풍력발전기 나셀 내부의 조기 화재감지기 설계와 화재모니터링 통신방법에 관한 연구

위황 서울과학기술대학교 2018 국내석사

최근 국내에서도 신재생에너지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 여러 종류의 신재생에너지 중에서도 대표적인 풍력발전소와 풍력발전단지의 보급이 점차 확대되고 있는데, 이렇게 풍력발전 에너지에 대한 산업 규모의 증가와 함께 풍력발전기에 대한 안전사고의 발생도 매년 증가하고 있다. 특히, 풍력발전기의 동력전달장치 부분인 나셀(Nacelle)의 내부는 기어박스, 베어링, 유압계통, 전원장치, 컨버터, 변압기, 브레이크 등으로 구성되어 있는데, 윤활유 및 전기계통 등에서 가연성 물질에 의한 위험 인자들이 상시 존재하고 있어, 낙뢰나 내부적인 기계결함에 의한 화재가 빈번히 발생하고 있다. 세계적으로도 풍력발전을 사용하는 해외 각국에서는 풍력발전을 이루는 구성 중에 풍력터빈에 대한 화재 예방 규정을 제도화하여 적용하고 있으며, 국내에서도 최근 2016년도에 “발전용풍력설비판단기준”에서 화재로부터 풍력터빈을 보호하기 위한 화재방호설비 시설 의무규정을 신설하였다. 본 연구는 풍력발전기의 나셀 내부에서 화재의 발생 여부 및 화재가 발생할 수 있는 징후를 미리 확인할 수 있도록, 국내외 현행규정에 맞는 고감도 화재감지기의 설계방법 및 다수의 풍력발전기에 대한 화재감시 모니터링 네트워크를 구축하는 통신방법에 관하여 연구하고자 한다. 먼저, 나셀 내부에 대한 환경적인 특성을 연구하고 이에 적용할 수 있는 화재감지기들의 감지능력 및 감지방법 등을 종류별로 비교하여 분석한 후에 그 중, 가장 적응성이 있고 실정법에 맞는 고감도 화재감지기로 판단하여 선정한 아날로그식 공기흡입형 연기감지기(Air Sampling Smoke Detector)를 나셀의 내부에 설계하는 방법에 대하여 설명하였다. 또한, 설계에 적용한 공기흡입형 연기감지기의 적응성에 대하여 연기감지기 공기 흐름 모델링 프로그램의 결과 데이터를 분석하여, 실제로 조기에 화재를 감지할 수 있는지에 대해서 분석하였다. 이러한 결과를 종합방재실 또는 관제상황실에서 확인할 수 있도록, 다수의 풍력발전기를 연동하여 실시간으로 환경상태를 감시할 수 있는 화재감시 모니터링에 대한 감지기 간의 네트워크 통신 구성방법들을 제시하였다. Recently, interest in renewable energy is increasing in Korea. Among the various types of renewable energy, representative wind power plants and wind power generation complexes are increasingly spreading. As a result of such an increase in the size of wind power generation industry, safety incidents for wind power generators are increasing every year. Especially, Nacelle, which is the power transmission part of wind turbine, is composed of gear box, bearing, hydraulic system, power supply, converter, transformer and brake. In case of lubricant and electric system, Are frequently present, and fire caused by lightning or an internal mechanical defect frequently occurs. Worldwide, overseas countries using wind power generation have systematically applied the fire prevention regulations for wind turbines among wind turbines, and in Korea, recently, in 2016, "Wind turbine for power generation facilities" And the requirements for fire protection facilities were newly established. In this study, a method of designing a highly sensitive fire detector according to current domestic and foreign regulations and a fire monitoring system for a large number of wind generators were established so that the presence of a fire in a nacelle of a wind turbine generator and the signs that a fire could occur can be confirmed in advance We want to study communication method. First, the environmental characteristics of the nacelle are studied, and the detection ability and the detection method of the fire detectors that can be applied to the nacelle are compared and analyzed. Then, the most suitable and the high sensitivity fire detector A method for designing an air sampling smoke detector has been described. In addition, we analyze the result data of the smoke detector airflow modeling program about the adaptability of the designed detector to analyze whether it can detect fire early. In order to confirm these results in a comprehensive disaster prevention room or a control room, a method of network communication configuration between detectors for fire monitoring capable of monitoring environmental conditions in real time by linking a plurality of wind power generators is presented.

다중등급 대용량 풍력발전시스템 개발

김대영 부산대학교 대학원 2021 국내박사

풍력발전기의 드라이브-트레인 진동응답에 대한 피치 게인-스케쥴링의 효과에 관한 연구

조준철 한밭대학교 산업대학원 2012 국내석사

Both power controller and load controller have to be included in wind turbine control systems. The power controller consists of torque controller and pitch controller. The fundamental and important load controller is known as the drive-train damper. The actual wind turbine is a very higher-order system which is comprised of blades, low-shaft, gearbox, generator and tower. It is very difficult to consider all of the dynamic behaviors of a wind turbine when we design the power controller and the load controller. So a practical method is to design them separately. Vibration of drive-train under wind loads is one of the most influential factors on dynamic load of a wind turbine. For this reason, 2-mass model of wind turbine including vibration mode of drive-train is used in simulation. Only gear ratio is considered when using 1-mass model for designing power controller. The pitch controller is affected by nonlinear characteristics of aerodynamic torque. So using gain-scheduling on the pitch controller, which is operated above rated wind speed, is very important in the region of high wind speeds. Even if the drive-train vibration of a wind turbine is considered for load controller, the pitch controller of a wind turbine is affected by the drive-train vibration. In this case, the effects of pitch gain-scheduling and the stability of the pitch controller are needed. In this paper, 2-mass model with drive-train vibration mode of a 2MW wind turbine is used. The 2MW wind turbine model has been implemented in Matlab/Simulink for numerical simulations under the step wind speed and turbulence. Step wind speeds are used to investigate transient responses and steady-state characteristics. It was confirmed that the overall system might be unstable by the drive-train vibration in the regions of high winds more than 20 m/s in the case without pitch gain-scheduling. But in the case of using pitch gain-scheduling, it was shown that stability is guaranteed in the regions of high winds more than 20 m/s due to the influence of pitch gain-scheduling. 풍력발전기의 제어에는 출력제어와 하중제어가 있다. 출력제어는 토크제어와 피치제어가 사용되며, 하중제어는 드라이브-트레인 댐퍼가 사용된다. 풍력발전기 제어기 설계 시 출력제어와 하중제어를 동시에 고려하여 설계하여야 한다. 실제 풍력발전기는 블레이드, 저속 회전축, 기어박스, 발전기, 타워 등 다양한 구성요소로 이루어진 고차의 복합시스템이다. 풍력발전기의 모든 동적거동을 고려하여 제어기를 설계하기가 매우 어려우며 실용적인 방법으로 출력제어와 하중제어를 각각 따로 설계한다. 드라이브-트레인의 진동은 동적하중에 가장 큰 영향을 미치는 요소임으로 이를 고려해 풍력발전기는 2-질량 모델로 표현할 수 있다. 하지만 출력제어는 기어박스 기어비만 고려한 1-질량 모델을 이용하여 설계하였다. 정격 풍속이상에서 피치각을 조절하여 정격출력을 생산 및 유지하는 피치제어는 공기역학적 토크의 비선형적 특성에 큰 영향을 받고 피치제어 시 피치 게인-스케쥴링이 필연적으로 사용된다. 드라이브-트레인 진동을 고려한 풍력발전기의 피치제어는 하중제어를 사용하여도 드라이브-트레인 진동의 영향을 준다. 이 경우 피치 게인-스케쥴링이 피치제어기 응답에 미치는 영향과 안정성 확인이 필요하다. 본 논문에서는 2MW 풍력발전기를 대상으로 드라이브-트레인 진동을 고려하여 설계하였으며, 피치제기는 PI 제어기와 1-질량 모델을 이용하여 발전기 회전속도를 피드백 받아 기준입력인 발전기 정격 회전속도와의 오차를 최소화하는 폐루프 시스템 형태로 설계하였다. 피치 게인-스케쥴링은 피치각에 따른 게인제수(Gain Divisor)값이 각각의 피치제어기 게인값을 나누어 주는 방식으로 설계하였다. 토크제어는 최적모드게인을 이용한 방법, 하중제어인 드라이브-트레인 댐퍼는 GH-Bladed에서 사용하는 드라이브-트레인 댐퍼 필터 방법으로 설계하였다. Matlab/Simulink에서 2MW 풍력발전기 모델을 구현하여 계단풍속과 난류풍속에 대한 수치실험을 실행하였다. 과도응답과 정상상태 특성을 확인하기 위해 계단풍속을 사용하였으며, 계단풍속은 정격풍속 이상의 영역을 확인하기 위해 10~25 m/sec를 20초 단위로 3 m/sec씩 증가하는 방법으로 구현하였다. 드라이브-트레인 댐퍼는 사용하고 피치 게인-스케쥴링은 사용하지 않는 경우 전체적인 진동은 감소하나 고풍속 영역(20 m/sec 이상)에서 불안정해짐을 확인하였다. 피치 게인-스케쥴링과 드라이브-트레인 댐퍼를 사용한 경우 피치 게인-스케쥴링의 영향으로 고풍속 영역(20 m/sec 이상)에서의 불안정성을 제거하여 안정화됨을 확인하였다. 실제 풍속과 유사한 특성을 지닌 평균풍속은 23 m/sec, 난류강도는 20%인 10분간의 난류풍속으로 구현하였다. 난류풍속 풍속에 대해 정량적으로 분석한 결과 피치 게인-스케쥴링의 사용으로 인해 출력의 평균값은 약 1.6% 증가하였으며 축 토크의 등가하중은 약 62% 감소하였다.

풍력발전기 운전특성 분석

金賢漢 강원대학교 2007 국내석사

풍력발전은 바람의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로 바람의 세기에 따라 계통에 병입 및 분리가 반복되는 특성이 있어 어느 분산형 전원보다 계통에 미치는 영향이 큰 발전시스템이다. 특히 풍력발전 단지는 대부분 지리적 여건상 바람의 에너지를 얻기 용이한 산간 고지대나 해안가 등에 위치하고 있으며 또한 계통 연계지점이 배전선로의 말단인 경우가 많아 풍속의 변화에 따른 급격한 출력 변동이 배전선로의 전압/주파수 등 전력 품질에 여러 가지 영향을 미치고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 풍력발전기 운전 특성이 계통에 연계될 경우 전력 품질에 미칠 수 있는 문제점을 검토 분석하였다. 분석방법은 대관령풍력실증단지의 동기발전기 및 Double Fed형 유도발전기와 현재 강원도청에서 대관령에 설치 상업운전중인 직결식 유도발전기(Vestas社 V-47)의 출력 자료를 근거로 분석하였다. 대관령풍력실증단지의 Data값 취득은 전력에너지시스템연구실에 설치된 원격감시시스템(ION Enterprise 5.5)을 이용하였으며 강원도청에서 대관령에 상업운영중인 Vestas V-47 유도발전기는 전력품질분석기(Dewetron PNA-3010)를 이용하여 전력품질을 분석하였다. 대관령 풍력실증단지의 동기발전기는 영구자석을 이용한 동기발전기이며 유도발전기는 인버터를 이용하여 여자전류를 공급는 Double Fed형식의 유도발전기다. 또한 강원풍력의 Vestas V-47 유도발전기는 계통에서 직접 여자전류를 공급받는 직결식 유도발전기이며 기동시 전압강하 방지를 위하여 Soft Start를 이용하고 있다. 2005년 제정된 한전의 풍력발전 계통연계기술 업무지침에 의하면 한전의 전력공급설비와 발전사업자의 발전설비가 전기적으로 접속할 경우 연계를 가능하게 하기 위한 기술적 요건을 정하고 이것을 만족하는지 여부를 검토하도록 되어 있으며 세부항목으로는 공급신뢰도 측면의 계통연계 기술요건의 적합성, 보호협조 분야와 전력품질 측면으로 구성되어 있고 전력품질에는 전압 및 주파수 변동과 플리커 발생, 고조파 함유율 등으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 풍력발전기의 가장 큰 특징인 높은 기동/정지 빈도와 급격한 출력 변동 현상을 측정 하였으며 이러한 특징이 전력계통에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 검토하였다. 전력품질 측면에서는 무효전력과 역률 및 고조파와 주파수 변동 그리고 전압 불평형 정도를 측정하였으며 발전중 순시전압강하 및 전압/전류 과도현상에 대해서도 측정 분석하였다. 또한 이렇게 각 발전기 형식별 측정한 내용을 상호 비교분석하여 풍력발전 시스템이 전력품질에 미치는 주요 원인을 밝혔다. 이러한 풍력발전기 운전 특성 분석이 향후 전력품질 향상을 위한 효과적인 해결방안 제시에 많은 도움이 되기를 기대한다.

풍력발전기 나셀의 화재위험성 및 소화성능 평가방법에 관한 연구

정수빈 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2024 국내석사

본 연구는 풍력발전기 나셀에서 발생하는 화재에 대해 화재위험성을 분석 하고 풍력발전기 나셀 화재방호대책 마련을 위해 적합한 소화성능을 평가하 는 방법에 관한 연구이다. 전 세계적인 친환경 운동과 정부 기조로 인해 풍력발전기 산업이 성장하 고 있으나 화재에 대한 위험도 커지고 있다. 풍력발전기에서 발생하는 화재 는 설치 위치의 특성상 사람이 상주하지 않기 때문에 화재 진압이 어려우며 사례를 파악한 결과 국내에서 발생한 풍력발전기 화재는 모두 전소하였다. 이에 풍력발전기에서 발생할 수 있는 화재에 대한 시나리오 분석과 FDS 화재시뮬레이션을 이용한 화재위험성을 분석하였다. 풍력발전기는 국내법상 소방대상물이 아니어서 화재방호대책에 대한 기준 이 전무하다. 이에 나셀에서 발생할 수 있는 화재를 조기에 소화하기 위한 설비를 제안하고 나셀 내부에 존재하는 발화원을 소화하는 실험을 통해 검 증하였다. 이후 소화설비가 효과적임을 확인하여 실제 나셀을 이용한 Testbed에서 나셀 화재를 모사하여 소화하는 실험을 통해 제안된 소화설비 를 평가하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 풍력발전기 화재에 대해 국내외 법령과 기준을 분석하여 미비점 및 차이점을 확인하였다. 확인 결과 국내는 현재 풍력발전기의 화재방호에 대 한 성능기준이 미비한 실정으로 법령 및 기준 개정이 필요하다. 국외는 풍 력발전기에 화재방호대책을 권고 또는 규정하고 있어 이를 참고하여 국내 실정에 맞는 풍력발전기 화재안전기준이 제시되어야 한다. 둘째, 풍력발전기의 화재 분석을 위해 사례와 통계 등을 분석하여 풍력발 전기 화재에 적합한 소화약제를 제안하였다. 국내외 통계 및 사례 분석 결 과 및 풍력발전기 화재 시나리오를 바탕으로 다양한 화원에 대한 적응성을 평가한 결과 FK-5-1-12 소화약제가 풍력발전기 화재에 효과적일 것으로 판단된다. 셋째, 풍력발전기 나셀 화재의 위험성을 확인하기 위해 풍력발전기 화재 시나리오를 바탕으로 국외 기준에 나타난 표준가연물을 선정해 화재 시뮬레 이션을 진행하여 초기에 화재를 진압해야 할 필요성을 검증하였다. 넷째, 시뮬레이션을 바탕으로 풍력발전기 나셀 화재의 조기 진압을 위해 단점을 개선한 화재방호대책으로 국소방출방식의 할로겐화합물 소화약제 소 화장치를 제안하여 실험을 진행한 결과 기존 전역방출방식 소화설비보다 우 수한 성능이 나타나는 것을 확인하였다. 다섯째, 제안한 소화설비의 실증실험을 위해 풍력발전기 나셀 Testbed를 구축하여 실제 화재에 적응성이 있는지 평가하였다. 실험 결과 풍력발전기 나셀 화재에 효과적임을 확인하였다. 제안한 소화설비를 풍력발전기 나셀 내부에서 화원을 감지하는 기술과 접 목한다면 이를 바탕으로 풍력발전기 나셀의 초기화재 진압이 가능하며 피해 최소화에 효과적일 것으로 판단된다.

3-5MW급 풍력발전기 운반용 가이드프레임 설계

이유정 부산대학교 대학원 2019 국내석사

풍력발전기 출력 안정화를 위한 BESS 운영에 관한 연구

류기환 숭실대학교 일반대학원 2012 국내석사

The renewable energy sources have huge advantages which are infinite and clean. For these reasons, development of the renewable energy sources has shown rapid growth over the world and the connection of large capacity of the renewable energy sources to existing network has been getting increase. However, the renewable energy sources have characteristics that are intermittent and low quality of power and those disadvantages have an effect on disturbance of renewable energy sources spread. Introduction of energy storage system has been started to solve many problems which occur by connecting renewable energy sources to existing system. It shows that high quality of power from renewable energy sources can be supplied through charge and discharge operation of energy storage system. In this thesis, effectively ESS(Energy Storage System) application method is studied to operate existing system connected renewable energy sources which has been shown fastest growth among the renewable energy sources in the world with stable condition. First, this thesis introduces output smoothing method to mitigate unstable system with renewable energy sources and then simple average method is proposed to set target output. Output smoothing algorithm considering constraint of BESS is presented and coded by MATLAB. Also the result of renewable energy sources output smoothing is analyzed through application of proposed operation algorithm which is considering constraint of BESS. 신재생에너지원은 무한정한 청정에너지라는 장점을 가진다. 이러한 이유로 최근에는 신재생에너지원은 세계적으로 빠르게 성장하고 있고, 기존의 계통에 대용량 신재생에너지원의 연계가 계속해서 증가하고 있다. 그러나 신재생에너지원은 출력의 간헐성 및 생산되는 전력의 품질이 낮다는 단점은 보급 확대에 장애요소로 작용하고 있다. 기존의 계통에 많은 신재생에너지원이 연결됨에 따라서 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 에너지저장장치의 도입이 시작 되었다. 에너지저장장치의 충․방전을 통해서 신재생에너지원의 불안정한 출력을 안정화하여 고품질의 전력공급을 할 수 있다. 본 논문에서는 신재생에너지원 중에서 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 풍력발전기를 안정적으로 기존의 계통에 연계하여 운영할 수 있도록 BESS를 도입하여 운영하는 방법을 연구하였다. 풍력발전기를 연계하였을 때 불안정한 출력을 완화시키기 위한 출력 안정화기법을 소개하고, 목표 출력을 설정하기 위한 방법론을 제시하였다. BESS의 제약조건을 고려한 출력 안정화 알고리즘을 제시하고, 이를 프로그래밍 언어인 MATLAB으로 구현하였다. 또한 BESS의 제약조건을 고려한 운영 알고리즘의 적용 유, 무에 따른 출력변동률에 따른 풍력발전기 출력 안정화의 효과를 분석하였다.

풍력발전기 나셀 내부의 소방시설 최적화에 관한 연구

정광민 가천대학교 산업환경대학원 2022 국내석사

최근 지구 온난화로 인한 화석연료의 대체로 신재생에너지의 사용 비율이 높아지고 있다. 신재생에너지는 신에너지와 재생에너지를 합한 복합적 의미를 내포하고 있다. 신에너지는 연료전지, 석탄액화가스, 수소에너지 등이 있고, 재생에너지는 태양광, 태양열, 바이오매스, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등이 있다. 우리나라의 풍력발전기 설치 현황은 해상과 해양으로 크게 2가지 유형으로 설치되어 있으며, 풍력발전기에 대한 수요는 늘어나는 추세이다. 우리나라는 1975년 3월 22일 한국과학원에서 경기도 화성군 송산면 어도에 세운 2 KW급 풍력발전기가 공식적인 국내 최초 풍력발전기로 기록되어 있고, 국내 최초 산업용 풍력발전단지인 제주 행원풍력발전단지는 1997년 600 KW급 풍력발전기 2기를 설치해 1998년 8월 상업운전을 시작했다. 이후 한국풍력산업협회 2020년 6월 기준 풍력발전기는 750기, 106단지, 1,641.615 MW급 설비용량을 설치하였고, 이는 2019년 기준 우리나라 전체 발전설비용량 125,338 MW중 신재생에너지 발전설비 비중은 전체의 13%이며, 이중 풍력발전기는 신재생에너지의 10% 전체로는 약 1,3% 정도이며, 정부는 2030년 재생에너지의 발전량기준을 20%, 2050년 재생에너지의 발전량기준을 40%로 풍력발전기에 대한 수요는 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상된다. 2010년 기준 설치된 226기 풍력발전기는 소방시설이 설치되어 있지 않고, 2011년∼2015년 사이에 설치된 206기는 제조사별로 법적인 규정없이 자체적으로 설치하였다. 2016년 이후에 설치된 318기는 산업통산자원부 공고 전기설비기준의 판단기준을 근거로 제21조 “500 KW 이상의 풍력터빈의 나셀 내부의 화재 발생 시 이를 감지하고 소화할 수 있는 화재방호설비를 시설하여야 한다.” 라고만 표기되어 있는 실정이다. 본 연구는 풍력발전기에 적합한 소방시설에는 어떠한 것이 있는지 다음과 같이 분석하였다. 1. 먼저 풍력발전기의 기본원리와 구성에 대해 이해 2. 화재에 취약한 설비가 집중되어 있는 나셀, 변압기, 타워하부 등에 대한 조사 3. 기존에 설치된 풍력발전기 나셀 내부에 소방시설 설치사례 제시 및 문제점 분석 4. 풍력발전기 화재사례를 통한 문제점 분석 이에 분석한 결과를 토대로 소방법적인 부분에 대한 조사 및 적합한 소방시설에 대한 방안을 제안하였다. 1. 국내 법적인 기준 및 해외 기준 조사 2. 풍력발전기 나셀 내부에 적합한 소화약제, 제어부, 감지기, 통합관리시스템 제안 3. 설치된 소방시설에 대한 운영 매뉴얼 정립 이를 통하여 풍력발전기 나셀에 적합한 최적의 소방시설은 나셀 화재 특성상 유류, 전기화재로 가스계소화설비 또는 고체에어로졸소화설비가 적응성이 있는 것으로 분석되나, 설치 후 유지관리, 방호체적당 소화약제량, 온도 적응성, 나셀내부가 복잡하여 내부공간이 적은 점을 감안하여 고체에어로졸소화설비가 적응성 있는 것으로 판단된다. 감지기는 나셀 내부의 환경이 기류의 영향과 온도차가 심한 것을 감안하여 공기흡입형감지기, 불꽃감지기로 적용하였으며, 일반감지기는 적응성이 현저히 떨어졌음을 확인하였다. 또한, 통합관리실에서는 실시간으로 영상을 통해 현장을 감시하는 기능이 있는 영상일체형 불꽃감기를 설치함으로서 화재 전·후 녹화, 감시, 문자전송을 받음으로서 초기화재에 신속한 대응을 할 수 있을 것으로 판단된다. 풍력발전기 나셀 내부를 소방법에 적용시켜 적합한 최적의 소방시설을 설치 후 유지관리를 철저히 함으로서 화재사고를 미연에 방지하여야 함을 법과 제도의 보완적인 측면에서 정리하였다.

2 MW 풍력발전기 시스템 설계에 관한 연구

최만수 목포대학교 대학원 2014 국내박사

현재 직면한 에너지 부문의 큰 난제로 화석연료의 한정된 매장량으로 인한 수급불안과 그 사용에 따른 환경오염이 점점 심각해지고 있어. 중장기적인 관점에서 석유의존도를 개선하고 신재생에너지원을 확보하는 대책이 시급하다. 본 연구에서는 신재생에너지 공급원 중 큰 역할을 하고 있는 풍력발전기 설계에 대한 연구이다. 특히, 현재까지 국내에서는 독자적 설계기술이 완성되지 않은 MW급 대형 풍력발전기에 대한 설계 공정을 정립하고, 2 MW 풍력발전기의 설계를 제시하였다. 특히, Gearless 풍력발전기에 적용되는 외륜 회전 로터형 영구자석식 동기발전기를 설계하고, 시제품 제작과 현장 시험을 통해 설계를 검증하였다. 터빈 설계에 있어서 국제규격 IEC 61400-1 안전 요구사항에 언급된 설계하중을 허브, 발전기 구조체, 메인프레임 그리고 타워등에 적용하여 구조해석과 강도설계를 반복한 결과 극한하중에 대한 안전율 1.0 이상 및 피로하중에 대한 손상율 1.0 이하의 설계를 제시하였고, 타워의 진동 해석을 통해 고유진동수를 파악하였으며, 운전 중 공진을 회피 하기위해 로터가 7∼8 RPM에서 운전되지 않도록 하는 제어의 기준을 제시하였다 그리고 96%의 효율을 가지는 외전형 동기발전기의 설계를 제시하였다. 특히, 효율을 높이기 위해 자석의 와전류 손실과 로터 코아 손실을 분석하고 이를 최소화 하기위해 분할된 영구자석의 사용이 제안 되었다. 이러한 손실들이 열로서 발생한 후 냉각되어지는 경로를 분석함으로서 발전기의 스테이터 냉각시스템 설계에 대한 방향도 제안하였다. 또한 로터에 사용된 분할 자석간의 상호 작용하는 힘을 분석하였으며, 발전기의 신뢰성을 향상시키기 위해 자석상호 간의 힘을 극복할 수 있는 고정 기구 설계 방향도 제안하였다. 본 연구에서 제시된 설계 공정으로 국내에서 10 MW급 풍력발전기 설계까지 가능하며, 10 MW급 이상의 해상풍력발전기 설계에도 응용 될 수 있을 것으로 기대된다. The world is facing a global energy crisis as the rate of extracting fossil fuels, which are limited in supply, are unable to meet the increasing demands. The use of fossil fuel also causes significant environmental impact on a global scale. It is vital for us to limit our reliance on fossil fuels and advance and develop alternative renewable energy sources. This paper outlines the research in the development of wind turbine generators, which is poised to play a major role in renewable energy. The process to design MW-class capacity wind turbine generators, which are currently not being independently designed in Korea, is established, and detail design for developing a 2 MW wind turbine generator is proposed. A outer-rotor type permanent magnet synchronous generator for a gearless wind turbine has been designed, prototyped and tested. The hub, structure of generator, main frame, and the tower of the turbine have been designed to meet the load requirements of the IEC 61400-1 international standards. Repeated design and analysis showed a safety factor greater than 1.0 under extreme load, and a damage rate of less than 1.0 during fatigue load. The natural frequency of the tower was found through an analysis of the vibrations, and as a result, the rotor is set to not operate between 7∼8 RPM to avoid resonance. In addition, a design for a 96% efficient outer-rotor type synchronous generator is proposed. In order to raise the efficiency of generator, eddy current loss of permanent magnet and core loss of the rotor have been analysed, and segmented permanet magnet is suggested because of less eddy current. The heat caused by losses of rotor has been analysed and the capacity of stator cooling system has also been suggested by analysing heat transfer. And the forces between the segmented magnets are analysed. This report suggests that magnet fixture have to overcome the magnet's forces. The findings of this research can be used to design under 10 MW wind trubine generator, and it is appllicable to the off-shore wind turbine generators with over 10 MW.

수평축 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 및 실증에 관한 연구

강명보 제주대학교 대학원 2024 국내박사

본 연구에서는 소형풍력발전기의 역설계를 통한 익형 형상 데이터 취득에서부터 공력해석을 통한 신형 블레이드 설계 및 제작, 현장 실증을 통한 성능 데이터 수집 및 검증까지 전주기에 관한 연구를 수행하였다. (1) 상용 3kW급 소형풍력발전기와 역설계를 통한 공력해석 모델을 풍속 구간별 출력량 오차율을 계산한 결과 평균 오 차율은 5.1%로 3kW급 소형풍력발전기 공력해석을 위해 수립한 3차원 공력해석 모 델의 타당성을 확보하였다. (2) 익형 S822, S823, FX63, BW-3, SG6042 총 5종에 대해 ANSYS-CFX를 활용하여 받음각 1° ~ 12°까지 2차원 공력해석을 수행 후, 출 력 곡선 경향성 및 익형의 형상이 가장 유사한 S822, S823 익형을 선정였고 Q Blade를 출력성능을 분석한 결과 성능이 소폭 증가한 총 8가지 케이스를 3차원 공 력해석을 위한 블레이드 설계안으로 선정하였다. (3) ANSYS-CFX를 활용한 3차원 공력해석을 통해 8가지 케이스 별 토크값을 계산한 결과, S823 airfoil Case #4의 경우 토크값은 109.3730N·m, 출력값은 3.281kW로 산출되어 정격 출력 구간에서 기존 상용 풍력발전기 대비 7.4%의 출력 향상을 나타내었다. (4) 최종 선정한 S823 airfoil Case #4를 실제 제작하여 상용 소형풍력발전기에 탑재 후 운영데이 터를 확보하였다. 공력해석 결과와 운영데이터 결과를 상호 비교 분석한 결과 평균 7.28%의 오차율로 3차원 공력해석 모델의 타당성을 검증하였다. 특히 정격 출력 구간인 10m/s에서는 오차율이 5.5%로 매우 정확한 3차원 공력해석 모델임을 검증 할 수 있었다.