Introduction

Fig. 4는 NREL 5 MW 해상풍력터빈 모델의 풍속에 대한 출력과 추력을 비교한 결과로 GH Bladed(Ver.4.4), FAST코드(Ver.7.02) 및 3차원 CFD 해석기법을 적용하여 수행된 것이다. 이 경우 각 풍속에 대한 블레이드 피치각(pitch angle) 조건은 참고문헌⁽¹⁰⁾에 제시되어 있다. 본 연구에서는 고정된 블레이드 피치각 조건 및 피치 제어기를 작동한 경우에 대한 해석을 모두 수행하여 비교하여 보았는데 피치 제어기를 작동하는 경우는 정격풍속 이후에서 모두 일정한 터빈 출력을 확인할 수 있었다.

Fig. 4 
Comparisons of predicted aerodynamic power and thrust for various wind speeds

본 예비해석은 동일한 바람 및 작동 조건에서 해석기법에 따른 정량적인 상대 비교가 목적이므로 피치 제어기를 작동한 경우의 결과는 제외하였다. 이유는 피치제어기를 작동하게 되면 각 해석코드에 제어알고리즘이 반영되는 기법에 대한 영향이 혼합되어 객관적인 평가가 난해해 지기 때문이다. 터빈 추력은 풍력발전기의 좌표계에서 F_X에 해당하는 힘이 지배적으로 영향을 미치게 되는데 전반적으로 상이한 해석 기법들이 유사한 경향의 결과를 보여주고 있다. Fig.4에서 EllipSys3D 해석결과는 서로 다른 3차원 CFD 해석기법의 결과를 비교하기 위해 참고로 제시한 것이다. 물리적으로 터빈의 출력(power)은 터빈 블레이드를 통해 허브에 작용하는 MX모멘트에 지배적으로 영향 받게 된다. 풍속변화에 따른 터빈 출력(power) 비교결과 그래프에서 FAST 코드의 경우 BEM 옵션을 적용한 결과는 generalized dynamic wake (GDW) inflow 모델을 적용한 경우, GH Bladed 및 CFD 해석 결과와도 정격 풍속이후에서 큰 차이를 보임을 발견하였다. 따라서 이후의 해석에서는 FAST 코드 적용시 GDW 옵션을 일괄적으로 적용하여 해석을 수행하였다.

본 논문에서 적용한 풍력터빈 설계하중조건은 GL Guideline 2010⁽⁵⁾에 기반하여 선정하였다. 본 논문에서 하중해석결과로 제시한 주요 바람조건은 Normal Turbulence Model (NTM), Normal Wind Profile (NWP), Extreme Operating Gust (EOG), Extreme Direction Change (EDC)이다.

Fig. 5(a)는 평균풍속 11 m/s에서 NTM 설계하중조건 해석을 위해 생성된 10분 동안의 난류바람 풍속변화를 보여주고 있다. 본 해석에서는 IEC 61400-1에서 규정하는 가장 강한 난류등급인 ‘A’class를 고려하였으며, 난류모델은 Kaimal spectrum을 적용하였다. ‘A’class의 가장 강한 난류조건을 고려하였기 때문에 평균풍속 11 m/s인 난류바람은 10분 내에 최대 18 m/s의 풍속에서 최저 6 m/s까지 변화하는 특성을 보이고 있다. Fig. 5(b)는 5 MW 풍력터빈에 대한 해석결과의 예로 설정된 난류 바람 조건에서 로터의 회전속도 변화를 보여주고 있는데, 난류조건의 풍속 변화에 따른 로터의 급격한 회전수 변화를 관찰할 수 있다.

Fig. 5(a) 
Time history of the hub wind speed magnitude and rotor speed for the NTM condition (V_avg=11 m/s, 10min)

Fig. 6은 풍속 11 m/s에서 동일한 5 MW 풍력터빈 모델에 대한 NTM, NWP, EOG 및 EDC 설계하중 조건에서 FAST 및 GH Bladed 코드로 해석한 블레이드의 시간에 대한 하중변화를 블레이드 좌표계(Fig. 1)에 대해 비교한 결과이다. 참고로 블레이드 좌표계는 블레이드에 고정되어 함께 회전하게 된다. 상대적인 차이를 분석하기 위해 동일한 평균 풍속조건에서 해석이 수행되었다. 결과를 보면 설계하중 조건에 따라 블레이드에 작용하는 공기역학, 타워간섭 및 회전속도가 달라지기 때문에 하중응답의 특성이 다르게 나타남을 볼 수 있다. Fig. 6(a)은 Fig. 5(a)의 난류 바람조건에 대한 시간 하중응답으로 난류바람의 변동적인 풍속특성 때문에 블레이드에 부가되는 하중 또한 심하게 변동됨을 알 수 있다. 이러한 하중의 변동특성은 블레이드 및 터빈 부품의 피로수명에 중요한 영향을 미치게 된다. FAST 및 GH Bladed로 해석한 결과가 거의 유사한 경향을 보이고 있으나 하중응답의 위상은 약간의 차이를 보이고 있다. Fig. 6(b)~(d)는 NWP, EOG 및 EDC 조건에 대한 블레이드 루트하중의 시간에 대한 하중응답을 보여주고 있다. NWP조건의 경우는 FAST 및 GH Bladed 해석결과가 거의 동일하나 EOG 및 EDC 조건의 경우는 다소 차이를 보이고 있다. EOG 조건의 경우는 200초에서 210초 사이에 돌풍(gust) 영향이 반영되게 되는데 이 구간에서 바람의 영향이 가장 큰 F_XB 및 M_YB 하중이 차이를 나타내고 있는데 이는 바람의 시간변동 특성을 반영하여 해석하는 알고리즘이 상이하기 때문으로 판단된다. 유사한 이유로 EDC 조건의 경우도 돌풍이 작용한 이후에 F_XB, F_ZB, M_XB, M_YB에서 다소 차이가 나타나고 있다. 이러한 차이는 다음 그림에서도 세부적으로 관찰할 수 있다.

Fig. 6 
Comparisons of blade root force and moment between FAST and GH Bladed for different design wind condition (V_avg=11 m/s, time history)

Fig. 7은 블레이드 방위각(azimuth angle)에 대해 설계하중 변화를 비교한 결과이다. 이번 비교에서는 좀 더 명확한 비교 및 고찰을 위해 GH Bladed와 FAST 해석결과뿐만 아니라 비정상 3차원 전산유체역학(CFD)과 다물체 동역학을 연성(coupling)한 정밀 하중해석 결과를 함께 비교하였다. NWP 조건의 경우 GH Bladed, FAST 및 CFD 해석결과가 모두 잘 일치하는 경향을 보이고 있는데, 다만 M_YB의 경우는 블레이드와 타워 사이에 간섭효과가 유발되는 방위각 180도 부근에서 약간의 차이를 보이고 있다. 이론적으로 해석의 정확도는 CFD 해석기법이 가장 높다고 할 수 있는데 FAST코드 해석 결과는 CFD 해석과 거의 일치하고 있으나 GH Bladed 해석결과는 약간 차이를 보이고 있다. EOG와 EDC 바람조건의 경우에는 돌풍에 기인한 바람 속도 및 방향의 급격한 변화 영향으로 하중해석 결과에 다소 차이를 관찰할 수 있다. 특히 EOG 조건의 경우 CFD 및 FAST 결과는 유사하나 GH Bladed 해석 결과는 최대 블레이드 모멘트가 2,000 kNm 정도 낮게 예측하고 있다. 또한 EDC 바람조건의 경우는 방위각 0도~240도 구간에서 큰 차이를 보인 후 이후에는 유사한 결과를 보이고 있다.

Fig. 7 
Comparisons of blade root force and moment between FAST, GH Bladed and CFD for different design wind condition (Vavg=11 m/s, azimuth angle history)

Fig. 8(a)~8(d)에서는 계산된 피크하중 차이를 보다 명확하게 검토하기 위해서 최대하중수준을 막대그래프 형태로 나타내었다(단, NTM 조건의 경우는 root mean square (RMS) 값을 함께 비교함). Fig. 8(a)는 NTM 조건에 대한 비교 결과를 보여주고 있다. RMS blade root force의 경우 가장 큰 차이는 F_ZB에서 약 8% 정도 발생하였고 FAST 코드가 상대적으로 높은 값을 예측하였다. Blade root moment의 경우는 M_XB는 거의 동일한 수준이나 M_YB의 경우는 GH Bladed 코드가 약 18% 정도 높은 값을 나타내었다. 순간 최대 응답하중의 경우는 FAST 해석결과가 GH Bladed 코드의 경우보다 F_ZB 하중에서 약 17% 높게 예측한 반면 M_XB와 M_YB에 대해서는 GH Bladed 코드가 예측한 결과가 각각 약 15.7 와 14.2% 높은 수준을 나타내었다. Fig. 8(a)에 제시한 10분 평균 하중의 최대 값의 차이는 설계하중 바람조건에 따라 편차를 보이고 있다. 최대 피크하중의 경우에는 바람조건에 따라서 그 차이가 많게는 약 15 % 이상 발생될 수 있음을 볼 수 있다. Fig. 8(b)에 제시한 NWP조건의 경우는 F_XB에 대해서 FAST 코드가 3.4% 높게, F_YB에 대해서는 GH Bladed 코드가 0.2% 높게 예측하였다. F_ZB에 대한 결과는 GH Bladed가 1.2% 높게 하중을 예측하였다. M_YB에 대해서는 FAST가 GH Bladed 코드 보다 2.1% 높게 하중이 도출되었다. 대체적으로 FAST와 GH Bladed 코드의 결과 값이 잘 일치하는 것을 확인하였다. Fig. 8(c)는 50년 1회 발생빈도 EOG 조건에 대한 최대하중 값을 비교한 결과이다. F_XB 최대 값의 경우 GH Bladed 가 FAST 코드에 비해 약 10% 낮은 값을, F_YB의 경우에는 상대적으로 5.7% 낮게 예측하였으나 F_ZB의 경우는 오히려 GH Bladed 코드가 1.3% 높은 값을 나타내었다. M_XB의 경우는 GH Bladed 코드가 8.7% 낮게, M_YB의 경우는 GH Bladed 코드가 약 6.8% 낮은 값을 예측하였다. M_ZB의 경우는 상대적으로 무시할만한 수준을 보이고 있으나 FAST 코드의 해석 결과가 13.4% 큰 값을 나타내었다. Fig. 8(d)에서는 EDC 조건에 대한 최대하중 값을 비교하였다. F_XB의 경우 FAST 코드가 약 4.8% 높게 예측하였으며 F_YB의 경우는 1.9% 상향된 값을 예측하였다. F_ZB의 경우는 GH Bladed 코드가 1.21% 정도 높은 값을 제시하였다. M_XB의 경우는 GH Bladed 코드가 1.2% 높게 예측하였고, M_YB의 경우는 FAST 코드가 약 2.1% 증가된 값을 예측하였다. MZB의 경우는 상대적으로 무시할만한 수준을 보이고 있다.

Fig. 8 
Comparison of peak blade root force and moment between FAST and GH Bladed (V_avg=11 m/s)