KR20130087920A - 풍력발전기 블레이드의 시험장치 및 시험방법 - Google Patents

풍력발전기 블레이드의 시험장치 및 시험방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 격자 센서를 이용하여 바람에 의해 풍력발전기 블레이드가 받게 되는 플랩방향 및 엣지방향 모멘트를 산출하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치 및 시험방법에 관한 것이다. 풍력발전기 블레이드의 시험장치는 실제 풍력발전기 블레이드 시편과 공탄성 특성이 유사하게 형성된 블레이드 시편과, 상기 블레이드 시편에 하중을 가해주기 위한 하중 부여부와, 상기 하중 부여부에 의해 상기 블레이드 시편에 하중을 가한 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 각도변화 구동부 및 상기 블레이드 시편의 표면에 부착되어, 상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 센서부를 포함한다.
또한, 풍력발전기 블레이드의 시험방법은 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사한 블레이드 시편을 마련하는 단계와, 상기 블레이드 시편에 하중을 부여하는 단계와, 상기 블레이드 시편에 하중이 부여된 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 단계와, 상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 단계 및 측정된 스트레인으로부터 블레이드 시편에 작용하는 플랩방향 성분 및 엣지방향 성분의 하중을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

풍력발전기 블레이드의 시험장치 및 시험방법{Test equipment and test methods of Wind power generator blade}
본 발명은 광섬유 격자 센서를 이용하여 바람에 의해 풍력발전기 블레이드가 받게 되는 플랩방향(Flapwise) 및 엣지방향(Edgewise) 모멘트를 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전기는 바람이 가진 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다.
최근 들어 무분별한 화석 에너지 사용으로 인해 화석 에너지의 고갈 및 환경문제 등이 심각해지면서 신재생 에너지에 대한 연구 및 관심이 집중되고 있다. 따라서, 다양한 신재생 에너지가 개발되어 실용적으로 활용되고 있으며, 그 중에서도 풍력발전기는 각광받고 있는 에너지원 중의 하나이다.
그러나, 풍력발전기는 설치 시 초기 투자비용이 많이 들기 때문에 생산성이나 효율적인 면을 고려하여 설비 투자를 하게 되므로 풍력발전기를 한번 설치하고 얼마나 장기적으로 운전할 수 있느냐가 매우 중요한 문제이다. 또한, 풍력발전기의 대형화로 인해 블레이드에 발생하는 하중 역시 크게 증가할 뿐만 아니라, 육지에서 해상으로 위치가 바뀌면서 유지보수가 점점 더 어려워지고 있다.
이에 따라, 풍력발전기는 설치현장의 바람에 대한 정보를 고려하여 효과적으로 전기를 생산할 수 있도록 바람에 의한 동하중을 감소시키는 개별 피치제어를 고려하여 설계하는 것이 바람직하다. 따라서, 개별 피치제어에 필수적으로 필요한 값인 모멘트를 산출할 수 있어야 한다. 이러한 개별 피치제어 기술은 풍력발전기의 수명을 보장해 주고 고장을 줄여준다.
한편, 종래에 따르면, 풍력발전기 블레이드의 루트부 둘레에 90도 간격으로 광센서를 부착하여 발생된 스트레인을 측정하고 이를 이용하여 블레이드의 모멘트를 계산해 왔지만, 블레이드 루트 부위에 센서를 설치할 수 없는 경우에는 모멘트를 계산할 수 없는 문제가 있었다.
공개특허공보 10-2011-0110735(2011.10.07 공개)
본 발명의 과제는 풍력발전기 블레이드 길이방향으로 설치된 센서들의 조합으로 임의의 방향에서 작용하는 풍하중의 크기와 방향을 알아내고, 이를 이용하여 풍력발전기 블레이드의 플랩방향 모멘트 및 엣지방향 모멘트를 산출하는 방법을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 실제 풍력발전기 블레이드 시편과 공탄성 특성이 유사하게 형성된 블레이드 시편; 상기 블레이드 시편에 하중을 가해주기 위한 하중 부여부; 상기 하중 부여부에 의해 상기 블레이드 시편에 하중을 가한 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 각도변화 구동부; 및 상기 블레이드 시편의 표면에 부착되어, 상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 센서부;를 포함하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치를 제공한다.
또한, 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사한 블레이드 시편을 마련하는 단계; 상기 블레이드 시편에 하중을 부여하는 단계; 상기 블레이드 시편에 하중이 부여된 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 단계; 상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 단계; 및 측정된 스트레인으로부터 블레이드 시편에 작용하는 플랩방향 성분 및 엣지방향 성분의 하중을 산출하는 단계;를 포함하는 풍력발전기 블레이드의 시험방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사하게 형성된 블레이드 시편을 제작하고 센서를 이용하여 풍력발전기 블레이드 플랩방향 모멘트 및 엣지방향 모멘트를 산출함으로써, 풍력발전기에 작용하는 바람에 의한 동하중을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 블레이드 폭방향으로 센서를 설치함으로써 블레이드의 루트 부위에 센서의 설치가 어려운 경우에도 효과적으로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드 시험장치의 구성도.
도 2는 도 1에 있어서, 블레이드 시편을 발췌하여 도시한 단면도.
도 3은 도 2에 있어서, 블레이드 시편에 장착된 센서부를 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 있어서, 센서부를 발췌하여 도시한 측면도.
도 5는 도 4에 있어서, 센서부에 의해 측정된 블레이드 시편이 받는 스트레인의 결과를 도시한 그래프.
도 6은 도 5에 있어서, 수학적 해석을 위해 블레이드 시편을 단순화한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드 시험장치의 구성도이다. 도 2는 도 1에 있어서, 블레이드 시편을 발췌하여 도시한 단면도이다.
도 1및 도 2를 참조하면, 풍력발전기 블레이드의 시험장치(100)는 블레이드 시편(110)과, 하중 부여부(120)와, 각도변화 구동부(130) 및 센서부(140)를 포함한다.
블레이드 시편(110)은 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사하게 형성되었으며, 길이 방향으로 비틀림 없는 일정한 단면적으로 성형된다.
블레이드 시편(110)은 실제 풍력발전기 블레이드와 유사한 고유 진동수를 만들기 위해 블레이드 시편(110) 전체를 로하셀(Rohacell)로 성형할 수 있다. 또한, 블레이드 시편(110)의 강도를 높이기 위해 탄소섬유판을 블레이드 시편(110) 일부분에 압착시켜 제작될 수 있다.
하중 부여부(120)는 블레이드 시편(110)에 일정한 하중을 부여한다. 하중 부여부(120)는 블레이드 시편(110) 말단에 설치될 수 있다.
각도변화 구동부(130)는 하중 부여부(120)에 의해 블레이드 시편(110)에 하중을 가한 상태에서, 블레이드 시편(110)의 피치 각도를 변화시킨다. 예를 들어, 각도변화 구동부(130)는 블레이드 시편(110)에 대해 익형의 앞전을 위로 하고 시위선을 수직으로 하여, 피치각도가 0도로 고정된 상태로부터 180도가 될 때까지 시계방향으로 50초마다 1도씩 증가시킬 수 있다.
각도변화 구동부(130)는 실시자의 필요에 따라 시간과 피치각도를 더 크거나 작게 변화 시킬 수 있으므로, 예시된 바에 한정되지 않는다.
센서부(140)는 블레이드 시편(110)의 표면에 부착되어, 블레이드 시편(110)의 피치 각도에 따라 블레이드 시편(110)이 받는 스트레인을 측정해 준다. 측정된 전체 시험시간 동안의 온도변화를 보여주기 위해, 센서부(140)와 인접한 위치에 온도 측정장치(150)가 장착될 수 있다. 이 경우, 초기 온도는 시험이 시작되기 전에 측정되며, 시험 시작 후 측정된 온도변화 값은 센서부(140)에 의해 측정된 스트레인 값을 보정하기 위해 사용된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 시험장치(100)는 블레이드 시편(110)에 센서부(140)를 부착하고, 블레이드 시편(110)에 하중을 가한 상태에서 블레이드 시편(110)의 피치 각도를 변화시켜가며 블레이드 시편(110)이 받는 스트레인을 측정함으로써, 임의의 방향에서 작용하는 동하중의 크기 및 방향과 스트레인의 크기에 대한 관계를 도출해낼 수 있다.
따라서, 상기 도출된 관계를 이용하여, 실제 블레이드에 설치된 센서부를 통해 측정된 스트레인으로부터 역으로 피치 각도와 하중을 계산한 후, 실제 블레이드에 작용하는 플랩방향 및 엣지방향 모멘트를 산출할 수 있다. 산출된 모멘트를 풍력발전기 블레이드의 피치 각도를 개별적으로 조절해 주는 IPC(Individual Pitch Control) 기술에 사용되도록 함으로써, 풍력발전기의 블레이드에 작용하는 동적 하중을 감소시킬 수 있다.
한편, 각도변화 구동부(130)는 클램프(131)와 모터(132)를 포함하여 구성될 수 있다. 클램프(131)는 블레이드 시편(110)을 고정시키기 위한 것이다. 클램프(131)는 블레이드 시편(110)의 익형 형상에 맞도록 제조되어 블레이드 시편(110)을 안정되게 고정할 수 있다. 모터(132)는 블레이드 시편(110)의 피치 각도를 변화시키도록 클램프(131)를 회전시키기 위한 것이다. 모터(132)는 블레이드 시편(110)의 피치 각도를 일정하게 변화시키기 위해 기어비가 1:30인 스텝모터가 사용될 수 있다.
도 3은 도 2에 있어서, 블레이드에 장착된 센서부를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서부(140)는 6개의 센서들(T1,T2,T3,B1,B2,B3)을 포함할 수 있다. 센서들(T1,T2,T3,B1,B2,B3)은 블레이드 시편(110)의 압축면과 흡입면에 각각 3개씩 위치할 수 있다. 즉, 블레이드 시편(110)의 압축면에 센서들(T1~T3)가 블레이드 시편(110)의 폭 방향을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다. 그리고, 블레이드 시편(110)의 흡입면에 센서들(B1~B3)이 블레이드 시편(110)의 폭 방향을 따라 서로 이격되어 위치할 수 있다.
이와 같이, 센서들(T1,T2,T3,B1,B2,B3)을 블레이드 시편(110) 폭 방향으로 설치함으로써 블레이드의 루트 부위에 센서들(T1,T2,T3,B1,B2,B3)을 설치하기 어려운 경우에도 효과적으로 사용이 가능하다.
스트레인 값이 서로 대칭이면서 0도~ 90도 에서 스트레인 값이 0이 되지 않도록 센서 T3와 B1가 구비되고, 대략 15도 보다 피치각도가 작은 각에서는 T1과 B3가 구비되며, 대략 30도 보다 피치각도가 큰 각에서는 T2와 B2가 구비되면, 보다 정확한 분해능을 얻을 수 있다. 다른 예로, 센서부는 4개의 센서들을 포함하여 블레이드 시편(110)의 압축면과 흡입면에 각각 2개씩 배치하는 것도 가능하다.
도 4는 도 3에 있어서, 센서부를 발췌하여 도시한 측면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 센서(T1)는 광섬유 격자 센서(Fiber Bragg Grating Sensor)로 각각 형성될 수 있다. 광섬유 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
광섬유 격자 센서는 코어(Core)와 클래딩(Cladding) 및 외부 피복으로 구성된다. 광섬유 격자 센서는 굴절률이 높은 유리로 형성된 코어와 굴절률이 낮은 유리로 형성된 클래딩 간에 굴절률 차이로 인한 전반사로 빛 신호를 송수신 하여 블레이드 시편(110)의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편(110)이 받는 스트레인을 측정한다. 센서들(T2, T3, B1, B2, B2)도 센서(T1)과 같이 광섬유 격자 센서로 형성될 수 있다.
도 5는 도 4에 있어서, 센서부에 의해 측정된 블레이드 시편이 받는 스트레인의 결과를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서 T2와 B2는 피치각이 0도와 180도일 때 스트레인 값이 0을 보이고 있다. 또한, T1과 B3는 피치각이 약 30도에서 그리고 센서 T3와 B1은 피치각이 약 150도에서 스트레인 값이 0이 되는 것을 확인할 수 있다. 특정 각도에서 스트레인 값이 0이 되는 이유는 블레이드 시편(110) 단면의 중립축이 블레이드 시편이 시계방향으로 회전함에 따라 이격되어 배치된 두 센서를 잇는 선이 일치되어 두 센서가 중립축에 위치하기 때문이다. 그리고, 센서 T1과 B3, T2와 B2, T3와 B1의 경우는 측정된 스트레인의 값이 서로 대칭인 것을 확인할 수 있다.
따라서, 4개의 센서를 이용하여 측정된 스트레인을 이용할 경우 0도~90도 사이의 임의의 하중이 블레이드에 작용하였을 때 하중이 작용하는 각도와 크기를 알아낼 수 있으며, 이 결과를 이용하여 플랩방향 모멘트 및 엣지방향 모멘트를 예측할 수 있다.
이와 같이 블레이드 시편의 피치 각도와 하중에 따라 측정된 스트레인을 토대로, 실제 블레이드에 작용하는 플랩방향의 모멘트와 엣지방향 모멘트를 산출하는 과정에 대해, 도 6과 하기 수학식 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 수학적 해석을 위해 블레이드 시편(110)을 단순화 한 도면으로, 하중각(하중의 방향과 y축 사이의 각) θ와 하중 P에 대해 센서의 스트레인 값을 계산하는 다음과 같은 수학식 1을 유도할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, θ는 하중각(하중의 방향과 y축 사이의 각)이며, P는 블레이드에 작용하는 하중이며, L은 블레이드 길이이며, x는 센서간의 거리이며, My는 플랩방향 모멘트이며, Mz는 엣지방향 모멘트이며, Iz는 z축에 대한 2차 단면모멘트이며, Iy는 y축에 대한 2차 단면모멘트이며, εx는 x방향(블레이드 길이방향)의 스트레인을 의미한다.
상기 수학식 1에 P와 θ를 대입하여 시뮬레이션한 결과, 스트레인 값은 상기 블레이드 시편(110)에 장착된 센서들(T1,T2,T3,B1,B2,B3)에 의해 측정된 블레이드 시편(110)이 받는 스트레인 값과 실험결과가 유사한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 블레이드에서 측정된 스트레인 값(εx)을 이용하여 하중(P)과 하중각(θ)을 역으로 계산하고 수식(1)과 (2)를 이용하여 플랩방향과 엣지방향 모멘트를 계산할 수 있다.
한편, 하중 부여부(120)는 추로 형성될 수 있다. 하중 부여부(120)는 블레이드 시편(110)에 가하는 하중을 변화시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 하중 부여부(120)는 조합 개수에 따라 총 중량을 증감할 수 있는 복수의 추들을 포함할 수 있다. 예컨대, 하중 부여부(120)는 50g의 중량을 갖는 추를 5개 포함하여, 추의 조합 개수에 따라 총 중량을 50g씩 증감시킬 수 있다. 따라서, 필요로 하는 중량을 갖도록 추를 조합하여, 블레이드 시편(110)에 하중을 가한 상태에서, 피치 각도와 하중 변화에 따른 스트레인 값을 측정할 수 있다. 하중 부여부(120)는 실시자의 필요에 따라 무게 및 소재가 달라질 수 있으므로, 예시된 바에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 시험방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실제 풍력발전기 블레이드 시편과 공탄성 특성이 유사하게 형성된 블레이드 시편(110)을 마련한다. 다음으로, 하중 부여부(120)를 이용하여 상기 단계로부터 마련된 블레이드 시편(110) 말단에 하중을 부여한다. 다음으로, 각도변화 구동부(130)를 이용하여 하중을 부여받고 있는 블레이드 시편(110)의 피치 각도를 변화시키고, 센서부(140)를 이용하여 변화된 블레이드 시편(110)의 피치 각도에 따라 블레이드 시편(110)이 받는 스트레인을 측정한다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110.. 블레이드 시편 120.. 하중 부여부
130.. 각도변화 구동부 131.. 클램프
132.. 모터 140.. 센서부
150.. 온도측정 장치

Claims (7)

  1. 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사하게 형성된 블레이드 시편;
    상기 블레이드 시편에 하중을 가해주기 위한 하중 부여부;
    상기 하중 부여부에 의해 상기 블레이드 시편에 하중을 가한 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 각도변화 구동부; 및
    상기 블레이드 시편의 표면에 부착되어, 상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 센서부;
    를 포함하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하중 부여부는 상기 블레이드 시편에 가하는 하중을 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하중 부여부는 조합 개수에 따라 총 중량을 증감할 수 있는 복수의 추들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각도변화 구동부는 상기 블레이드 시편을 고정하기 위한 클램프와, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키도록 상기 클램프를 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 블레이드 길이 방향으로 압축면과 흡입면에 각각 이격되어 배치되며, 압력면과 흡입면에 적어도 각각 2개 이상 장착된 센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각각의 센서는 광섬유 격자 센서로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 시험장치.
  7. 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사한 블레이드 시편을 마련하는 단계;
    상기 블레이드 시편에 하중을 부여하는 단계;
    상기 블레이드 시편에 하중이 부여된 상태에서, 상기 블레이드 시편의 피치 각도를 변화시키는 단계; 및
    상기 블레이드 시편의 피치 각도에 따라 상기 블레이드 시편이 받는 스트레인을 측정하는 단계;
    를 포함하는 풍력발전기 블레이드의 시험방법.
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