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제출문
요약문
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 2차 설계개발 25
1. 에어포일 풍동시험성 25
가. 풍동시험 개요 25
나. 실험 장치 및 방법 29
다. 풍동시험 결과 34
2. 블레이드 2차 설계 56
가. 운전조건 및 설계조건 분석 56
나. 블레이드 2차 공력형상 개념설계 57
다. 블레이드 성능해석 63
제2절 블레이드 구조설계 및 성능시험평가 68
1. 블레이드 구조해석 및 설계 68
가. 설계 개요 68
나. 재료 69
다. 단면 형상 개념 선정 71
라. 단면 조립 개념 설계 72
마. Blade Root Hub 고정부 개념 설계 72
바. 단면강성 산출 73
사. 설계 하중 정의 74
아. 소재 물성 산정 76
자. Spar 형상별 상세해석 77
차. 블레이드 type별 재료투입 최적화 상세해석 83
2. 블레이드 시작품 제작 87
가. 공정 개요 87
나. 공정 흐름도 88
다. 성형치구(Mold) 설계 및 제작 89
라. 블레이드 성형 94
3. 블레이드 구조성능 시험평가 102
가. 구조시험설비 설계 및 구축 102
나. 성형 중 잔류응력 측정 104
다. Modal Impact Test 108
제3장 VARTM 성형공정 최적화 및 시작품 제조 112
제1절 VARTM 성형공정 최적화 112
1. VARTM 성형 유동특성 평가 및 공정변수 최적화 112
2. VARTM 성형 유동특성 전산모사 116
제2절 시작품 소재 기계적 특성 평가 118
1. 3m급 블레이드 시작품 소재의 선정 118
가. 유리섬유 선정 118
나. 수지 선정 118
2. 3m급 블레이드 시작품 소재의 물성 평가 120
가. DB830 및 CDBl170 복합체의 유리전이 온도의 측정 120
나. DB830 및 CDBl170 복합체의 기계적 물성 시험 122
3. 하이브리드 소재의 인장 및 충격 시험 127
제3절 300㎜L급 시작품 터빈 블레이드 제작 및 3m급 시작품 금형 재질 선정 132
제4절 결론 133
제4장 풍력발전 성능평가기지 기반구축 134
제1절 풍력발전 성능평가기지 기반구축 134
1. 개발배경 및 개발목적 134
2. 풍력발전연구단 홈페이지 구축 135
가. 풍력발전연구단소개 웹페이지 135
나. 국가바람지도 웹페이지 138
다. 풍력자원데이터베이스 웹페이지 138
라. 풍력발전예보시스템 웹페이지 143
마. 풍력발전학술자료 웹페이지 146
3. 개발성과 및 향후계획 146
제2절 제주도 풍력자원 데이터베이스 구축 147
1. 개발배경 및 개발목적 147
2. 풍력자원 기상통계분석 148
가. 장기간 보정을 위한 풍속상관행렬 149
나. 풍력발전기 허브높이로의 풍속외삽 151
다. 대기안정도 파악을 위한 중립대기분석 152
3. 풍력자원 데이터베이스 구축 153
4. 개발성과 및 향후계획 156
제3절 풍력발전 단기예보를 위한 기상통계모형 개발 157
1. 개발배경 및 개발목적 157
2. 풍속예보모형의 구성 158
가. 전이함수모형 159
나. 시계열자기회귀모형 161
다. 신경망회로모형 162
3. 풍속예보모형의 평가 164
가. 전이함수모형의 평가 165
나. 시계열자기회귀모형의 평가 186
다. 신경망회로모형의 평가 189
라. 풍속예보모형의 비교 193
4. 개발성과 및 향후계획 196
제5장 결론 198
참고문헌 199
서지정보양식
BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET
〈표 1-1〉 연차별 주요 연구내용 24
〈표 2-1〉 에어포일 설계 사양 28
〈표 2-2〉 블레이드 코드 및 비틀림각 분포 58
〈표 2-3〉 Design Condition. 68
〈표 2-4〉 적용 재료 69
〈표 2-5〉 Carbon Mat Spec. 70
〈표 2-6〉 Glass Mat Spec. 70
〈표 2-7〉 Infusion resin Spec. 71
〈표 2-8〉 Hardener Spec. 71
〈표 2-9〉 Adhesive Spec. 71
〈표 2-10〉 CFD Boundary Condition. 74
〈표 2-11〉 Section 별 공력 하중 산출 값 75
〈표 2-12〉 Glass Mat 소재 물성 76
〈표 2-13〉 Carbon Mat 소재 물성 76
〈표 2-14〉 스파 형상 해석 결과 77
〈표 2-15〉 10KW 블레이드 호기별 소재 현황 83
〈표 2-16〉 1호기 Ply별 무게비교. 83
〈표 2-17〉 1호기 Ply별 처짐량 비교. 84
〈표 2-18〉 1호기 Ply별 strain 비교. 84
〈표 2-19〉 2호기 Ply별 무게비교. 84
〈표 2-20〉 2호기 Ply별 처짐량 비교. 85
〈표 2-21〉 2호기 Ply별 strain 비교. 85
〈표 2-22〉 3호기 Ply별 무게비교. 85
〈표 2-23〉 3호기 Ply별 처짐량 비교. 86
〈표 2-24〉 3호기 Ply별 strain 비교. 86
〈표 2-25〉 블레이드 구조시험 장치의 설계사양 102
〈표 2-26〉 블레이드 구조시험 프레임 모델의 해석결과 103
〈표 2-27〉 브래그 격자센서 사양 및 파장 스펙트럼 106
〈표 2-28〉 FBG센서별 측정된 최종 잔류 압축 응력 108
〈표 2-29〉 Modal impact test 결과 111
〈표 3-1〉 하이브리드 복합체 시편의 제조 조건 및 기본 물성 114
〈표 3-2〉 시작품 제작에 사용될 유리섬유 직포의 특성 (Owenscorning) 119
〈표 3-3〉 블레이드 시작품 소재의 DMA 시험조건 120
〈표 3-4〉 전단강도 측정 시험 결과 126
〈표 3-5〉 시작품 소재의 기계적 물성시험 결과 128
〈표 3-6〉 하이브리드 복합체의 인장 시험 결과 130
〈표 4-1〉 연차별 주요 연구내용 155
〈표 4-2〉 제주도 기상청 기상관측지점 165
〈표 4-3〉 선흘 2리(aws751)지점을 이용한 성판악(aws782)지점 예측모형비교 194
〈표 4-4〉 성판악(aws782)지점을 이용한 선흘 2리(aws751)지점 예측모형비교 194
〈표 4-5〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 194
〈표 4-6〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 195
〈표 4-7〉 하원(aws330)지점을 이용한 중문(aws328)지점 예측모형비교 195
〈표 4-8〉 우도(aws725)지점을 이용한 구좌(aws781)지점 예측모형비교 195
〈표 4-9〉 우도(aws725)지점을 이용한 구좌(aws781)지점 예측모형비교 196
[그림 1-1] 국내 풍황 자원지도 23
[그림 2-1] KWAO05-240, KWAO09-127 25
[그림 2-2] 설계 익형과 블레이드 26
[그림 2-3] 설계 블레이드 성능 곡선 26
[그림 2-4] S809 에어포일 형상 27
[그림 2-5] 실험과 해석 결과의 Cl 값 비교 27
[그림 2-6] 실험과 해석 결과의 Cd 값 비교 28
[그림 2-7] 시험장치 개략도 30
[그림 2-8] KWAO09-127 제작 도면 32
[그림 2-9] KWAO05-240 제작 도면 32
[그림 2-10] 에어포일 풍동 설치 도면 32
[그림 2-11] 후류 측정을 위한 레이크 도면 32
[그림 2-12] KWAO05-240 32
[그림 2-13] KWAO09-127 32
[그림 2-14] 풍동 설치 모습 33
[그림 2-15] 레이크 설치 모습 33
[그림 2-16] trip dot 부착 모습 33
[그림 2-17] PIV를 위한 모델 설치 모습 33
[그림 2-18] KWAO05-240 lift coefficient 38
[그림 2-19] KWAOO5-240, drag coefficient 39
[그림 2-20] KWAO09-127 lift coefficient 40
[그림 2-21] KWAO09-127, drag coefficient 41
[그림 2-22] Cp distribution, KWAO05-240,Re=4.5*105(이미지참조) 42
[그림 2-23] Cp distribution, KWAO05-240,Re=4.5*105(이미지참조) 42
[그림 2-24] Cp distribution, KWAOO5-240,Re=4.5*105(이미지참조) 42
[그림 2-25] Cp distribution, KWAOO5-240,Re=9.3*105(이미지참조) 43
[그림 2-26] Cp distribution, KWAOO5-240,Re=9.3*105(이미지참조) 43
[그림 2-27] Cp distribution, KWAO05-240,Re=9.3*105(이미지참조) 43
[그림 2-28] Cp distribution, KWAO05-240,Re=1.3*106(이미지참조) 44
[그림 2-29] Cp distribution, KWAOO5-240,Re=1.3*106(이미지참조) 44
[그림 2-30] Cp distribution, KWAOO5-240,Re=1.3*106(이미지참조) 44
[그림 2-31] Cp distribution, KWAO09-127,Re=4.5*105(이미지참조) 45
[그림 2-32] Cp distribution, KWAO09-127,Re=4.5*105(이미지참조) 45
[그림 2-33] Cp distribution, KWAO09-127,Re=4.5*105(이미지참조) 45
[그림 2-34] Cp distribution, KWAO09-127,Re=1.33*106(이미지참조) 46
[그림 2-35] Cp distribution, KWAO09-127,Re=1.33*106(이미지참조) 46
[그림 2-36] Cp distribution, KWAO09-127,Re=1.33*106(이미지참조) 46
[그림 2-37] KWAO05-240, Re=1.33*10^6 Cp distribution at post stall region 47
[그림 2-38] KWAO09-127, Re=1.33*10^6 Cp distribution at post stall region 47
[그림 2-39] Flow field by PIV, KWAO05-240, clean surface, AOA=00 48
[그림 2-40] Flow field by PIV, KWAO05-240, with trip dots, AOA=00 48
[그림 2-41] Flow field by PIV, KWAOO5-240, clean surface, AOA=10 49
[그림 2-42] Flow field by PIV, KWAOO5-240, with trip dots, AOA=10 49
[그림 2-43] Flow field by PIV, KWAOO5-240, clean surface, AOA=12 50
[그림 2-44] Flow field by PIV, KWAO05-240, with trip dots, AOA=12 50
[그림 2-45] Flow field by PIV, KWAO05-240, clean surface, AOA=17.5 51
[그림 2-46] Flow field by PIV, KWAO05-240, with trip dots, AOA=17.5 51
[그림 2-47] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean surface, AOA=00 52
[그림 2-48] Flow field by PIV, KWAO09-127, with trip dots, AOA=00 52
[그림 2-49] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean surface, AOA=05 53
[그림 2-50] Flow field by PIV, KWAO09-127, with trip dots, AOA=05 53
[그림 2-51] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean surface, AOA=13.2 54
[그림 2-52] Flow field by PIV, KWAO09-127, with trip dots, AOA=13.2 54
[그림 2-53] Flow field by PIV, KWAO09-127, clean surface, AOA=17.6 55
[그림 2-54] Flow field by PIV, KWAO09-127, with trip dots, AOA=17.6 55
[그림 2-55] 국내 평균 풍속 분포 57
[그림 2-56] 코드 길이 분포 59
[그림 2-57] 트위스트 분포 59
[그림 2-58] 트위스트 각 보간 60
[그림 2-59] 코드 길이 보간 61
[그림 2-60] 1차 vs 2차 설계 코드 길이 분포 62
[그림 2-61] 1차 vs 2차 설계 트위스트각 분포 62
[그림 2-62] BOT vs Bladed - Power curve 63
[그림 2-63] BOT vs Bladed - Cp curve 63
[그림 2-64] 설계 풍속에 따른 Cp 곡선 64
[그림 2-65] 설계 풍속에 따른 출력 곡선 65
[그림 2-66] 2차 설계 블레이드 코드 길이 분포 66
[그림 2-67] 2차 설계 블레이드 트위스트각 분포 66
[그림 2-68] 2차 설계 블레이드 Cp-TSR 분포 66
[그림 2-69] 2차 설계 블레이드 Cp-풍속 분포 67
[그림 2-70] 2차 설계 블레이드 Power-풍속 분포 67
[그림 2-71] 초기 10KW Blade 형상. 68
[그림 2-72] 10KW 블레이드 기본 성능 곡선. 69
[그림 2-73] 블레이드 단면 조립 개념설계 72
[그림 2-74] Pin-Hole Flange 단면 73
[그림 2-75] 질량중심 계산 73
[그림 2-76] Section 별 공력 하중 산출 모델. 74
[그림 2-77] Section 별 공력 하중 산출 결과 75
[그림 2-78] FEM 모델 형상 77
[그림 2-79] Type별 스파 형상 78
[그림 2-80] 하중 적용 Iso View 79
[그림 2-81] 하중 적용 Side View 79
[그림 2-82] 1 Spar 해석결과 80
[그림 2-83] 2 Spar 해석결과 81
[그림 2-84] Box Spar 해석결과 82
[그림 2-85] 블레이드 3차원 형상 87
[그림 2-86] 블레이드 시제 제작 공정도. 88
[그림 2-87] 블레이드 성형치구 형상 89
[그림 2-88] 블레이드 스킨 몰드 제작 공정. (a~f) 90
[그림 2-89] 블레이드 스킨 몰드 제작 공정. (g~l) 91
[그림 2-90] 블레이드 스파 몰드 제작 공정. (a~f) 92
[그림 2-91] 블레이드 시제 제작용 몰드 93
[그림 2-92] 몰드 끝단에 Masking 95
[그림 2-93] 원소재 재단 95
[그림 2-94] Airtac 2 도포 95
[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] 탈형 작업 99
[그림 2-104] 탈형된 블레이드 99
[그림 2-105] 상형 스킨 100
[그림 2-106] 하형 스킨 100
[그림 2-107] 스파 위치 확인 100
[그림 2-108] 접착제 도포 100
[그림 2-109] 조립 100
[그림 2-110] 경화 100
[그림 2-111] 조립 후 탈형 101
[그림 2-112] 표면 사상 101
[그림 2-113] Root부 보강 101
[그림 2-114] 도장 101
[그림 2-115] 블레이드 구조시험장치의 설치 개념 103
[그림 2-116] 블레이드 구조시험 프레임 모델(model 5)의 주요부위 해석 결과 104
[그림 2-117] 10㎾ 급 glass-carbon hybrid wind turbine 블레이드의 형상 및 spar 위치 105
[그림 2-118] spar 내부 브래그 격재 센서라인 삽입 위치(I) 105
[그림 2-119] spar 내부 브래그 격재 센서라인 삽입 위치(II) 105
[그림 2-120] FBG 센서 삽입된 carbon/epoxy spar의 성형 전후 형상 106
[그림 2-121] 경화 사이클 107
[그림 2-122] FBG센서별 측정 잔류응력 107
[그림 2-123] modal impact test setup 109
[그림 2-124] 가속도센서 부착 위치 109
[그림 2-125] FRF and MIF plot (0-512㎐) 110
[그림 2-126] Modal impact test 결과 : Mode shapes 111
[그림 3-1] 탄소섬유와 유리섬유 복합체의 조직사진 114
[그림 3-2] 프리폼의 하이브리드화 비율 및 적층 배열에 따른 투과 실험 114
[그림 3-3] 섬유 배열 및 하이브리드 비율별 투과도 115
[그림 3-4] 0˚ 및 90˚ 배열 하이브리드 복합체 제조 시, 수지 투과시간 115
[그림 3-5] ±45˚ 배열 하이브리드 복합체 제조 시, 수지 투과시간 116
[그림 3-6] 매쉬 처리된 2차원 블레이드 형상 118
[그림 3-7] 2차원 블레이드의 VARTM 공정 적용 시, 발생하는 압력분포 형상 119
[그림 3-8] 시작품 제작에 사용될 유리섬유인 (a) DB830과 (b) CDB1170 120
[그림 3-9] DB830 (a)과 CDB1170 (b)의 DMA 시험 결과 121
[그림 3-10] 스트레인게이지 부착된 시편의 인장시험 123
[그림 3-11] DB830과 CDB1170의 스트레인 결과 123
[그림 3-12] DB830과 CDB1170의 인장시험 결과 123
[그림 3-13] 압축시험 장면 (ASTM D3410)과 ASTM D3846 125
[그림 3-14] DB830과 CDB1170의 압축강도 그래프 125
[그림 3-15] 전단강도 측정용 지그 126
[그림 3-16] 전단강도 측정 장면 및 파괴 후의 시편 126
[그림 3-17] 아이조드 충격 시험기(a)와 저속충격시험기(b) 128
[그림 3-18] 하이브리드 복합체의 아이조드 충격시험 결과 129
[그림 3-19] 하이브리드 복합체의 저속 충격시험 결과 130
[그림 3-20] 하이브리드 복합체의 인장시험 결과 131
[그림 3-21] 300㎜급 하이브리드 복합체 블레이드 시작품 132
[그림 4-1] 풍력발전연구단 홈페이지 135
[그림 4-2] 풍력발전연구단소개 웹페이지 136
[그림 4-3] 국가바람지도 웹페이지 138
[그림 4-4] 풍력자원데이터베이스 웹페이지 139
[그림 4-5] KIER-WindData™(이미지참조) 웹페이지 141
[그림 4-6] KIER-WindData™(이미지참조) 검색사례 142
[그림 4-7] 풍력발전예보 웹페이지 144
[그림 4-8] 학술자료실 웹페이지 146
[그림 4-9] Wind roses at in-situ sites in Jejudo 149
[그림 4-10] Correlation matrix of wind speed... 150
[그림 4-11] Comparison of correlations factors with Jeju and Gosan weather station and other in-situ sites 151
[그림 4-12] Wind speed difference by wind direction between 30m and 20m at Dumunpo(dumunpo) site (0123) 152
[그림 4-13] Diurnal variation of wind speed and wind profile exponents at Dumunpo site (0123) 153
[그림 4-14] Screenshot of KIER-WindJeju displayed on Google Earth™(이미지참조) 154
[그림 4-15] 시계열자료의 변동곡선 사례 160
[그림 4-16] MLP 신경망의 구조 162
[그림 4-17] EBF 신경망의 구조 164
[그림 4-18] 선흘 2리(aws751)지점 풍속에 대한 시도표 166
[그림 4-19] 로그변환(log(aws751))한 선흘 2리(aws751)지점 풍속에 대한 시도표 166
[그림 4-20] 전이함수모형에 의한 성판악(aws782)지점 원 풍속과 예측풍속 168
[그림 4-21] 성판악(aws782)지점 풍속에 대한 시도표 169
[그림 4-22] 로그변환(log(aws782))한 성판악(aws782)지점 풍속에 대한 시도표 169
[그림 4-23] 전이함수모형에 의한 성판악(aws782)지점 원 풍속과 예측풍속 171
[그림 4-24] 하원(aws330)지점 풍속에 대한 시도표 172
[그림 4-25] 제곱근역변환(1/√aws330(이미지참조))한 하원(aws330)지점 풍속에 대한 시도표 172
[그림 4-26] 전이함수모형에 의한 중문(aws328)지점 원풍속과 예측풍속 174
[그림 4-27] 중문(aws328)지점 풍속에 대한 시도표 175
[그림 4-28] 로그변환(log(aws328))한 중문(aws328)지점 풍속에 대한 시도표 175
[그림 4-29] 전이함수모형에 의한 하원(aws330)지점 원풍속과 예측풍속 177
[그림 4-30] 성산포(kma265)지점 풍속에 대한 시도표 178
[그림 4-31] 로그변환(log(kma265))한 성산포(kma265)지점 풍속에 대한 시도표 178
[그림 4-32] 전이함수모형에 의한 가시(aws792)지점 원풍속과 예측풍속 180
[그림 4-33] 우도(aws725)지점 풍속에 대한 시도표 181
[그림 4-34] 로그변환(log(aws725))한 우도(aws725)지점 풍속에 대한 시도표 181
[그림 4-35] 전이함수모형에 의한 구좌(aws7812)지점 원풍속과 예측풍속 183
[그림 4-36] 구좌(aws781)지점 풍속에 대한 시도표 184
[그림 4-37] 로그변환(log(aws781))한 구좌(aws781)지점 풍속에 대한 시도표 184
[그림 4-38] 전이함수모형에 의한 우도(aws725)지점 원풍속과 예측풍속 186
[그림 4-39] 성판악(aws782)지점의 MLP구조 189
[그림 4-40] 선흘 2리(aws751)지점의 MLP구조 190
[그림 4-41] 중문(aws728)지점의 MLP구조 191
[그림 4-42] 중문(aws728)지점의 MLP구조 191
[그림 4-43] 중문(aws728)지점의 MLP구조 192
[그림 4-44] 중문(aws728)지점의 MLP구조 192
[그림 4-45] 중문(aws728)지점의 MLP구조 193