본 논문에서는 풍력터빈과 하부구조물을 연결하는 L형 플랜지 볼트 접합부의 거동 특성에 대한 연구를 수행하였다. L형 플랜지 볼 트 접합부는 링(Ring) 형태의 L형 단면 플랜지가 볼트에 의해 상하 체결되는 방식으로서 국내 풍력터빈에서 주로 적용되고 있는 연결 방식이다. 특히 풍력타워 구조물은 이들 연결부의 손상이 전체 구조시스템의 붕괴로 이어질 수 있으므로 중요한 구조 요소 중 하나이 다. 따라서 L형 플랜지 볼트 접합부에 대한 정확한 거동 특성의 이해가 필요하다. 본 연구에서는 FE 해석을 통하여 L형 플랜지에 작용 하는 외력과 볼트장력의 관계, 그리고 L형 플랜지의 응력분포 변화를 외력 작용 단계별로 분석하였다. 여기서 FE 해석모델은 실제 링 형태의 L형 플랜지를 단일볼트의 L형 플랜지로 이상화하였다. 또한 볼트장력과 작용외력의 관계를 이론적으로 제안한 Petersen, Schmidt와 Neuper 그리고 VDI 2230의 볼트-외력 곡선모델에서 언급되는 접합부의 거동 불연속점과 FE 해석결과를 비교함으로써 FE 해석조건의 적절성을 검증하고, 각 볼트-외력 곡선모델의 특징과 L형 플랜지 볼트 접합부 거동 특성을 분석하였다. 그리고 L형 플랜 지 단면 제원을 일부 변화시켜 볼트-외력 곡선의 변화를 분석하였다.

The wind turbine blades should be designed to possess a high stiffness and should be fabricated with a light and high strength material because they serve under extreme combination of lift and drag forces, converting kinetic energy of wind into shaft work. The goal of this study is to understand the basic knowledge required to curtail the process time consumed during the construction of small wind turbine blades using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) prepeg composites. The configuration of turbine rotor was determined using the QBlade freeware program. The fluid dynamics module simulated the loads exerted by the wind of a specific speed, and the stress analysis module predicted the distributions of equivalent von Mises stress for representing the blade structures. It was suggested to modify the shape of test specimen from ASTM D638 to decrease the variance in measured tensile strengths. Then, a series of experiments were performed to confirm that the bladder compression molded CFRP prepreg can provide sufficient strength to small wind turbine blades and decrease the cure time simultaneously.

In this study, the yaw misalignment value of wind turbine was measured using Lidar and it was analyzed the effect of vibration reduction and power performance improvement when applied to turbine. It was confirmed that the vibration of the main bearing and the gear box of the wind turbine was partially reduced. Also it was found that the output performance was improved when the wind speed was over 8m/s. As a result, it was also found that the annual energy production(AEP) was improved when the average annual wind speed of the wind farm was over 6m/s. Converted to AEP, the AEP improved about 1% and 4%, when the annual wind speed was 6m/s and 11m/s respectively, which resulted in an improvement of about 1~4% through the yaw misalignment correction of the wind turbine.

본 연구에서는 운전 정지 상태로 회전하지 않는 수평축 해상 풍력터빈 로터에서 발생하는 풍하중을 풍속, 요 각도, 방위각, 피치 각도를 달리하면서 대기경계층 내에서 작동하는 조건으로 평가하였다. 하중 예측 결과의 검증을 위해 단순화 한 블레이드 형상에 대한 블레이드 요소이론과 단순 계산치를 이용하여 얻어낸 공력 하중을 상호 비교하였으며, 코드와 비틀림 각도가 블레이드 스팬 방향에 따라 변하는 NREL 5 MW급 대형풍력터빈 로터에 대해서는 NREL에서 개발한 FAST 해석 결과와 본 연구의 해석 결과를 비교 함으로써 해석 결과의 정확도를 검증하였다. 로터의 하중은 허브 중심을 원점으로 하는 고정된 3축 좌표계에 대해서 힘과 모멘트로 표현되는 6분력 하중으로 나타내었다. 따라서 이 결과는 풍력터빈 시스템의 동적 거동 해석과 로터에서 발생되는 전도 모멘트를 견디기 위해 필요한 지지 구조물의 기초하중 자료로 적용할 수 있다.

An icing phenomenon of wind turbine blade are caused by wind speed, air temperature, liquid water content, droplet size, and so on. In this study, the analyses were carried out at a liquid water content of 0.20g/㎥, droplet size of 25 um, wind speed of 11.4m/s and air temperatures of -15, -10, -5℃ using NREL 5MW wind turbine. The software uses FENSAP-ICE's CFD Flow Solver, Drop 3D and ICE 3D. The analysis of icing shape and mass with temperatures according to air foil was derived, and the required heat quantity for de-icing was calculated at NACA 64618 airfoil for air temperature of -15℃. Power curves with wind velocities are suggested for economical analysis.

천해역에서의 해상풍력터빈의 기초 형식으로 모노파일, 트라이포드, 재킷 등의 고정식 기초 사이의 최적의 지지구조물 선별에 대한 논의가 세계적으로 활발하게 되어왔다. 다양한 기초 형식 가운데 어떤 기초를 최종 선택하기 위해서는 경제성과 함께 동적설계 측면에서의 검토도 필요하다. 이 연구에서는 고정식 기초를 해상풍력터빈의 기초로 적용하는 경우 전체 구조물의 고유주파수에 미치는 하중 및 지반 물성치의 불확실성의 영향을 정량적으로 검토하였다. 연구결과, 모노파일의 고유주파수의 변동이 가장 심한 것을 알 수 있었고, 따라서 모노파일 기초를 설계에 반영하는 경우에는 지반 물성치의 불확실성을 최소화시키는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis was carried out to analysis the air flow characteristics of vertical axis wind turbine system with accelerating device. Geometric arc angle of the accelerating device affects the air flow characteristics in the turbine with the effect of Coanda generated from the curved surface. Air velocity distributions with the device angle variation are compared. Flow velocity increases with the device length, and the accelerating device plays a key role in decreasing the air velocity in the wake flow region. Maximum air velocity variation becomes reduced with the accelerating device, and it is largely affected by the arc angle. These results are expected to be utilized in various ways to determine the shape of accelerating device for wind power generation system.

This paper presents the dimensionless wall distance, y+ effect on SST turbulent model for wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine was used for the study, which the wind tunnel and structural test data has publicly available. The near wall treatment and turbulent characteristics have important role for proper CFD simulation. Most of the CFD development in this area is focused on advanced turbulence model closures including second moment closure models, and so called Low-Reynolds (low-Re) number and two-layer turbulence models. However, in many cases CFD aerodynamic predictions based on these standard models still show a large degree of uncertainty, which can be attributed to the use of the  -equation as the turbulence scale equation and the associated limitations of the near wall treatment. The present paper demonstrates the y+ definition effect on SST (Shear Stress Transport) turbulent model with advanced automatic near wall treatment model and Gamma theta transitional model for transition from lamina to turbulent flow using commercial ANSYS-CFX. In all cases the SST model shows to be superior, as it gives more accurate predictions and is less sensitive to grid variations.

This paper presents the structural model verification process of whole wind turbine blade including blade model which proposed in Part1 paper. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. In the Part1 of this paper, the processes of structural model development and verification process of blade only are introduced. The whole wind turbine composed by blade, rotor, nacelle and tower. Even though NREL has reported the measured values, the material properties of blade and machinery parts are not clear but should be tested. Compared with the other parts, the tower which made by steel pipe is rather simple. Since it does not need any considerations. By the help of simple eigen-value analysis, the accuracy of structural stiffness and mass value of whole wind turbine system was verified by comparing with NREL's reported value. NREL has reported the natural frequency of blade, whole turbine, turbine without blade and tower only models. According to the comparative studies, the proposed material and mass properties are within acceptable range, but need to be discussing in future studies, because our material properties of blade does not match with NREL's measured values.

In this study, flow characteristic of small vertical-axis wind turbine was performed to analysis the numerical analysis. Blade geometry in the wind turbine is NACA 6512-43, and various degrees of the wind turbine accelerator were adopted. Numerical models are used for the analysis with CFD program of Ansys fluent and RNG k-e turbulence model was used. Rotational speed value of the wind turbine in analysis condition were obtained by the experiment. When the wind turbine accelerator is equipped, exit velocity of wind turbine accelerator tended to increases. Also RPM of wind turbine is increase. And maximum RPM appeared that wind turbine accelerator in degree 60° is equipped.

This paper presents the structural model development and verification processes of wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. The wind turbine assembled by blades, rotor, nacelle and tower. The wind blade connected to rotor. To make the whole turbine structural model, the mass and stiffness properties of all parts should be clear and given. However the wind blade, hub, nacelle, rotor and power generating machinery parts have difficulties to define the material properties because of the composite and assembling nature of that. Nowadays to increase the power generating coefficient and cost efficiency, the highly accurate aerodynamic loading evaluating technique should be developed. The Fluid-Structure Interaction (FSI) is the emerging new way to evaluate the aerodynamic force on the rotating wind blade. To perform the FSI analysis, the fluid and structural model which are sharing the associated interface topology have to be provided. In this paper, the structural model of blade development and verifying processes have been explained for Part1. In following Part2 paper, the processes of whole turbine system will be discussing.

Wind turbine tower has a very important role in wind turbine system as one of the renewable energy that has been attracting attention worldwide recently. Due to the growth of wind power market, advance and development of offshore wind system and getting huger capacity is inevitable. As a result, the vibration is generated at wind turbine tower by receiving constantly dynamic loads such as wind load and wave load. Among these dynamic loads, the mechanical load caused by the rotation of the blade is able to make relatively periodic load to the wind turbine tower. So natural frequency of the wind turbine tower should be designed to avoid the rotation frequency of the rotor according to the design criteria to avoid resonance. Currently research of the wind turbine tower, the precise research does not be carried out because of simplifying the structure of the other upper and lower. In this study, the effect of blade modeling differences are to be analyzed in natural frequency of wind turbine tower.

단풍나무는 종족 번식을 목적으로 씨앗을 확산시키기 위해 바람을 이용한다. 모수에서 분리된 씨앗은 자동회전을 하면서 떨어지는데 이 회전을 통해 생성된 앞전 와류로 높은 양력을 발생시킴으로써 씨앗을 천천히 낙하시킨다. 단풍나무 씨앗의 자동회전 현상은 안정적인 공기 역학적으로 낙하 초기 자세에 상관없이 일정한 크기의 회전율과 낙하 속도를 갖고 있어서 산업적 응용 가능성도 크다. 본 연구에서는 단풍나무 씨앗의 자동회전 현상의 특성을 실험적으로 밝히고 이를 생체 모방하여 소형 풍력 터빈으로 개발할 가능성을 제시하고자 한다.

본 연구에서는 풍력터빈 블레이드에 대한 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 이를 위해서 National Renewable Energy Laboratory(NREL)에서 수행하였으며, 다양한 실험 및 해석결과가 공개된 실물크기 풍력터빈 블레이드인 NREL Phase VI를 해석대상으로 하였다. 상업용 범용 전산유체해석코드인 ANSYS-CFX와 파라매트릭 3D CAD 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 연구결과의 타당성을 검토하였다. 다양한 난류모델에 대한 비교연구를 통하여 Shear Stress Transport(SST) k − ω 난류모델의 정확성을 검증하였으며, 유동의 비정상상태를 최소화하기 위해서 0-각도 요(yaw)각을 고려하였다. NREL Phse VI 풍력터빈 블레이드는 2개의 날개를 가졌으며, 비선형 비틀림각과 선형 테이퍼가 고려되었다. 풍력터빈 블레이드가 주축에 대해서 회전하기 때문에 상대속도는 스팬에 대해서 비선형의 관계를 가진다. 따라서 받음각(angle of attack)을 최소화하기 위해서 비선형 비틀림각이 고려되었다. 해석결과의 3차원 풍력특성을 분석하기 위해서, 각 단면의 압력계수 및 이를 적분하여 풍력계수(수직, 접선, 추력, 회전력)를 계산하였다. 풍력터빈 블레이드의 회전속도는 72 RPM으로 고정한 상태에서 다양한 풍속(5m/s, 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s) 상태를 해석하였다. 해석결과와 풍동실험결과는 모든 풍속에 대해서 근사한 수치를 나타냈으며, 높은 풍속에서의 풍하면 박리현상에 대한 정확한 유동특성을 해석할 수 있었다.

Internally confined hollow reinforced concrete (ICH RC) wind power towers were designed for various turbines sizes. Their cross sections were designed to have equal diameters to those of general steel wind power towers corresponding 3.6MW and 5.0MW turbines. And also, the sections with the average diameter of 3.6MW and 5.0MW turbines were designed. For the determined diameters, several cross sections were designed for various hollow ratios. The designed sections were set to have almost equal longitudinal reinforcement ratios. The performance analyses for the designed cross sections were carried out and the analysis results showed that the ICH RC wind power tower had enough strength for the required design loads.

Natural frequency characteristic of Wind turbine tower is important for designing of tower due to guarantee of structural safety of tower. In GL specification, natural frequency of tower should be designed by consideration of blade rotational frequency. Natural frequency characteristic of tower could be changed by mass ratio of RNA-tower, modeling method of blade and angle of blade in idling condition. In this research, natural frequency of tower is analysed by ABAQUS and compared it result according to tower dimension.

상반전 풍력터빈은 설계와 성능 관점에서 최근 각광을 받기 시작하고 있다. 본 논문은 NREL S822, S823을 이용하여 설계 및 모델링한 상반전 풍력터빈에 대해 연구를 수행하였다. 본 논문은 수치해석 기법을 통하여 단일 풍력터빈과 상반전 풍력터빈을 각각 설계하고, 그 성능을 다양한 조건에서 비교하고자 하였다. 그 결과 상반전 풍력터빈은 단일 풍력 터빈에 비해 TSR 3~5 영역에서 보다 높은 성능계수를 나타냈으며, 그 보다 더 높은 TSR 영역에서는 낮은 성능계수를 나타내었다. 이것은 로터 상 하류의 간섭의 간섭 때문이며, 또한 본 연구에서는 낮은 영역의 TSR에서 운전되는 상반전 풍력터빈의 유효성을 함께 보였다.

모델기반 고장 진단법은 풍력발전기의 상태감지 시스템(Condition monitoring system)에 적용을 목적으로 변동 하중조건하에서 작동하는 기어박스내의 기어의 균열을 진단하기 위해 제시하였다. 두 개의 평기어(Spur gear)로 구성된 간단한 테스트 베드가 위의 접근방법을 검증하기 위해 구축되었고, 기어의 균열은 기어의 뿌리부분에 균열을 인가하여 묘사하였다. 축의 회전속도에 독립적인 타코미터를 기반으로 한 오더분석(Order analysis)을 균열크기 진단에 적용하였고, 테스트 베드의 작동을 시뮬레이션하기 위해 집중변수 모델(Lumped parameter dynamic model)이 사용되었다. 모델에서 균열과 밀접히 관련된 변수는 측정된 신호와 시뮬레이션된 신호 간의 차이를 최소화하는 최적화 기법으로 역추정하였다. 제시한 방법의 유효성을 보이기 위해, 미리 정의된 모델 변수로부터 생성된 시뮬레이션 신호를 테스트-베드로부터 측정된 신호로 가정하고, 제시한 방법을 사용하여 변수를 역추정하였다. 결과는 실제 값과 일치하였고, 이를 통해 알고리즘이 제대로 작동함을 알 수 있었다. 다음 연구에서는 실제 테스트 베드의 실제균열에 적용하고자 한다.

최근 몇 년간 에너지 위기에 대한 우려가 급격히 증가하고 있으며, 방대한 에너지소비에 따른 환경오염도 큰 문제로 대두되고 있다. 사회적으로 에너지 위기가 고조되고 있는 가운데 새로운 에너지나 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 해결책으로 양어장 등에서 사용되는 폭기장치를 구동하기 위한 에너지를 자연으로부터 얻을 수 있는 가능성을 타진해 본 연구이다. 연구의 목적은 풍력에너지를 이용한 폭기장치의 개발에 있으며, 다양한 풍속 및 수풍면적에 대한 풍력폭기장치의 가능성을 살펴보고 있다. 또한, 최대의 효율을 얻을 수 있는 풍력펌프의 각도에 대한 토출구의 높이를 유도하여 유사한 장치의 설계에 있어 도움을 줄 수 있는 데이터를 제공하고 있다.