Recently, the fatigue load of a turbine blade is more importantly considered because the size of commercial wind turbines has been significantly increased. The reduction of fatigue load can result in increased component lifetimes, reduced maintenance requirements, and an overall lower cost of energy. Wind turbines are subjected to rapid fluctuating loads, which arise from a variety of sources including: turbulence in the wind, tower shadow, wind shear conditions. This study numerically and experimentally investigates the load reduction potential of active aerodynamic load control devices, namely trailing edge flaps, in the operation of large wind turbines. First, this study analyzed the performance and aeroelastic characteristics of wind turbine blades using a flexible multi-body dynamics, a new aerodynamic model based on modified strip theory (MST) and the fluid-structure interaction approach. A simulated wind turbine blade was modeled using dynamics software MSC/ADAMS, where the flexible parts can be included by importing a finite element model built in finite element analysis software ANSYS. The aeroelastic characteristics of the blade were obtained by coupling these aerodynamic and structural model. The proposed aeroelastic analysis method was validated with NREL 5MW model. Also, this study numerically investigated the load reduction of large wind turbine blades using trailing edge flaps. The PID and LQG controllers were used to control the trailing edge flap angle, where the difference between the root bending moment and its mean value during turbulent wind condition was used as the error signal in the control loop. Finally, to validate the active load control method and show the potential of trailing edge flap for load reduction, a active load control experiment of the wind turbine blade was performed.
지난 30년동안 풍력 터빈의 크기가 거대해지면서 피로하중이 중요한 요소로 부각되고 있다. 피로하중을 줄이게 되면 설계된 풍력 터빈의 수명을 유지할 수 있으며 이로 인해 유지보수비가 줄어들게 되고 이는 에너지 생산단가를 낮출 수 있게 된다. 피로하중은 난류유동, 타워 간섭 등과 같은 다양한 요인에 의해 발생이 된다. 본 연구는 Modified Strip Theory(MST)와 유연다물체계(flexible multi-body) 동역학 해석이 가능한 MSC/ADAMS를 이용하여 대형 풍력 터빈에서 뒷전 플랩이라는 능동 공력 하중 제어 장치의 하중 제어 가능성을 살펴보았다. 우선 MST라는 새로운 공력 모델과 유연 다물체계 해석을 기반으로 하는 유체-구조 연계기법을 수립하여 대형 풍력 터빈 블레이드의 성능 및 공탄성 특성을 살펴보았다. NREL 5MW 모델에 대해서 공탄성 해석을 한 결과 본 연구에서 수립한 연계기법을 통해 도출된 결과와 참고문헌과의 결과와 유사함을 확인하였다. 또한 뒷전 플랩을 적용하여 플랩의 제어 유무에 따른 하중 변화를 해석적으로 살펴보았다. PD 제어기와 LQG 제어기를 사용하여 뒷전 플랩의 각도를 변화시키면서 제어를 할 때와 하지 않을 때의 블레이드 루트에서 발생하는 굽힘 모멘트 변화를 살펴보았다. 그 결과 뒷전 플랩을 이용하여 제어시에 STD 값 기준으로 20~30% 정도 하중을 줄일 수 있음을 확인하였다. 그리하여 해석에서 사용한 제어기와 센서링 기법의 효용성 및 가능성을 살펴보기 위해 실제 풍력 터빈 블레이드의 일부분을 제작하여 난류유동 상황에서 뒷전 플랩을 이용해 하중 제어를 수행하였고 해석 결과와 유사한 결과를 얻었다.
