate and fatigue loads are important factors to consider.
As of now, software that is capable of producing optimum aerodynamic design and analysis for Multi-MW class blades for wind power has not been developed, and Excel-based BOT (Blade Optimization Tool) developed in 2006 by ECN in Netherlands is the only design tool that is comparable to such software (2). Because BOT is not capable of designing initial shapes from a blank state and can only optimize aerodynamic shapes of existing blades, it cannot be considered as a complete aerodynamics optimization tool. Therefore, the goal of this research is to develop designer-oriented, user-friendly software for optimum blade design with initial aerodynamic design for blades, power and load analysis, aerodynamic optimum design, power control and creating pitch and torque control map for maximizing efficiency.
At the baseline design stage, aerodynamic design parameters such as desired power, design wind speed, predicted efficiency, and maximum twist angle limit in Table 1, and factors like tip speed restriction, inverter control range, generator’s rated rotating speed, and gear ratio need to be set. Next, based on input numbers from Table 1, diameter of the blade D_rotor, rated speed Ω_(blade,rated), design tip speed ratio λ_(design ), max/min variable rotating speed intervals Ω_(blade,min) and Ω_(blade,max) can be calculated according to Equations 1~5, but the designer can apply the diameter D_user according to his/her needs if the design conditions need to be changed. After setting initial design parameters, basic shape design is determined. During this process, chord length and twist angle are calculated at the calculation points set by the designer. Calculation points can be defined either on equal intervals or on unequal intervals as in Figure 1. Chord length and twist angle are calculated at each calculation point according to Equations 6~10, by the following process. (3)
1) Calculation of tip loss factor f_(μ,tip)
2) Calculation of axial flow induction factor a_μ
3) Calculation of final convergence value after iterative calculations of f_(μ,tip) and a_μ
4) Calculation of tangential flow induction factor 〖a’〗_μ
5) Calculation of chord length c_μ
6) Calculation of twist angle θ_μ |
