12MW급 부유식 해상풍력발전기 블레이드의 피로해석

Abstract

2017년 6월, MHI Vestas에서 세계에서 가장 큰 용량을 가지는 9.5MW급 해상풍력발전기를 설치하였으며 10MW급 해상풍력발전기에 대한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 최근 풍력발전기의 용량이 증가함에 따라 길이 및 무게를 포함한 모든 부품들의 규모가 증가하였다. 따라서 풍력발전기를 설계할 때에는 풍력발전기를 구성하는 부품에 작용하는 피로하중에 대한 분석이 필요하다. 첫 번째 이유는 과잉 설계를 방지하고 안전한 설계를 하기 위해서이며, 두 번째 이유는 풍력발전기의 사고가 대부분 노화된 풍력발전기에서 일어나고, 이는 피로하중과 밀접한 관련이 있기 때문이다. 결론적으로 피로해석의 목적은 설계 수명 내에서 반복되는 하중을 견디는 적절하고 안전한 풍력발전기를 설계하는 것이다.

본 논문에서는 미국신재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)의 5MW급 풍력발전기를 12MW급 부유식 해상풍력발전기로 확장하여 설계한 다음 피로해석을 수행하였다. 풍력발전기 블레이드의 루트부분에 걸리는 하중을 cycle counting method을 통하여 Markov matrix로 나타내었고, 이를 통해 얻은 하중의 range, mean, cycle를 이용하여 설계 수명 20년 기준의 등가피로하중을 계산하였다. 추후 블레이드뿐만 아니라 풍력발전기의 다른 부품들의 피로하중을 함께 고려한다면 좀 더 수준 높은 풍력발전기를 설계할 수 있을 것이다.

키워드 : 부유식 해상풍력발전기, 피로해석, 레인플로 사이클 카운팅, 마코브 매트릭스, 등가피로하중