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[한국해양과학기술원] 피로수명을 평가하는 장치 및 그 방법

최고관리자　 0 Comments　 1 Views　 20-11-10 15:46　 기계

풍력터빈의 지지구조물에서의 피로수명을 평가하는 장치 및 그 방법

보유기관 및 연구자 : 한국해양과학기술원 연안개발·에너지연구센터 이진학

상담신청 기술문의

TRL09
사업화
- 본격적인 양산 및 사업화 단계
TRL08
시작품 인증/
표준화
- 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
  - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL07
Pilot 단계 시작품
신뢰성 평가
- 시작품의 신뢰성 평가
- 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL06
Pilot 단계 시작품
성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
- 시작품 성능평가
TRL05
시제품 제작/
성능평가
- 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
- 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL04
연구실 규모의
부품/시스템 성능평가
- 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
- 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL03
연구실 규모의
성능 검증
- 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
- 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
- 모델링/설계기술 확보
TRL02
실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립
- 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL01
기초 이론/
실험
- 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계

기술개요: · 본 기술은 계측이 용이한 지지구조물의 임의의 계측지점에서 정적응답과 동적응답을 계측하여 이를 이용하여 계측하고자 하는 목표 지점 즉, 응력 집중부에서의 응력 및 피로수명을 평가하는 풍력터빈 기초의 피로수명 평가 장치 및 그 방법에 관한 것한 기술임

· 본 기술은 설치가 용이한 지지구조물의 임의의 위치에서 계측하여 피로수명을 평가하는 방식이므로 보다 용이한 계측이 가능한 기술임

· 가속도계, 변형률계, 경사계로 동적/정적 응답을 측정하므로 보다 신뢰성 있는 평가가 가능한 기술임

· 본 기술은 현재 풍력 발전 타워에서의 실증 테스트 진행 중임 (이어도, 울돌목 등)

기술의 필요성: · 풍력터빈은 바람이 가지고 있는 운동에너지를 로터에 의하여 1차적으로 기계적 에너지로 변환하고 발전기에 의하여 2차적으로 전기에너지를 생성하는 장치로서, 발전시설인 RNA(Rotor Nacelle Assembly)와 이 RNA를 지지하는 지지구조물로 구성되며, 지지구조물은 타워(tower)와 기초(foundation)로 이루어짐

· 이러한 타워는 발전 과정에서 매우 큰 하중이 인가되며, 이러한 하중이 기초로 전달되어 지지되는 구조인 바, 특히 기초부에 누적되는 하중에 의해 구조물 붕괴 등 안전사고 및 고가 장비 손실이 발생될 수 있는 바, 신뢰성 있는 피로수명 평가가 필요함

기술적 유용성: · 본 기술은 풍력터빈에 인가되는 누적된 하중에 의한 피로수명을 용이하고 신뢰성 있는 방법으로 측정 가능하므로, 누적 피로에 의해 발생할 수 있는 대형 사고를 미연에 방지할 수 있는 유용성이 있음

· 다양한 신재생 에너지 중에서도 특히 풍력발전이 각광받고 있는 점을 고려하면, 향후 기술수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상됨

[해상풍력발전 구조물]

기술의 특징: · RNA(Rotor Nacelle Assembly)와 지지구조물을 포함하는 풍력터빈의 지지구조물에서의 피로수명을 평가하는 장치로서, 지지구조물에 장착되는 가속도계, 변형률계, 경사계를 구비

· 풍력터빈에 관한 수치 해석 모델을 구성하되, 가속도, 변형률, 경사에 관한 계측 결과를 이용하여 수치 해석 모델을 개선

· 개선된 수치 해석 모델을 이용하여, 계측 지점에서의 응답값과 목표지점의 변형률 사이의 관계식을 구성

· 목표지점에서의 변형률을 이용하여 응력값을 획득하고, 획득된 응력값을 이용하여 잔존 피로 수명을 평가함

[피로수명을 평가하는 장치의 구성]

기술의 우수성: · 기존의 풍력터빈의 기초부 응력 측정은 기초와 하부구조물 사이의 연결부에 응력계를 직접 설치하여 계측하는 방식이므로, 시공시 연결부에 응력계가 설치되지 않은 경우 계측이 불가하며, 이 연결부가 항타(driving) 또는 그라우팅(grouting)에 의해 하부구조물 혹은 기초와 연결될 때 응력계가 손상될 가능성이 매우 높다는 문제점 존재

· 본 기술은 설치가 용이한 지지구조물의 임의의 위치에 가속도계, 및 변형률계/경사계를 설치하여 동적응답과 정적응답을 계측하고 이 계측된 응답을 이용하여 응력집중이 발생하는 연결부등 목표 지점에서의 응력을 정확하게 산출하고 이를 이용하여 상기 목표 지점에서의 피로수명을 보다 신뢰성 있게 평가할 수 있다는 우수성을 가짐

[본 기술에 의한 정적응답 및 동적응답 계측을 통한 피로수명 평가 개념]

경쟁동향: · 전 세계에 2016년 설치 완료한 육상풍력 용량은 53.5GW로, 2017년 육상풍력 신규 설비 용량은 2016년보다 2% 높은 54.3GW로 전망되며 이는 2015년 이후 가장 많은 용량임

· 미국과 신흥시장인 인도의 성장세에 힘입어 2018년 이후에도 꾸준한 성장이 지속될 것으로 전망됨 (인도에서는 2017년 1/4분기에만 2016년 전체 신규 설비 용량보다 많은 풍력 발전이 설치되었으며. 육상풍력 신규 설비 용량은 지속적으로 증가하여 2020년에는 약 58GW가 설치될 것으로 전망됨)

· 다만, 중국 북부지역의 육상풍력 감소 추세는 2017년에도 지속될 것으로 보임

시장 동향 및 전망: · 전 세계적으로 풍력발전 설치량이 꾸준한 증가세에 있으며, 2020년에는 63.4GW에 이를 것으로 전망됨

· 해상풍력은 2016년 전 세계 신규 시장을 아시아 국가들이 주도했지만, 설치 완료된 신규 해상풍력 용량은 1.8GW 전망 대비 832MW에 불과함. 이는 북해의 신규 송전선 건설 지연 및 중국의 전망치 변동에 기인하는 것으로 추정됨

· 우리나라의 경우 세계 시장에 비해 규모는 작지만, 꾸준히 증가하고 있는 추세이며, 2004년 100kW 에 불과하던 풍력 시장이, 2015년 853MW 까지 성장하였음