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10MW 풍력터빈 블레이드의 구조 설계 및 해석

전문가 제언: ○ 최근 국제 원유가격의 급등과 환경오염 문제가 대두되어 안전하고 풍부한 풍력 에너지 연구가 활발히 진행되고 있다. 선진국에서는 풍력발전 산업 육성과 보급 확대를 위하여 정부차원에서 지원을 하고 있으며 Vestas 등을 중심으로 5MW 급이 개발, 상용 시제품을 생산하고 있으며 10MW 급을 개발 중에 있다.

○ 해상풍력에서는 속도가 높고 안정적인 바람을 받아 에너지 비용을 줄이려고 로터 직경을 크게 제작하는데 특히 블레이드의 길이를 크게 설계하는 것이 중요한 이슈가 된다. 10MW 대형 풍력터빈 블레이드 구조설계를 위해 블레이드 요소운동량 이론(BEMT)을 사용하고 NREL 5MW 터빈과 동등한 에어포일 형상을 가진 70m 블레이드를 적용하였다.

○ 풍력터빈 블레이드에는 블레이드 익형, 상하 보강부재 스파 플랜지(spar flange), 두 개의 시어 웹(shear webs) 등 다양한 하중 조건에 견딜 수 있도록 강성을 유지하는 3개의 부재로 구성된다. 블레이드의 구조설계는 공기역학적 외부 표면형상과 요구되는 강성을 결정하는 과정이다.

○ 블레이드 해석은 전용 소프트웨어인 SolidWorks를 사용하여 기하학적 형상을 모델링하고, 쉘의 기하학적 형상을 ABAQUS 에 대입하고 블레이드 길이방향으로 38개 부분으로 분할하여 유한요소 해석을 수행한다. NREL은 공탄성 소프트웨어 FAST를 사용하여 IEC 부하조건으로부터 집중하중의 크기와 방향을 계산한다.

○ 블레이드의 가장 가혹한 상황은 정격풍속에서 EOG(Extreme Operating Gust) 및 50년 반복하는 EWM(Extreme Wind speed Model)이었다. 이 경우 풍속은 각각 19.61 및 70m/s 이었고, EWM은 블레이드 피치 각도가 90° 이고 요(yaw) 오차가 15°일 때 발생하였다. 국내 블레이드 전문업체인 데크항공과 KM을 중심으로 대형 블레이드의 국산화 개발 설계 및 제작이 정부지원 하에 국책과제로 진행되고 있다. 향후 국내 풍력산업의 큰 발전을 기대한다.

저자: Kevin Cox, Andreas Echtermeyer
자료유형: 학술정보