풍력발전 설계의 기초 - Load simulation

풍력 발전 시스템의 Load Simulation(하중 시뮬레이션)은 안전하고 효율적인 설계를 위해 필수적입니다. 특히 IEC 61400-1 표준은 풍력 터빈의 설계 요구사항과 하중 시뮬레이션을 명확하게 규정하여 국제적으로 널리 사용됩니다. 이번 포스팅에서는 IEC 61400-1에서 정의한 다양한 하중 케이스를 구체적으로 살펴보고, 각 케이스의 시뮬레이션 방법과 고려 사항에 대해 설명하겠습니다.

 

IEC 61400-1 개요

IEC 61400-1은 풍력 터빈의 설계 요구사항을 규정한 국제 표준입니다. 이 표준은 풍력 터빈이 다양한 바람 조건과 환경에서 안전하게 작동할 수 있도록 하중(구조적 부하), 피로, 전기 시스템 등 여러 요소를 다룹니다. 특히 하중 시뮬레이션은 풍력 발전기가 가혹한 환경에서도 무리 없이 작동하도록 설계하는데 필수적입니다.

IEC 61400-1은 다양한 상황에 따라 여러 하중 케이스를 규정합니다. 이번 포스팅에서는 대표적인 하중 시뮬레이션 케이스를 하나씩 분류하여 살펴보겠습니다.

규정에 따르면 크게 8가지로 분류되어 집니다.

1) Power production

2) Power production plus occurence of falut

3) start up

4) Normal shut down

5) Emergency shut down

6) Parked (standing still or idling)

7) Parked and fault conditions

8) Transport, assembly, maintance and repair

 

단계로 분류 되며 이에 따른 1000개가 넘는 상태를 이용해서 Load를 계산하다. 이때 시뮬레이션 하는 Tool은 GH bladed, ADAMS등이 사용 됩니다.

1. Normal Wind Conditions

이 케이스는 일반적인 풍속 조건에서 발생하는 하중을 시뮬레이션하는 것으로, 풍력 발전기의 기본적인 작동 환경을 고려합니다.

시뮬레이션 요소:

• 고정된 평균 풍속: 지정된 풍속에서 터빈이 어떻게 작동하는지 측정합니다.
• 터빈의 정상 운전 상태: 이 상태에서 터빈이 받는 하중을 분석하여 피로와 장기적인 구조적 안정성을 예측합니다.

핵심 포인트:
이 케이스는 주로 터빈이 장기적 운영에 적합한지를 평가하는데 사용되며, 발전기의 피로 수명 예측에 중점을 둡니다.

 

2. Extreme Wind Conditions (극한 바람 조건)

극단적인 기상 상황에서의 하중을 평가하는 케이스로, 강풍이나 폭풍 등 예기치 못한 상황에서 발생할 수 있는 최대 하중을 시뮬레이션합니다.

시뮬레이션 요소:

• Extreme Gusts (극한 돌풍): 순간적인 돌풍이 터빈에 미치는 영향을 분석합니다.
• Turbulence (난기류): 바람의 불규칙적인 흐름이 구조적 안정성에 미치는 영향을 측정합니다.

핵심 포인트:
이 케이스는 터빈이 폭풍이나 강풍에도 견딜 수 있도록 설계되었는지를 확인하기 위한 시뮬레이션입니다.

 

3. Fault Conditions (고장 상황)

이 케이스는 터빈이 고장 상태에 있을 때 발생하는 하중을 평가합니다. 고장 시에도 구조적 안정성을 유지할 수 있어야 하므로 매우 중요한 시뮬레이션입니다.

시뮬레이션 요소:

• 터빈 정지 시 발생하는 하중: 갑작스런 정지 시 구조물에 가해지는 하중을 평가합니다.
• 비상 제동 시스템 작동 시: 고장 상태에서 비상 제동 장치가 어떻게 작동하며 이때 터빈에 가해지는 하중을 분석합니다.

핵심 포인트:
고장 상황에서도 발전기의 안전성을 보장하는 것이 이 시뮬레이션의 목적입니다.

 

4. Extreme Environmental Conditions (극한 환경 조건)

눈, 비, 얼음, 폭염 등 극한 환경에서 발생할 수 있는 하중을 시뮬레이션합니다. 이는 풍력 터빈이 다양한 자연 조건에서도 효율적으로 작동할 수 있도록 보장하는 중요한 테스트입니다.

시뮬레이션 요소:

• 얼음 형성: 터빈 블레이드에 얼음이 형성되었을 때 추가되는 하중을 측정합니다.
• 폭염 및 한파: 온도 변화에 따른 재료의 강도 변화를 고려한 하중 시뮬레이션을 수행합니다.

핵심 포인트:
이 시뮬레이션은 터빈이 다양한 기후 조건에서도 문제없이 작동할 수 있는지 평가하는 데 필수적입니다.

 

5. Transient Load Conditions (일시적 하중 조건)

터빈의 가속 또는 감속 같은 일시적인 상태 변화에서 발생하는 하중을 평가하는 케이스입니다. 이는 특히 터빈의 블레이드와 타워에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

시뮬레이션 요소:

• 가속 및 감속: 터빈이 가동하거나 정지할 때 발생하는 하중을 분석합니다.
• 운전 상태 변화: 바람의 방향이나 세기가 급격하게 변할 때 발생하는 하중을 측정합니다.

핵심 포인트:
일시적 상태 변화에서도 터빈의 구조적 안정성을 평가하여 안전한 운전을 보장하는 것이 이 시뮬레이션의 목표입니다.

 

결론

IEC 61400-1의 하중 시뮬레이션은 풍력 발전 시스템의 설계와 안전성을 확보하기 위한 필수 과정입니다. 각 하중 케이스는 터빈이 다양한 환경과 상황에서 안전하게 작동할 수 있도록 하며, 하중 시뮬레이션 결과는 발전기의 내구성과 성능을 결정하는 중요한 데이터로 활용됩니다.

이러한 시뮬레이션을 통해 얻은 데이터를 기반으로 풍력 발전 시스템은 전 세계적으로 안정적인 에너지를 공급할 수 있습니다. 풍력 발전기 설계나 설치에 관여하는 모든 엔지니어와 관계자는 IEC 61400-1에 따른 시뮬레이션의 중요성을 반드시 숙지해야 합니다.