Optimal Design of Wind Turbine Blade considering Multiple Variables using the Response Surface Method

Abstract

As the size of the wind turbines becomes larger, the optimal design of the blades becomes more significant. Design of a wind turbine blade is performed through the procedures of aerodynamic design, structural design, load analysis, structural integrity evaluation. And then the design will be finalized when the final aerodynamic and structural performances satisfy the target specification set at the conceptual design stage. From the perspective of a blade aerodynamic design, target output, efficiency, axial load and noise are the key factors of the design. With regard to the structural design of the blade, weight, tip deflection, safety margin from extreme, fatigue failure, and buckling load coefficient are the major design parameters to be considered. However, each design factor has an interactive relationship, not independent. Therefore, it is important to reduce the number of repetitive designs to minimize the blade development period, and for this, aerodynamic and structural designs of the blade should be carried out appropriately. This thesis describes an improved optimization scheme for the blade aerodynamic design under realistic conditions, while considering multiple design parameters. The relationship between the objective function and the design parameters, such as the chord length, maximum chord and twist angle, are obtained by using the second-order response surface methodology (RSM). The identified parameters are organized to optimize the aerodynamic design of the blades. Meanwhile, from the standpoint of the structural design, the present research presents a methodology to perform blade structural design of large-size wind turbine blade by using structural specific results of a baseline blade with proven structure based on the classical lamination theory (CLT) and the one-dimensional beam formulation. In addition, with an optimal structural design scheme using Variational Asymptotic Beam Section Analysis (VABS), the optimal design for blade structure is carried out. By the proposed design scheme, it will be possible to do a state-of- the-art design. It is reachable in a short period of time with small computer resources and effort. As a result, this design method is expected to provide optimal design for the wind turbine blade.

본 논문에서는 풍력 터빈이 20년의 경제 수명 동안 작용할 수 있는 다양한 하중을 고려하여, 풍력 블레이드의 최적 설계에 관한 연구를 수행하였다. 블레이드 최적 설계를 위해 블레이드의 형상을 결정하는 공력설계, 안전도를 보장하는 구조설계와 같은 설계 단계와 함께 이를 이용한 하중 해석, 하중 해석 결과를 이용한 구조 건정성 평가를 각각 수행하였다. 최적 블레이드 공력설계를 위해 반응표면분석법(RSM)을 적용하여 최적의 시위 길이와 비틀림 각도의 조합을 블레이드 길이 방향으로 각각 계산하였으며, 이렇게 계산된 블레이드 형상을 이용하여 연간 에너지 생산(AEP) 계산 등을 수행하였다. 구조 설계의 경우, 현재 운영중인 상업용 블레이드를 참고하여 블레이드 구조 설계의 가장 핵심인 Spar cap을 대상으로 최대의 강성과 최소의 중량을 가지는 최적 설계를 진행하였으며, 이렇게 설계된 블레이드 섹션을 대상으로 VABS를 이용하여 다양한 설계변수(적층 개수,전단 웹 위치등)를 고려한 최적 설계를 추가로 수행하였다. 설계가 완료된 블레이드를 대상으로, 블레이드를 길이방향으로 여러 개의 섹션으로 구분, 하중 해석에 필요한 정보(단위 무게, 굽힘 강성, 비틀림 강성)를 각각 추출하였으며, 이 값들을 이용해서 블레이드 요소 모멘텀 이론(BEMT)과 CFD를 활용하여 하중 해석을 수행하였고, 결과는 블레이드 구조 건전성 평가를 위해 사용되었다. 블레이드 구조건전성 평가의 경우, 타워와의 간섭을 피하기 위한 최대변위 평가, 좌굴, 섬유 및 수지 파손, 피로 평가 등의 항목으로 블레이드 구조에 대한 평가를 수행하였으며, 이를 통해 블레이드의 최적 설계와 안전도 평가를 수행하였다.