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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 서론 23

제1절 연구개발 필요성 23

제2절 연구 목적 및 내용 24

제2장 블레이드 개발 25

제1절 에어포일 성능시험 및 블레이드 설계 25

1. 익형 개발 시 고려사항 25

가. 설계의 필요성 25

나. 직접설계 방법 26

다. 역설계 방법 27

라. 익형 설계 Tool 검토 27

마. 표면거칠기 민감도 해석방법에 대한 고찰 29

2. 익형 설계 29

가. KWAO05-240 및 KWAO09-127 익형 29

나. KWA018-350 및 KWA025-180 익형 38

다. 풍동 시험 43

3/2. 블레이드 공력설계 51

가. 운전조건 및 설계조건 분석 51

나. 풍황에 따른 블레이드 성능곡선 52

다. 블레이드 공력형상 53

라. 블레이드 공력-구조 연계설계 57

마/라. 최종 블레이드 공력형상 59

제2절 100kW급 블레이드 구조설계 및 시작품 제작 61

1. 100kW급 블레이드 구조해석 및 설계 61

가. 설계 개요 61

나. 주요 설계변수 정의 63

다. 기본설계 모델링 64

라. 설계하중 계산 66

마. 상세설계 모델링 67

바. 구조설계 최적화 68

사. 상세설계 선형 정적해석 결과 70

아. 고유진동수 해석결과 78

자. 좌굴수 해석결과 82

2. 100kW급 블레이드 시작품 제작 86

가. 공정 개요 86

나. 성형치구(Mold) 설계 및 제작 92

다. 블레이드 성형 94

제3장 풍력발전 블레이드 소재 및 제작기술 개발 101

제1절 터빈블레이드 소재 개발 및 제조공정연구 101

1. 블레이드 제조공정 선정 101

2. VRTM 공정 연구 102

가. 수지선정 실험 102

나. VARTM공정에서 하이브리드 복합소재의 흐름특성 연구 108

3. 하이브리드 복합재료에 대한 물성 평가 114

가. 평직 하이브리드 복합소재의 특성평가 114

나. 일방향 하이브리드 복합소재의 특성 평가 117

제2절 VARTM 성형공정 최적화 및 시작품 제조 120

1. VARTM 성형 유동특성 평가 및 공정변수 최적화 120

2. 시작품 소재 기계적 특성평가 123

가. 3m급 블레이드 시작품 소재의 선정 123

나. 3m급 블레이드 시작품 소재의 물성 평가 125

다. 하이브리드 소재의 충격 시험 128

라. 300mm급 시작품 터빈 블레이드 제작 및 3m급 시작품 금형 재질 선정 130

제3절 10kW급 풍력발전용 하이브리드 복합재료 터빈 블레이드 신소재 성형기술 개발 131

1. VARTM 하이브리드 복합재료 장기 성능 평가 131

가. 정하중 시험 131

나. 피로하중 시험 132

2. 하이브리드 소재 적용 공정 모사 및 평가 135

가. 하이브리드 소재별 투과도 측정 실험 135

나. 유동 측정 방법 136

다. 100kW 블레이드의 시뮬레이션 136

제4장 풍력발전 성능평가기지 기반구축 141

제1절 풍력발전 성능평가기지 기반구축 141

1. 개발배경 및 개발목적 141

2. 풍력발전연구단 홈페이지 구축 142

가. 풍력발전연구단소개 웹페이지 142

나. 국가바람지도 웹페이지 143

다. 풍력자원데이터베이스 웹페이지 144

라. 풍력발전예보시스템 웹페이지 147

마. 풍력발전학술자료 웹페이지 149

3. 개발성과 및 향후계획 149

제2절 풍력자원 데이터베이스 구축 150

1. 개발배경 및 개발목적 150

2. 풍력자원 기상통계분석 151

가. 장기간 보정을 위한 풍속상관행렬 152

나. 풍력발전기 허브높이로의 풍속외삽 154

다. 대기안정도 파악을 위한 중립대기분석 155

3. 풍력자원 데이터베이스 구축 156

4. 개발성과 및 향후계획 159

제3절 풍력발전 단기예보를 위한 기상통계모형 개발 159

1. 개발배경 및 개발목적 159

2. 풍속예보모형의 구성 161

가. 전이함수모형 162

나. 시계열자기회귀모형 164

다. 신경망회로모형 164

3. 풍속예보모형의 평가 167

가. 전이함수모형의 평가 168

나. 시계열자기회귀모형의 평가 188

다. 신경망회로모형의 평가 191

라. 풍속예보모형의 비교 195

4. 개발성과 및 향후계획 198

제5장 결론 200

참고문헌 201

서지정보양식 203

BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET 204

〈표 1-1〉 연차별 주요 연구내용 24

〈표 2-1〉 KWA018-350 설계 조건 39

〈표 2-2〉 KWA025-180 설계 조건 40

〈표 2-3〉 블레이드 출력성능 55

〈표 2-4〉 코드에 따른 연간발전량 변화 56

〈표 2-5〉 블레이드 공력형상에 따른 출력성능 변화 58

〈표 2-6〉 Nacelle 및 hub의 주요 설계 변수 63

〈표 2-7〉 적용 하중 71

〈표 2-8〉 Positive 하중 하에서 응력과 변형률 73

〈표 3-1〉 각 공정별 특성 102

〈표 3-2〉 사용된 수지와 경화제 103

〈표 3-3〉 각 수지별 인장 강도 및 강성 105

〈표 3-4〉 각 수지별 굽힘 강도 및 강성 106

〈표 3-5〉 각 수지별 압축 강도 및 강성 107

〈표 3-6〉 각 수지별 특성 108

〈표 3-7〉 평직 하이브리드 복합소재의 시편조건 111

〈표 3-8〉 단일 프리폼의 특성 111

〈표 3-9〉 일방향 하이브리드 복합소재의 시편 조건 118

〈표 3-10〉 탄소, 유리 복합소재의 섬유체적비 118

〈표 3-11〉 하이브리드 복합체의 인장 시험 결과 119

〈표 3-12〉 하이브리드 복합체 시편의 제조 조건 및 기본 물성 121

〈표 3-13〉 시작품 제작에 사용될 유리 섬유 Fabric (Owenscorning) 124

〈표 3-14〉 시작품 제작에 사용될 일방향 섬유 125

〈표 3-15〉 Plain weave 시작품 소재의 기계적 물성 시험 결과 126

〈표 3-16〉 일방향 유리섬유복합체의 기계적 물성 127

〈표 3-17〉 일방향 카본섬유복합체의 기계적 물성 127

〈표 3-18〉 G0시편의 피로시험 132

〈표 3-19〉 G66시편의 피로시험 133

〈표 3-20〉 G100시편의 피로시험 134

〈표 4-1〉 연차별 주요 연구내용 158

〈표 4-2〉 제주도 기상청 기상관측지점 167

〈표 4-3〉 선흘 2리(aws751)지점을 이용한 성판악(aws782)지점 예측모형비교 196

〈표 4-4〉 성판악(aws782)지점을 이용한 선흘 2리(aws751)지점 예측모형비교 196

〈표 4-5〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 196

〈표 4-6〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 197

〈표 4-7〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 197

〈표 4-8〉 우도(aws725)지점을 이용한 구좌(aws781)지점 예측모형비교 197

〈표 4-9〉 우도(aws725)지점을 이용한 구좌(aws781)지점 예측모형비교 198

[그림 1-1] 국내 풍황 자원지도 23

[그림 2-1] KIER 개발 익형 26

[그림 2-2] S809 형상 28

[그림 2-3] Cl comparison 28

[그림 2-4] KWAOO5-240 Cp 분포 31

[그림 2-5] KWAO05-240 형상 32

[그림 2-6] KWAO05-240 Cl curve 32

[그림 2-7] KWAO05-240 Cd curve 33

[그림 2-8] KWAOO5-240 Cl/Cd curve 33

[그림 2-9] KWAOO5-240 Roughness insensitivity 34

[그림 2-10] KWAO09-127 형상 35

[그림 2-11] KWAO09-127 Cl curve 36

[그림 2-12] KWAO09-127 Cd curve 36

[그림 2-13] KWAO09-127 Cl/Cd curve 37

[그림 2-14] KWAO09-127 Roughness insensitivity 37

[그림 2-15] 익형 설계 기법 39

[그림 2-16] KWA018-350 40

[그림 2-17] KWA025-180 40

[그림 2-18] KWA018-350, Cl/Cd 41

[그림 2-19] KWA018-350, Roughness 41

[그림 2-20] KWA025-180, Cl/Cd 42

[그림 2-21] KWA025-180, Roughness 42

[그림 2-22] 설치 개요 1. 44

[그림 2-23] 설치 개요 2. 44

[그림 2-24] 설치 모습 45

[그림 2-25] PIV 측정 개요 45

[그림 2-26] trip dot 부착 모습 45

[그림 2-27] S809 Cl curve 46

[그림 2-28] S809 Cd curve 46

[그림 2-29] KWAO05-240 Cl, Cd curve 47

[그림 2-30] KWAO09-127 Cl, Cd curve 48

[그림 2-31] KWA025-180 Cl curve-Clean&rough surface(Re=5.0*10^5) 48

[그림 2-32] KWA025-180 Cl, curve-Clean & rough surface(Re=6.5*10^5) 48

[그림 2-33] Flow field by PIV, KWAO05-240, clean & rough surface, AOA= 12 49

[그림 2-34] Flow field by PIV, KWAO05-240, clean & rough surface, AOA= 17.5 50

[그림 2-35/1-35] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean & rough surface, AOA= 13.2 50

[그림 2-36] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean & rough surface, AOA= 17.6 50

[그림 2-37] 국내 평균 풍속 분포 52

[그림 2-38] 설계 풍속에 따른 Cp 곡선 53

[그림 2-39] 설계 풍속에 따른 출력 곡선 53

[그림 2-40] 코드 길이 분포 54

[그림 2-41] 트위스트 분포 54

[그림 2-42] 트위스트 각 보간 55

[그림 2-43] 트위스트 및 코드 분포. 57

[그림 2-44] 공력 설계 블레이드 57

[그림 2-45] 블레이드 공력 설계 59

[그림 2-46] 블레이드 최종 공력 형상 60

[그림 2-47] 최종 성능 곡선 60

[그림 2-48] 최종 코드길이 및 트위스트 각 분포 61

[그림 2-49] 블레이드 출력 및 효율 곡선 61

[그림 2-50] 블레이드 3차원 형상. 62

[그림 2-51] 블레이드 구조 설계절차 62

[그림 2-52] 하중해석을 위한 풍력발전기의 주요 외형 변수 64

[그림 2-53] 기본설계 블레이드 모델 : line 및 section 모델 65

[그림 2-54] 기본설계 블레이드 모델 : 적층적용 모델 65

[그림 2-55] 설계하중조건 해석결과 (DLC1.3, DLC1.5중) 66

[그림 2-56] 기본설계 하중해석으로 얻어진 설계기본하중 67

[그림 2-57] 블레이드 유한 요소 모델 68

[그림 2-58] 구조최적화를 위한 블레이드 영역 구분 68

[그림 2-59] 설계변수에 대한 pareto분석 69

[그림 2-60] 최적화 결과 69

[그림 2-61] positive load의 하중 방향 73

[그림 2-62] negative load의 하중 방향 74

[그림 2-63] positive load 적용할 때 끝단 변위 74

[그림 2-64] negative load 적용할 때 끝단 변위 75

[그림 2-65] positive load 적용할 때 strain tensor 75

[그림 2-66] negative load 적용할 때 strain tensor 76

[그림 2-67] positive load 적용할 때 stress tensor 76

[그림 2-68] negative load 적용할 때 stress tensor 77

[그림 2-69] positive load 적용할 때 stress tensor의 최대값 77

[그림 2-70] negative load 적용할 때 stress tensor의 최대값 78

[그림 2-71] flapwise 1차 모드 (0.10Hz) 79

[그림 2-72] flapwise 2차 모드 (0.17Hz) 80

[그림 2-73] flapwise 3차 모드 (0.33Hz) 80

[그림 2-74] edgewise 1차 모드 (0.66Hz) 81

[그림 2-75] flapwise 4차 모드 (0.76Hz) 81

[그림 2-76] torsion 1차 모드 (0.99Hz) 82

[그림 2-77] positive load에서 1차 좌굴모드 84

[그림 2-78] positive load에서 2차 좌굴 모드 84

[그림 2-79] negative load에서 1차 좌굴모드 85

[그림 2-80] negative load에서 2차 좌굴 모드 85

[그림 2-81] 목적변수별 상관도 86

[그림 2-82] 핸드레이업 공법 87

[그림 2-83] 오토클레이브 공법 87

[그림 2-84] 필라멘트 와인딩 공법 88

[그림 2-85] 펄트루젼 공법 89

[그림 2-86] RTM 공법 90

[그림 2-87] 블레이드 시제 제작 공정도. 91

[그림 2-88] 블레이드 목형 형상. 92

[그림 2-89] 블레이드 스킨 몰드 제작 공정. 93

[그림 2-90] 몰드 서포트 작업 94

[그림 2-91] 몰드에 소재 적층 준비 95

[그림 2-92] 원소재 재단. 95

[그림 2-93] 유리섬유 적층 95

[그림 2-94] 탄소 섬유 적층 96

[그림 2-95] 블레이드 성형 개략도 96

[그림 2-96] Peel Ply 적층. 97

[그림 2-97] Resin Flow 적층. 97

[그림 2-98] Omega Flow 설치. 97

[그림 2-99] Bagging Film 적층. 97

[그림 2-100] Bagging 작업 98

[그림 2-101] 수지 함침. 98

[그림 2-102] 수지 벤트 잠금. 98

[그림 2-103] 온도 유지를 위한 열 공급 99

[그림 2-104] 스파 고정 100

[그림 2-105] 상하부 몰드 조립 100

[그림 2-106] C 클램프를 이용한 고정 100

[그림 2-107] 몰드 분리 100

[그림 3-1] 각 수지별 점도 특성 104

[그림 3-2] 각 수지별 인장 강도 곡선 105

[그림 3-3] 각 수지별 굽힘 강도 곡선 106

[그림 3-4] 각 수지별 압축 강도 곡선 107

[그림 3-5] 탄소섬유와 유리섬유의 미세구조 110

[그림 3-6] 평(Plain)직 직조된 탄소, 유리섬유 110

[그림 3-7] 평직 하이브리드 복합소재의 공극률 112

[그림 3-8] 평직 하이브리드 복합소재의 투과도 113

[그림 3-9] 평직 하이브리드 복합소재의 실제 충전 시간과 계산된 충전 시간 113

[그림 3-10] 평직 하이브리드 복합 소재의 굽힘 강도 곡선 115

[그림 3-11] 평직 하이브리드 복합 소재의 굽힘 강성 116

[그림 3-12] 일방향 탄소섬유와 유리섬유 117

[그림 3-13] 하이브리드 복합체의 인장 시험 결과 119

[그림 3-14] 탄소섬유와 유리섬유 복합체의 조직사진 120

[그림 3-15] 프리폼의 하이브리드화 비율 및 적층 배열에 다른 투과 실험 121

[그림 3-16] 섬유 배열 및 하이브리드 비율별 투과도 122

[그림 3-17] 0,90˚ 배열 하이브리드 복합체 제조 시 수지 투과도 122

[그림 3-18] ±45˚ 배열 하이브리드 복합체 제조 시 수지 투과도 123

[그림 3-19] 시작품 제작에 사용될 유리섬유인 (a) DB830 과 (b) CDB1170 124

[그림 3-20] 시작품 소재의 물성 시험 126

[그림 3-21] 아이조드 충격 시험기(a) 와 저속충격시험기(b) 128

[그림 3-22] 하이브리드 복합체의 아이조드 충격 시험 결과 129

[그림 3-23] 하이브리드 복합체의 저속충격시험 시험 결과 130

[그림 3-24] 300mm급 하이브리드 복합체 블레이드 시작품 130

[그림 3-25] 하이브리드 복합체의 정하중 시험 결과 131

[그림 3-26] 하이브리드 복합체의 피로시험 결과 135

[그림 3-27] 2D 유동 측정 방법 136

[그림 3-28] Vent 개수에 따른 유동 특성 139

[그림 3-29] Pressure profile 140

[그림 3-30] Fill fraction profile 140

[그림 4-1] 풍력발전연구단 홈페이지 142

[그림 4-2] 풍력발전연구단소개 웹페이지 143

[그림 4-3] 국가바람지도 웹페이지 143

[그림 4-4] 풍력자원데이터베이스 웹페이지 144

[그림 4-5] KIER-WindData™ 웹페이지 145

[그림 4-6] KIER-WindData™ 검색사례 146

[그림 4-7] 풍력발전예보 웹페이지 148

[그림 4-8] 학술자료실 웹페이지 149

[그림 4-9] Wind roses at in-situ sites in Jejudo 152

[그림 4-10] Correlation matrix of wind speed 153

[그림 4-11] Comparison of correlations factors with Jeju and Gosan weather station and other in-situ sites 154

[그림 4-12] Wind speed difference by wind direction between 30m and 20m at dumunpo site (0123) 155

[그림 4-13] Diurnal variation of wind speed and wind profile exponents at Dumunpo site (0123) 156

[그림 4-14] Screenshot of KIER-WindData displayed on Google Earth™ 157

[그림 4-15] 시계열자료의 변동곡선 사례 163

[그림 4-16] MLP 신경망의 구조 165

[그림 4-17] EBF 신경망의 구조 167

[그림 4-18] 선흘 2리(aws751)지점 풍속에 대한 시도표 168

[그림 4-19] 로그변환(log(aws751))한 선흘 2리(aws751)지점 풍속에 대한 시도표 169

[그림 4-20] 전이함수모형에 의한 성판악(aws782)지점 원 풍속과 예측풍속 170

[그림 4-21] 성판악(aws782)지점 풍속에 대한 시도표 171

[그림 4-22] 로그변환(log(aws782))한 성판악(aws782)지점 풍속에 대한 시도표 172

[그림 4-23] 전이함수모형에 의한 성판악(aws782)지점 원 풍속과 예측풍속 173

[그림 4-24] 하원(aws330)지점 풍속에 대한 시도표 174

[그림 4-25] 제곱근역변환(1/√aws330(이미지참조))한 하원(aws330)지점 풍속에 대한 시도표 175

[그림 4-26] 전이함수모형에 의한 중문(aws328)지점 원풍속과 예측풍속 176

[그림 4-27] 중문(aws328)지점 풍속에 대한 시도표 177

[그림 4-28] 로그변환(log(aws328))한 중문(aws328)지점 풍속에 대한 시도표 178

[그림 4-29] 전이함수모형에 의한 하원(aws330)지점 원풍속과 예측풍속 179

[그림 4-30] 성산포(kma265)지점 풍속에 대한 시도표 180

[그림 4-31] 로그변환(log(kma265))한 성산포(kma265)지점 풍속에 대한 시도표 181

[그림 4-32] 전이함수모형에 의한 가시(aws792)지점 원풍속과 예측풍속 182

[그림 4-33] 우도(aws725)지점 풍속에 대한 시도표 183

[그림 4-34] 로그변환(log(aws725))한 우도(aws725)지점 풍속에 대한 시도표 184

[그림 4-35] 전이함수모형에 의한 구좌(aws7812)지점 원풍속과 예측풍속 185

[그림 4-36] 구좌(aws781)지점 풍속에 대한 시도표 186

[그림 4-37] 로그변환(log(aws781))한 구좌(aws781)지점 풍속에 대한 시도표 186

[그림 4-38] 전이함수모형에 의한 우도(aws725)지점 원풍속과 예측풍속 188

[그림 4-39] 성판악(aws782)지점의 MLP구조 191

[그림 4-40] 선흘 2리(aws751)지점의 MLP구조 192

[그림 4-41] 중문(aws728)지점의 MLP구조 192

[그림 4-42] 중문(aws728)지점의 MLP구조 193

[그림 4-43] 중문(aws728)지점의 MLP구조 194

[그림 4-44] 중문(aws728)지점의 MLP구조 194

[그림 4-45] 중문(aws728)지점의 MLP구조 195