풍력발전 번역(한국어 원본)육·해상용 풍력발전 시스템( on/offshroe wind turbine systems)을 설계하는데 있어 하부 구조물(support structures)의 설계(design)는 시스템의 총 중량(total weight) 및 제작 비용, 구조적 안정성 등의 측면에서 간과해서는 안 될 중요한 부분이다. 본 기술 보고서(technical report)에서는 풍력발전기 전체 시스템의 설계 중 타워를 포함하는 하부구조물의 초기 설계 시 필요한 간략화된 외부 하중 계산(simplified environmental load calculation)의 방법 및 이를 통해 도출된 하중을 이용한 하부 구조물의 초기 설계 변수(initial design parameter)를 결정하는 방법에 대해 다룬다. 또한 이렇게 정립된 방법을 이용하는 풍력발전시스템의 하부구조물의 초기설계 및 구조강도 평가를 위한 자동화 시트의 개발을 완료 하였으며, 이에 대한 실효성을 확인하고자 기존의 범용 소프트웨어의 결과 값 및 해상풍력발전 구조물 해석 전용 프로그램의 결과 값을 비교 분석 하였다.
1. 서론
풍력발전 시스템에서 지지구조물은 너셀(nacelle)과 블레이드(blade)를 포함한 상부 구조물을 지지하는 역할을 하는 구조물을 말한다. 육상용 풍력발전기의 하부구조물은 주로 타워(tower)를 의미하며 해상용의 경우는 타워를 포함한 하부구조물을 포함한다.
해상용 하부구조물의 경우 풍하중뿐만 아니라 파도, 조류, 빙하, 선박과의 충돌, 해조류(marine growth)의 영향, 염분, 해저지질조건 등 다양한 해상환경조건에 노출되기 때문에 이러한 요인들을 모두 고려하여 설계를 하여야 한다. 본 기술보고서는 육·해상용 풍력발전 시스템 지지구조물의 설계단계의 초기 치수 결정 및 설계 평가를 위한 구조물 초기 구조 건전성 파악을 위한 것이며, 적용 기준은 우리선급의 기술기준 및 IEC 61400 Series 의 기본 요건 등을 기본으로 적용한다.
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2.1. 타워의 형식에 따른 분류
풍력발전 시스템의 타워는 너셀과 로터블레이드를 지지하는 구조물이며, 우수한 풍황자원을 얻기 위해 필요한 로터블레이드 설치 높이를 유지하는 역할을 한다. 대형 풍력터빈용 타워는 일반적으로 강재(steel)를 사용하여 제작하지만, 콘크리트를 사용하여 제작되기도 한다. 요즘에는 대부분 원통형(shell) 타워를 사용하지만, 격자구조(lattice) 타워를 사용하기도 한다. 당김줄(guyed)을 사용하는 타워는 일반적으로 소형 풍력터빈에 적용된다. 타워는 통상지지 기초부에 플랜지(flange)를 이용하여 볼트 체결되거나 용접되는 형식으로 설치된다.
타워는 비교적 설계에 대한 고급 기술을 요하지 않고 쉽게 최적화 될 수 있는 요소이며, 다른 요소부품에 비해 비용절감을 위한 설계의 융통성이 크다. 풍력터빈 총 제작비용 중 타워가 차지하는 비중이 크기 때문에 타워의 최적설계는 제작 비용절감을 위한 목적으로 중요한 부분이다.
2.1.1. 원통형(Shell)
대부분의 대형 풍력터빈들은 원통형 강재 타워를 사용하며, 20~30 m 길이로 구분 제작하여 플랜지로 체결된다. 각각의 타워 부분들은 지상에서 플랜지를 통해 볼트로 체결되며, 하부로 갈수록 직경이 증가하는 원뿔 형태로 설계된다. 이는 타워 하부가 풍하중(wind load)이 급격히 증가함에 따라 큰 하중을 받는 부분이므로 구조강도를 증가시킬 필요가 있기 때문이다. 이러한 원뿔형 구조는 직경이 증가함에 따른 두께 감소효과를 가져올 수 있으며, 타워 제작에 필요한 재료절감을 위해 효과적인 방법이다.
분할 제작되는 타워 부분 최대길이는 통상 수송 허용기준에 의해 제한되며, 지상(onshore) 설치용 풍력터빈에 한해 타워의 최대 직경은 도로수송 도중 제한되는 최대 높이(육교, 터널 등)에 의해 결정된다. 해상용 풍력터빈 혹은 항공 운송에 의한 설치지역으로의 직접적인 이동이 가능한 경우는 육상도로 수송문제에 대한 제한에서 비교적 자유롭다. 원통형 타워의 장점은 안전한 구조이고, 유지보수 기술자들이 타워 내부로 들어가 상부 너셀로 쉽고 안전한 접근이 가능하다는 점이다. |
풍력발전 번역(영어 번역본)In designing on/offshore wind turbine systems, the design of the support structures is very important in terms of the system’s total weight, production costs, and structural safety. This technical report deals with the simplified environmental load calculation method and decision of the initial design parameter of the support structures deduced from the calculation when initially designing lower structures including the tower in the overall system design. Also, automated sheet for the initial design and evaluation of structural strength of the lower structures of the wind turbine system that uses the proposed method was developed. To verify the effectiveness of this method, the result from the conventional software and the result from the offshore wind turbine system evaluation program were compared.
1.Introduction
In wind turbine systems, support structures refer to the structures that support the upper structure, including nacelle and blade. The onshore wind turbine system’s lower structure usually refer to the tower, and for the offshore systems, the lower structures include tower and other lower structures. Offshore lower structures are exposed to many oceanic environmental conditions such as the wind load, waves, tidal currents, icebergs, collisions from the ships, effects of the marine growth, salinity, and underwater geological conditions. This technical report has the purpose of understanding the initial structural integrity of the structures to determine the initial dimensions at the stage of designing the support structures of the on/offshore wind turbine systems and to assess the design. Technical standards of Korea Register of Shipping and the basic requirements of the IEC 61400 Series are generally applied.
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2.1. Classifications of Tower Types
The tower of the wind turbine system refers to the nacelle and the supporting structure of the rotor blade. It maintains the height of the rotor blade in order to obtain quality wind resources. Tower for large wind turbines are usually made from steel, but are sometimes made from concrete. Nowadays, most of the towers are shell towers, but lattice towers are sometimes used. Towers that use guyed are used for small wind turbine systems. Towers are installed by bolting systems using flange for supporting parts or by welding.
Tower is a component that can be easily optimized without using advanced technology for design, and is flexible when it comes to reducing costs compared to other components. Because towers occupy a significant part of the total cost, optimizing the design of the tower is very important in terms of reducing costs.
2.1.1. Shell Types
Most of the large wind turbine systems use shell steel towers, and are locked by flanges after being produced into 20~30 meter sections. Each tower section is locked by bolts with flanges on the ground. It is designed in a shape of a circular cone, in which diameter is larger in the lower part. Because the lower structures of the tower receives more load as the wind load dramatically increases, there is a need to increase the structural strength. Such circular cone type can result in less thickness as the diameter increases, and is an efficient method to reduce materials for producing towers. The maximum length for the tower, which is produced separately, is limited by the transportation standards, and the diameters of towers produced for onshore wind turbines are determined by the maximum height (pedestrian overpass, tunnel, etc.) during the transportation. If direct transport is possible for offshore wind turbines or for installation areas reachable through airplanes, the project is relatively free from the limitations of the land transportation. The advantage of shell type towers is that it has a safe structure and that the technicians who maintain the tower can easily and safely access the upper nacelle. |
