• 제목/요약/키워드: Wind turbine tower

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Design and calibration of a semi-active control logic to mitigate structural vibrations in wind turbines

  • Caterino, Nicola;Georgakis, Christos T.;Spizzuoco, Mariacristina;Occhiuzzi, Antonio
    • Smart Structures and Systems
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    • 제18권1호
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    • pp.75-92
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    • 2016
  • The design of a semi-active (SA) control system addressed to mitigate wind induced structural demand to high wind turbine towers is discussed herein. Actually, the remarkable growth in height of wind turbines in the last decades, for a higher production of electricity, makes this issue pressing than ever. The main objective is limiting bending moment demand by relaxing the base restraint, without increasing the top displacement, so reducing the incidence of harmful "p-delta" effects. A variable restraint at the base, able to modify in real time its mechanical properties according to the instantaneous response of the tower, is proposed. It is made of a smooth hinge with additional elastic stiffness and variable damping respectively given by springs and SA magnetorheological (MR) dampers installed in parallel. The idea has been physically realized at the Denmark Technical University where a 1/20 scale model of a real, one hundred meters tall wind turbine has been assumed as case study for shaking table tests. A special control algorithm has been purposely designed to drive MR dampers. Starting from the results of preliminary laboratory tests, a finite element model of such structure has been calibrated so as to develop several numerical simulations addressed to calibrate the controller, i.e., to achieve as much as possible different, even conflicting, structural goals. The results are definitely encouraging, since the best configuration of the controller leaded to about 80% of reduction of base stress, as well as to about 30% of reduction of top displacement in respect to the fixed base case.

지반-구조물 상호작용을 고려한 콘크리트 석션식 해상풍력 지지구조물의 지진거동 특성 (Seismic Behaviors of Concrete-Suction-Type Offshore Wind Turbine Supporting Structures Considering Soil-Structure Interaction)

  • 이진호;진병무;배경태
    • 한국전산구조공학회논문집
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    • 제30권4호
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    • pp.319-327
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    • 2017
  • 본 연구에서는 콘크리트 석션식 지지구조물을 사용한 해상풍력발전시스템의 지진응답 해석을 수행하여 그 거동 특성을 파악한다. 전체 시스템을 RNA, 타워, 지지구조물로 구성된 구조계와 이에 접하고 있는 유체 및 지반의 부분구조로 분리하여 운동방정식을 유도한다. 구조계에 작용하는 유체의 동수압과 지반의 상호작용력을 산정하고, 이를 구조계의 운동방정식과 결합하여 전체 시스템의 지배방정식을 도출한 후, 이 방정식의 해를 구하여 해상풍력발전시스템의 지진응답을 계산한다. 해석 결과로부터 지반-구조물 상호작용은 콘크리트 석션식 지지구조물에 의해 지지된 해상풍력발전시스템의 지진응답을 크게 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 지반의 유연성으로 인해 시스템의 고차 고유모드 응답이 증가할 수 있으므로, 해상풍력발전시스템의 동적거동 산정 시에는 반드시 지반-구조물 상호작용의 효과를 고려하여야 할 것이다.

다물체 동역학 시뮬레이션 기반 5MW급 해상풍력발전시스템의 상부구조물에 대한 동적 응답 해석 (Dynamic Response Analysis for Upper Structure of 5MW Offshore Wind Turbine System based on Multi-Body Dynamics Simulation)

  • 이강수;임종순;이장용;송창용
    • 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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    • 제16권4호
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    • pp.239-247
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    • 2013
  • 최근 화석연료의 고갈과 환경오염으로 인하여 해상풍력에너지와 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 범용 동역학해석 프로그램인 MSC.ADAMS를 이용하여 공력하중 및 전기 발전기 토오크를 결정하기 위한 테브난(Thevenin) 방정식이 고려된 해상풍력발전기의 다물체 동역학 해석 기법을 검토하였다. 해석대상으로 고려한 시스템은 5MW급 해상풍력발전기이며, 3개의 블레이드가 수평축 방향에서 역풍을 받아 전기를 생산하는 수평축 풍력발전 형태이다. 블레이드에 작용하는 공력하중은 블레이드 요소 모멘텀 이론을 기반으로 일반화된 동적 웨이크를 고려할 수 있도록 개발된 AeroDyn 프로그램으로부터 산출하였다. 해상풍력발전기의 주요 연결부에서의 동적하중과 토오크 특성이 실제 현상과 유사하게 산출될 수 있도록 하기 위하여, 다물체 동역학 모델 상에 블레이드와 타워는 실제 구조 특성치를 고려한 유연체 모델링을 적용하였다.

풍력발전기용 나셀외장부의 경량화 및 강도향상에 관한 수치해석 (A Numerical Analysis for Light Weight and Strength Improvement of Wind Power System Nacelle Cover)

  • 강지웅;권오헌;정우열
    • 한국안전학회지
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    • 제25권4호
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    • pp.1-6
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    • 2010
  • Wind power system is composed by 3 major parts, rotor blade, nacelle and tower. Especially, the nacelle cover has an important role to prevent the component of nacelle and rotor from an extreme external circumstance. Therefore it is necessary to analyze and evaluate the stress distribution and deformation for them in the design level. There are two major points in nacelle cover analysis. The one is nacelle cover itself and the other is cover support structure. According to GL specification, this study shows the result that CFRP nacelle cover of wind turbine satisfies the strength and deformation through numerical analysis using the commercial finite element analysis program.

극한 해양 환경하중을 고려한 해상풍력터빈 지지구조물의 신뢰성 해석 (Reliability Analysis Offshore Wind Turbine Support Structure Under Extreme Ocean Environmental Loads)

  • 이상근;김동현
    • 한국해안·해양공학회논문집
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    • 제26권1호
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    • pp.33-40
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    • 2014
  • 극한 해양 환경하중을 고려한 해상풍력터빈 지지구조물에 대한 신뢰성 해석을 수행하였다. 신뢰성 해석을 위한 한계상태함수는 mud-line에서 지지구조물의 동적응답으로 정의되며, 동적응답은 정적응답과 동적응답계수의 곱으로 정의된다. 동적응답계수는 설계조건에서의 동적 시간이력응답을 분석하여 구할 수 있다. 허브(Hub) 위치에 작용하는 추력은 GH_Bladed를 사용하여 계산하였으며, 정적하중으로 적용하였다. 동적응답계수는 대수정규분포, 지반물성 중 내부마찰각은 상한과 하한이 결정된 베타분포이며, 그 외 설계변수는 정규분포 확률변수로 취급되었다. mud-line 에서의 동적응답을 통해 정의된 한계상태함수에 따라 일계신뢰도법(First order reliability method, FORM)을 사용하여 해상풍력터빈 지지구조물의 신뢰도지수를 산정하였다.

정전위법에 의한 해상풍력 타워 구조물용 강재의 음극방식을 위한 최적방식전위 결정 (Determination of optimum protection potential for cathodic protection of offshore wind-turbine-tower steel substructure by using potentiostatic method)

  • 이정형;정광후;박재철;김성종
    • Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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    • 제41권3호
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    • pp.230-237
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    • 2017
  • 본 연구에서는 해상풍력 타워 지지구조물용 강재인 S355ML 강에 대하여 전기화학적 기법으로 전기방식 설계에 필요한 최적 방식전위를 규명하고자 하였다. 동전위분극 실험 결과, 양극분극 곡선 상에서는 부동태 구간은 존재하지 않으며, 음극분극 곡선 상에는 용존산소환원반응에 의한 농도분극 구간과 수소가스 발생에 의한 활성화분극 구간이 관찰되었다. 음극방식 시 방식전위에 해당하는 농도분극 구간은 약 - 0.72 V ~ - 1.0 V의 전위 구간인 것으로 확인되었다. 다양한 전위에서 정전위 실험을 실시한 결과 전류밀도 변화는 시간에 따라 안정화되는 경향을 나타냈다. 1200초 동안 정전위 실험 후 주사전자현미경과 3D 분석 현미경을 이용한 시험편 표면 분석 결과, 양극분극 전위에 해당하는 0 V ~ - 0.50 V의 전위구간에서는 양극용해반응에 의한 부식손상이 관찰되었다. 이에 반해 음극분극 전위 영역에서는 대체적으로 손상이 없는 양호한 표면을 유지하였으며 석회질 피막 형성을 확인할 수 있었다. 연구결과, 농도분극 영역에 해당하는 - 0.8 V ~ - 1.0 V의 전위영역이 S355ML 강의 외부전원법에 의한 음극방식 적용 시 최적 방식 전위 구간으로 사료된다.

분포형 광섬유 센서를 이용한 풍력발전기의 기계적 부하 측정 및 모니터링 (Measurement and Monitoring of Mechanical Loads of Wind Turbines Using Distributed Fiber Optic Sensor)

  • 이종원;허영철;남용윤;이근호;김유성;이용배
    • 한국소음진동공학회논문집
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    • 제17권11호
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    • pp.1028-1036
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    • 2007
  • A method for measurement and monitoring of mechanical loads in large slender structures such as wind turbine blade and tower is presented based on continuous strain data obtained from distributed fiber optic sensor. An experimental study was carried out on an aluminum cantilever beam. A static load test was performed and the calculated moment from the distributed fiber optic sensor agree well with the actual applied moment. A series of damages was inflicted on the beam, and vibration tests were carried out for each damage case. The estimated natural frequencies from the distributed fiber optic sensor for each damage case are found to compare well with those from a conventional accelerometer and a numerical analysis based on an energy method.

Wind spectral characteristics on fatigue responses of towerbase and moorings of a floating offshore wind turbine

  • Udoh, Ikpoto E.;Zou, Jun
    • Ocean Systems Engineering
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    • 제9권2호
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    • pp.191-218
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    • 2019
  • The tower-platform interface and mooring system of floating offshore wind turbines (FOWTs) are some of the most critical components with significant influences on overall project costs. In addition to satisfying strength requirements, it is typical and vital to meet fatigue criteria for a service life of 25 years or more. Wind spectra characteristics considered in analysis can penalize fatigue designs, leading to unnecessary costs. The International Electrotechnical Commission (IEC, 2009) recommends the use of site-specific wind data (spectrum, turbulence intensity, etc.) in design of FOWTs, but for offshore sites it is often the case that such data is unavailable and land-based data are used as surrogates in design. For such scenarios, it is worth investigating whether such alternative approach is suitable and accurate, and understanding the consequence of the selection of wind spectral characteristics on fatigue design. This paper addresses the impact of the subsequent selection on fatigue responses of towerbase and mooring system in a FOWT, as a sequel to the paper by Udoh and Zou (2018) which focused on impacts on strength design. The 5 MW semi-submersible FOWT platform with six mooring lines implemented in the preceding study is applied in analysis. Results indicate significant variations in resulting fatigue life with considered wind parameters. Thus, it is critical to apply proper wind spectra characteristics for analysis and design of FOWTs to avoid unnecessary conservatism and costs. Based on the findings of this study, more explicit guidance on the application of turbulence intensities for IEC-recommended models in offshore sites could lead to more accurate load estimates in design of FOWTs.

후류 영향 최적화 기반 실시간 풍력발전단지 발전 제어용 EMS의 설계 및 구현 (Design and Implementation of EMS for Real-Time Power Generation Control of Wind Farm Based on Wake Effect Optimization)

  • 김준형;성기원;정성환
    • 한국멀티미디어학회논문지
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    • 제25권8호
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    • pp.1097-1108
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    • 2022
  • This paper aimed to design and implement an EMS for real-time power generation control based on wake effect optimization of wind farm, and then to test it in commercial operating wind farm. For real-time control, we proposed the wake band-based optimization and setting the wake effect distance limit, and when the wake effect distance limit was set to 7D in the actual wind farm layout, the calculation time was improved by about 93.94%. In addition, we designed and implemented the script-based EMS for flexible operation logic management in preparation for unexpected issues during testing, and it was installed and tested on a wind farm in commercial operation. However, three issues arose during the testing process. These are the communication interface problem of meteorological tower, the problem of an abnormal wake effect, and the problem of wind turbine yaw control. These issues were solved by modifying the operation logic using EMS's script editor, and the test was successfully completed in the wind farm in commercial operation.

공중 풍력발전 기술개발 현황 및 시장전망 (Technical Development Status and Market Prospects for High Altitude Wind Power Generation System)

  • 강승원;길두송;박동수;정원섭;김의환
    • 신재생에너지
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    • 제7권2호
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    • pp.36-42
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    • 2011
  • The wind speed at the altitude around 300 m is much higher and less variable than at the altitude around 80 m which is the same height of the MW class tower turbine's hub height. The wind power density is increased 0.37 W/$m^2$ per meter at the altitude around 6 to 7 km and 0.25 W/$m^2$ per meter at the altitude around 80 to 500 m. There are two types of power generation systems using lifting bodies. The one is that The generator is installed in the ground station and stretched into the lifting body through the tether. The other is that the generator is installed in the lifting body and stretched into the ground station through the tether. Many kinds of lifting bodies are also researched in the world, called kites, wings, single or twin aerostat, and so on. This article introduced the technical development status and the market prospects of the high altitude wind power generation system all over the world in detail.