• 대한기계학회논문집A
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• 제36권9호
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• pp.1087-1094
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• 2012

본 논문에서는 구조 시험과 유한요소해석을 통하여 소형 풍력발전용 복합재 블레이드의 구조적 안전성을 평가하였다. 먼저, 선행연구에서 공력해석을 수행하여 정격 및 극한 풍속일 때의 블레이드가 받는 굽힘 모멘트를 산출하였다. 이를 이용하여 소형풍력발전기 관련 국제 규격인 IEC 61400-2에 따른 실규모 구조 시험을 수행하여 구조적 안전성을 평가하였다. 그리고 유한요소법을 이용한 구조 해석을 수행하여 구조 시험 결과와 비교하여 이의 정확성을 판단하였다. 또한, 구조 시험을 통해 블레이드에 대한 과잉 설계가 확인되었으며 이의 해결을 위하여 블레이드의 적층 순서 및 두께를 재선정하여 구조적 안전성을 평가하였다.

• 한국생산제조학회지
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• 제20권1호
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• pp.28-33
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• 2011

In this paper, structural design for 2kW class composite blade is performed by using design of experiment(DOE). A full factorial design is applied to meet the design specifications at the manufacturing process. The analysis of variance(ANOVA) is made in order to determine the significance of effects in an analysis. Structural analysis by using of commercial software ABAQUS is performed to compute the displacement and safety factor of filament wound composite blade. The results show that the proposed method is suitable to analyze the factors at the design of wind turbine blade.

• Composites Research
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• 제28권3호
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• pp.104-111
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• 2015

본 연구에서 자연 섬유를 적용한 500W급 수평축 풍력 터빈 블레이드의 구조 설계 연구를 수행하였다. 기존의 유리섬유 재질 적용 블레이드와 아마 섬유 재질 적용 블레이드의 구조 설계 결과를 비교하였다. 블레이드의 구조 설계는 단순 설계 및 혼합 설계 기법를 적용하여 설계를 수행하였다. 설계된 블레이드의 구조적 안전성은 상용 유한요소프로그램을 사용하여 다양한 하중에 따라 선형 정적해석, 변형 해석, 좌굴 해석을 수행하였다. 제작공법으로는 RIM를 채택 하였으며, 시제품 제작을 통해 자연섬유에 완전 침투까지 요구된 시간을 Poly-worx 프로그램 해석 결과와 제작 결과를 비교하였다. 제작된 시제품 블레이드는 변형률, 고유 진동수, 변위 시험을 수행하여 구조해석 결과와 비교하였다. 비교 결과에 따라 해석 결과와 시험 결과가 잘 일치함을 확인하였다.

• Steel and Composite Structures
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• 제19권5호
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• pp.1115-1144
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• 2015

Current climate conditions along with advances in technology make further design and verification methods for structural strength and reliability of wind turbine towers imperative. Along with the growing interest for "green" energy, the wind energy sector has been developed tremendously the past decades. To this end, the improvement of wind turbine towers in terms of structural detailing and performance result in more efficient, durable and robust structures that facilitate their wider application, thus leading to energy harvesting increase. The wind tower industry is set to expand to greater heights than before and tapered steel towers with a circular cross-section are widely used as more capable of carrying heavier loads. The present study focuses on the improvement of the structural response of steel wind turbine towers, by means of internal stiffening. A thorough investigation of the contribution of stiffening rings to the overall structural behavior of the tower is being carried out. These stiffening rings are placed along the tower height to reduce local buckling phenomena, thus increasing the buckling strength of steel wind energy towers and leading the structure to a behavior closer to the one provided by the beam theory. Additionally to ring stiffeners, vertical stiffening schemes are studied to eliminate the presence of short wavelength buckles due to bending. For the purposes of this research, finite element analysis is applied in order to describe and predict in an accurate way the structural response of a model tower stiffened by internal stiffeners. Moreover, a parametric study is being performed in order to investigate the effect of the stiffeners' number to the functionality of the aforementioned stiffening systems and the improved structural behavior of the overall wind converter.

• 대한기계학회논문집A
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• 제35권11호
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• pp.1407-1413
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• 2011

소형풍력발전시스템의 복합재 블레이드에 대한 실규모 구조시험 및 이를 모사한 구조해석을 통하여 설계 타당성을 검증하였다. 먼저 IEC 61400-2 에 규정된 설계 요구조건의 만족을 위하여 정격 풍속 및 IEC 61400-2 Case H 의 최악 조건에 대한 구조해석을 수행하고 이를 통하여 적층 순서 및 적층 두께를 결정하였다. 또한 이러한 구조해석의 타당성 검증을 위하여 IEC 61400-23 에 따라 구조해석과 동일한 하중조건에서의 실규모 구조시험을 실시하였다. 이러한 실규모 구조시험을 통한 구한 블레이드의 하중-변위 선도 및 표면의 변형률 특성을 이용하여 블레이드의 구조적 안전성을 평가하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제1권2호
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• pp.12-21
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• 1997

무공해 에너지원은 화석에너지의 고갈과 환경오염의 심각한 문제로 인하여 절실히 요구되고 있는 실정이다. 그중 풍력발전 시스템은 타 에너지원에 비해 여러 가지 측면에서 유리한 점을 가지고 있다. 본 연구에서는 500㎾급 풍력발전 시스템을 개발함에 있어, 적합한 공력성능 및 구조성능을 가지는 회전날개 설계과정을 수행하였다. 공력설계는 운용지역의 풍황을 고려하여 회전날개의 외형을 결정하였고 이를 바탕으로 공력성능해석이 수행되었으며, 구조설계는 복합재료를 사용하여 쉘-스파 구조를 갖도록 설계하여 굽힘 및 비틀림 그리고 피로수명에 대한 구조해석이 수행되었다. 그 결과 4m/s의 미풍에서도 운용가능하며, 12m/s에서는 정격출력 500㎾를 생산할 수 있는 형상이 설계되었고, 또한 20년 이상의 피로수명이 확보되었으며, 공진 등의 동적인 문제도 발생하지 않음을 확인하였다.

• 비파괴검사학회지
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• 제31권4호
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• pp.382-390
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• 2011

최근 대형화되는 복합재 풍력 블레이드의 운전 중 발생되는 손상을 조기에 모니터링하기 위하여 블레이드 내부에 일제형으로 설치가 가능한 스마트 센서들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg grating) 센서를 복합재 모형 블레이드 후연부 시편에 부착하여 균열 또는 접착층 분리를 감지하는 실험을 수행하여 패키징된 광섬유 브래그 격자 센서 탐촉자의 풍력 블레이드에 적용 가능성을 검토하였다. 블레이드 시편에 인가된 연장 하중이 1100 N부터 1260 N 사이에서 노출된 광섬유 브래그 격자 센서의 파장 이동 방향이 급격히 반전되는 결과로부터 전단 웹의 균열과 접착 분리 파손을 확인할 수 있었다. 블레이드에 사용하기 위한 노출된 광섬유 브래그 격자 센서는 깨지가 쉽기 때문에 이 단점을 보완하기 위하여 에폭시로 패키징된 광섬유 브래그 격자 센서 탐촉자를 제작하였다. 블레이드 시편의 스킨 위에 제작된 탐촉자를 설치한 후 인장 시험을 수행한 결과 변형률에 대한 감지도는 약 1.3 ${\mu}{\varepsilon}$/pm으로 노출된 광섬유 브래그 격자 센서의 감지도와 거의 동일한 것으로 확인되었다. 한편 온도 감지도는 $80^{\circ}C$ 까지의 가열 테스트를 통하여 약 48 pm/$^{\circ}C$의 온도 감지도를 보였다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제63권6호
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• pp.703-712
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• 2017

The composite blades of offshore wind turbines accumulate structural damage such as fatigue cracking due to harsh operation environments during their service time, leading to premature structural failures. This paper investigates various fatigue crack models for reproducing crack development in composite blades and proposes a stochastic approach to predict fatigue crack evolution and to analyse failure probability for the composite blades. Three typical fatigue models for the propagation of fatigue cracks, i.e., Miner model, Paris model and Reifsnider model, are discussed to reproduce the fatigue crack evolution in composite blades subjected to cyclical loadings. The lifetime probability of fatigue failure of the composite blades is estimated by stochastic deterioration modelling such as gamma process. Based on time-dependent reliability analysis and lifecycle cost analysis, an optimised maintenance policy is determined to make the optimal decision for the composite blades during the service time. A numerical example is employed to investigate the effectiveness of predicting fatigue crack growth, estimating the probability of fatigue failure and evaluating an optimal maintenance policy. The results from the numerical study show that the stochastic gamma process together with the proper fatigue models can provide a useful tool for remaining useful life predictions and optimum maintenance strategies of the composite blades of offshore wind turbines.

• Smart Structures and Systems
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• 제16권4호
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• pp.593-606
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• 2015

This paper presents a novel concept of healing some of the damages in wind turbine blades (WTBs) such as cracks and delamination. This is achieved through an inherent functioning autonomous repairing system. Such wind turbine blades have the benefit of reduced maintenance cost and increased operational period. Previous techniques of developing autonomous healing systems uses hollow glass fibres (HGFs) to deliver repairing fluids to damaged sites. HGFs have been reported with some limitations like, failure to fracture, which undermines their further usage. The self-healing technique described in this paper represents an advancement in the engineering of the delivery mechanism of a self-healing system. It is analogous to the HGF system but without the HGFs, which are replaced by multiple hollow channels created within the composite, inherently in the FRP matrix at fabrication. An in-house fabricated NACA 4412 WTB incorporating this array of network hollow channels was damaged in flexure and then autonomously repaired using the vascular channels. The blade was re-tested under flexure to ascertain the efficiency of the recovered mechanical properties.

• 항공우주시스템공학회지
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• 제12권2호
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• pp.66-75
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• 2018

본 논문에서는 2MW급 풍력 블레이드의 스파캡을 탄소복합재료, 두께축소율(PRR) 및 상쇄연구(Trade-off study)를 이용해서 경량화 설계를 수행했다. 블레이드 스파캡은 블레이드의 기계적 건전성을 결정하는 가장 핵심적인 요소이다. 가벼우면서도 기계적 신뢰성을 확보할 수 있는 블레이드 스파캡의 형상을 도출하기 위해 주어진 설계하중으로 스파캡의 두께를 변화시키면서 반복적인 구조해석을 실시한다. 파손여부를 판정하기 위해서 Tsai-Wu 및 Puck 파손이론을 사용하였으며, 그 결과 GFRP 복합재료보다 CFRP 복합재료가 동일한 조건에서 약 30% 무게를 경량화 할 수 있었다. 해석 결과를 바탕으로 복합재료 적층두께의 최적값을 도출하여 구조적 성능 향상 및 경량화 된 설계 결과를 제시한다.