Damage Monitoring for Wind Turbine Blade using Impedance Technique

Yong-Hak Huh*^✝, Jongil Kim* and Seonggu Hong*

초 록 풍력 발전 블레이드에서 손상 발생 및 진전을 모니터링하기 위한 임피던스 기법에 대한 고찰을 하 였다. 본 연구에서는 PVDF 필름 피에조 센서를 제작하여 10 kW 급 풍력 발전 블레이드에 부착하여 피로하 중의 부하에 따른 임피던스 신호를 1-200 MHz 주파수 영역에서 측정하였다. 피로하중을 부하함에 따라 블레 이드의 처짐과 국부적인 변형률의 변화가 발생하였고, 임피던스 신호의 패턴에서의 변화를 감지할 수 있었 다. 임피던스와 변형률 그리고 처짐 신호로부터 블레이드의 국부적인 손상 혹은 기하학적 변화가 발생하였음 을 알 수 있었다. 임피던스 신호의 정성적인 비교를 정량적으로 비교하기 위하여 통계적인 접근으로 스칼라 손상 지수 M을 사용하였다. 피로 하중의 부하와 센서 위치에 따른 지수 M을 계산할 수 있었고, 이들 값을 비교하여 지수와 손상을 상관지을 수 있었다.

주요용어: PVDF 필름 센서, 임피던스, 풍력 블레이드, 스칼라 손상 지수

Abstract Impedance based monitoring technique was investigated to evaluate the damage occurring in wind turbine blade. In this study, PVDF film piezo sensors were patched on the 10 kW wind turbine blade, and impedance was measured over the frequency range of 1~200 MHz under fatigue loading. With applying fatigue loads on the blade, change in maximum deflection of the blade and local strain values could be obtained from the strain gages attached on the blade, and difference of the impedance signatures was also observed. From these data, it could be found that local damage or geometrical change in the blade structure happened. To quantitatively compare the impedance signature patterns, a statistical algorithm, scalar damage metric M was used. It was calculated from the impedance signatures considering fatigue loads and location of the sensors. The metric values were compared to correlate the metrics with damage in the blade.

Keywords: PVDF Film Sensor, Impedance, Wind Turbine Blade, Scalar Damage Metric

[접수일: 2013. 9. 10, 수정일: 2013. 10. 21, 게재확정일: 2013. 10. 28] *한국표준과학연구원 산업측정표준본부,

✝Corresponding Author: Division of Industrial Metrology, Korea Research Institue of Standards and Science., Daejeon, 305-340, Korea (E-mail: [email protected])

ⓒ 2013, Korean Society for Nondestructive Testing

1. 서 론

지구온난화의 영향으로 세계 각국은 풍력을 포 함한 신재생 에너지 개발에 대한 많은 노력을 기 울이고 있다. 풍력 발전은 많은 나라가 관심을 가 지고 있고 특히 유럽과 미국, 중국 등에서는 이미 풍력 발전기의 개발이 폭 넓게 이루어져 많은 전 기 에너지를 바람 에너지로부터 획득하고 있다.

풍력 발전은 육상 풍력에 이어 해상 풍력 및 초 대형 풍력 발전으로 발전 범위를 넓혀가고 있다.

대형화되고 해상 풍력으로 발전하는 풍력 발전 시스템에서의 운영 및 관리는 경제적으로나 안전 관리 측면에서나 그 중요성이 더해가고 있다. 풍 력 발전 시스템을 효율적으로 관리 운영하기 위 해서는 손상 관리 시스템이 잘 준비되어야 한다.

손상 블레이드의 조기 탐지 기술들이 연구되고 있고 실질적으로 음향 방출, 광섬유를 이용한 모 니터링, 초음파, 임피던스 기반 기법 등 다양한 비파괴 기법들이 개발되었고 이들 기술 중 일부 는 그 유용성을 항공 구조물과 토목 구조물에서

Fig. 1 Experimental setup of the blade mounted on the test bench with fatigue loading system

검토되어 졌었다[1-4, 12-14].

임피던스 기반 구조 건전성 모니터링기법도 항 공 구조물과 토목 구조물에서 사용되어진 바 있 으며, 구조물의 국부적 기계적 임피던스와 직접 적으로 상관되는 전기적 임피던스를 측정하여 구 조물의 손상 발생 및 진전을 모니터링하였다. 일 반적으로 임피던스는 측정 부위에 붙여주거나 혹 은 내부에 매입한 PZT 센서로 측정하나, 최근에 는 PVDF 필름 센서가 개발되어 사용되고 있다 [5-7]. 피에조 특성을 가지는 센서로부터 측정되 는 임피던스는 주파수 기반에서 분석되어 구조적 변화를 민감하게 반응하는 임피던스의 실수부를 사용하고 있다. 적당한 주파수 영역에서 구조물 의 손상의 발생에 따라 발생하는 임피던스 신호 를 비교하여 구조 변화를 정성적으로 감지할 수 있으나, 이러한 변화를 산술 손상 계수(scalar damage metric)로서 정량화하여 구조 손상을 모니 터링할 수 있다[8,9].

본 연구에서는 10 kW 풍력 발전 블레이드에 서 피로하중의 부하에 따른 손상의 발달을 임피 던스로 측정하여 그 적용성을 검토하였다. 또한 실 규모 블레이드에서 손상의 발달에 따른 임피 던스의 변화를 정량적으로 나타내기 위하여 통 계적인 접근으로 손상 지수를 사용하여 이에 대 한 사용 가능성을 확인하였다. 블레이드에서 발 생하는 임피던스의 변화는 블레이드에 PVDF 필 름 센서를 부착하여 측정하였다.

2. 실 험

2.1. 시험 블레이드 및 하중 장치

본 연구에 사용한 풍력 발전 블레이드는 10 kW

급으로 길이가 약 3550 mm 이고 하나의 전단 웹이 블레이드 길이 방향으로 내부에 연결되어 있다. 블레이드를 구성하는 재료는 GFRP (glass fiber-reinforced plastic)이다.

풍력 블레이드에 피로 하중을 가하는 방법으로 는 직접 하중 혹은 공진형 하중 부하 장치를 이 용할 수 있다 본 연구에서 사용한 블레이드 크기 의 한계성으로 직접 하중을 가하는 방법을 사용 하였다. 피로 하중은 단일 집중하중으로 블레이 드 루트 끝단에서 2150 mm 지점에 하중 크래들 을 설치하여 부하하였다. 피로하중은 유압 엑츄 에이터(최대 용량 100 kN, 1000 mm, MTS)로 부 하하는 시스템을 사용하였다. 크래들과 하중 부 하용 유압 엑츄에이터의 연결은 연결봉으로 이루 어졌으며, 피로 하중 부하동안의 행정 거리의 각 도 변화를 고려하여 크래들의 연결부위와 유압 엑츄에이터 연결부위에 각각 유니버셜 조인트를 설치하였다. Fig. 1은 본 피로 시험에 사용한 크 래들과 유압 엑츄에이터의 연결 부위를 나타내 다. 피로하중은 하중 제어로 1 Hz의 주파수로 가 진하였으며, 하중비 (= 최소하중/최소하중)는 0.1 으로 하였다.

2.2. 임피던스 및 변형 측정

블레이드 피로하중의 부하에 따른 손상ㅇ을 모 니터링하기 위하여 블레이드의 국부 임피던스를 측정하였다. 임피던스는 52 um두께의 PVDF 필 름 센서(Measurement Specialties Co.)를 사용하였 다. 센서의 크기는 25 x 20 mm²로 센서의 피에 조 특성은 Table 1과 같다. 본 연구에서 사용한 블레이드 임피던스 측정은 Fig. 2에서 보여주고 있는 바와 같이 4개의 지점에서 부착된 PVDF

Fig. 2 Location of PVDF film sensors and strain gages mounted on the blade

Parameter Symbol Electro- Mechanical

Mechano- Electrical Units

Thickness t 52 52 μm

Piezo Strain Constant

d31 23 12 1.e-12

d33 -33 m/V Piezo

Stress Constant

g31 216 13 V/Pa*m,

1.e-3 g33 -330 V/με

Density ρ 1.78 1.78 1.e+3

kg/m³ Young’s

Modulus E 2-4 2-4 GPa

Poisson’s

Ratio ν 0.33 0.33

Table 1 Properties of the PVDF film sensor

0 1000 2000 3000 4000

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0

10 kW WInd turbine Blde Room tenoerature Load Control, Fmax=650 N R=0.1

f=1 Hz

Deflection,δ (mm)

Distance from Root, x (mm) 8202 65854 353723

Fig. 3 Variation of maximum deflection with increasing distance from the root of the blade under cyclic loads

센서로부터 이루지도록 하였다. 센서는 HP4191A 임피던스 분석기에 연결되었고 임피던스 분석기 에서 측정되는 임피던스 신호는 GPIB 포트를 통 하여 PC에 획득되도록 하였다. 임피던스 신호 값 은 1 MHz의 주파수 간격으로 100 kHz의 해상도 로 획득되었다. 이 신호는 한번의 스캐닝으로 1 에서 200 MHz의 주파수 범위에서 측정되었다.

블레이드 피로 시험의 일정 하중 진폭 부하동 안의 하중과 블레이드 처짐 그리고 각 주요 부 위의 변형률을 각각 측정하였다. 본 시험에서의 하중은 하중 크래들에 연결된 하중점에서의 하 중을 측정하였다.

변형률 측정은 게이지 길이 5 mm인 단축 변형 률 게이지(KFG-5-350-C1-11, Kyowa)를 사용하였 으며, 블레이드의 압력면(pressure side)에 4개의 게이지를 부착하였다. Fig. 2에는 본 시험에서 설 치한 게이지의 위치를 나타낸다.

피로하중 부하 동안 블레이드의 처짐(deflection) 은 Fig. 2에서 보여준 바와 같이 하중 작용점과 블레이드 루트에서 690 mm, 그리고 블레이드 팁

에서 각각 측정하였다.

본 연구에서 계측되는 하중, 변형률 그리고 처 짐은 정적 데이터 획득 시스템인 SYSTEM 5000 (MM)을 사용하였다. 데이터 획득은 초당 150 번 (150 Hz)의 속도로 이루어졌다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1. 블레이드 거동

본 연구에서는 Fig. 1에서 보여 준 바와 같이 10 kW급 풍력 블레이드에 플랩방향으로 피로하 중을 부하하였다. 피로하중 부하에 따라 블레이 드 내부에 손상이 발생하게 되고 이는 블레이드를 계측하는 다양한 신호의 변화로 나타나게 된다.

Fig. 3은 플랩방향으로 피로하중 부하에 따른 블레이드의 처짐의 변화를 나탠다. 블레이드의 처짐은 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 블레이드 루트에서 690 mm, 2150 mm 그리고 블레이드 끝 단에서 각각 측정하였다. 피로하중 사이클의 증

가에 따라 최대 처짐량을 측정하였으며, 353,723 사이클후의 최대 처짐은 107 mm정도이었으며, 블레이드 축 길이에 따라 루트부에서의 처짐에 비하여 블레이드 선단에서의 처짐이 급격히 변화 되고 있다. 즉 루트부에서 약 500 mm 떨어진 부 분까지는 비선형적인 처짐 곡선 양상을 보이고 있으나, 그 이후에는 블레이드 길이에 따라 선형 적으로 처짐이 변화하고 있다. 이러한 처짐 변화 는 블레이드의 루트부에서 약 500 mm 떨어진 부 분에서의 강성이 상대적으로 크다고 할 수 있다.

353,723 사이클의 블레이드 피로 하중의 부하에 따른 처짐의 변화는 약 3 mm이다.

Fig. 4는 블레이드의 길이 방향으로 부착한 변 형률 게이지로부터 측정된 변형률의 변화를 나타 낸다. Fig. 4(a)에서 나타난 바와 같이 피로 하중 하에서 각 사이클에서 최대 변형률은 루트 부분 에서 가장 크고 블레이드 선단으로 감에 따라 작 아지고 있음을 알 수 있다. 즉 블레이드의 루트 부분에 작용하는 블레이드 작용 모멘트에 대하여 블레이드 플랩방향의 스킨에서 상대적으로 큰 응 력이 작용하고 있음을 의미하고 있다. 따라서 블 레이드 루트부분에서의 하중지지 능력에 따라 블 레이드의 피로하중에 대한 손상 발생이 결정될 수 있고 이 부분에서 손상 발생 가능성이 크다고 할 수 있다. 피로하중이 400,000사이클 부하되는 동안 최대 변형률은 100 με 증가하고 있다. Fig.

4(b)는 피로하중 부하에 따른 변형률의 천이를 나타낸다. 피로하중에 대한 변형률 진폭은 7000 사이클 부하동안 변화가 크지 않았으나, 7000

~350,000 사이클 동안에 블레이드 루트에서 3,050 과 500 mm 떨어진 위치에 부착된 부분에서의 변형률 진폭은 상대적으로 크게 증가하였다. 이 는 이 부하 동안 블레이드 루트 부분에 소성변형 이 상대적으로 크게 발생하였을 것으로 추측된 다. 또한 350,000 사이클 이후에는 변형률 진폭의 증가와 변동이 발생하고 있어 블레이드 루트 부 분에서의 손상이 발생하고 있다고 추측된다. 그 러나 이러한 신호적인 현상을 직접적인 손상의 계측은 이루어지지 않았다. 외적으로 보여줄 수 있는 손상이 나타나지 않았으나, 시험 하중의 부 하동안 이상 소음이 발생과 블레이드 루트 부분 의 탈색이 나타났다. 이러한 이상 현상은 블레이 드 루트 부분에서의 손상이 발생하고 진전되고 있음을 의미한다.

400 600 800 1000

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

10 kW WInd turbine Blde Room tenoerature Load Control, Fmax=650 N R=0.1

f=1 Hz

Max. Strain, ε (με)

Distance from Root, x (mm) max 65854 87472 400149

(a)

(b)

Fig. 4 Variation of (a) the maximum strain with increasing distance from the root of the blade under cyclic loads, and (b) strain with elapsed number of cycles.

3.2. 임피던스 거동

임피던스 신호는 1 MHz에서 200 MHz 범위에 서 Fig. 2에서 나타낸 바와 같은 4개의 위치에 부착한 PVDF 필름 센서로부터 측정하였다. 피로 하중의 부하에 따라 블레이드의 손상을 모니터링 하기 위하여 블레이드의 루트로부터 길이 방향으 로 PVDF필름 센서를 블레이드 루트로부터 350 (C-PS-1), 500(C-PS-2, 650(C-PS-3), 950(C-PS-4) mm에 각각 위치시켰다. Fig. 5는 본 연구에서 측 정된 임피던스 신호의 전형적인 패턴으로 센서 P-CS-1과 P-CS-3에서 얻어진 임피던스 신호를 나 타낸다. 임피던스는 7개정도의 상대적으로 큰 스 파이크 신호를 보이고 있고 피로 하중 부하 사이 클의 경과에 대하여 각 스파이크 발생 주파수는 거의 동일하다. 그러나 스파이크의 크기가 다르

(a) (b)

Fig. 5 Typical impedance signature measured form (a) sensor C-PS-1 and (b) sensor C-PS-3

(a) (b)

Fig. 6 Comparison of scalar damage metric, M,i at (a) C-PS-1 and (b) C-PS-3 라 임피던스 신호가 피로 하중 부하에 따라 차이

를 보이고 있다. 즉 루트부에 가까울수록 신호의 창이가 크고 루트에서 멀어진 센서에서의 신호 차이가 상대적으로 작았다. 이는 Fig. 4에서 보여 준 변형률의 값의 변화가 루트 부분에서 큰 것과

를 보였다. 이러한 패턴의 변화는 블레이드내의 손상의 발생과 성장과 유관함을 보여준 바 있다. 이러한 정성적으로 보여주고 있는 임피던스 신호 의 패턴를 통계적인 기법으로 정량적으로 보여준 바 있다[9,10]. 이러한 정량적인 임피던스 신호의





  









  









Fig. 7 Variation of the scalar damage mertic, M with the location of PVDF sensor and fatigue loading

차이는 스칼라 손상 지수(scalar damage metric), RMSD (Root Mean Square Deviation) 손장 지수로 나타낼 수 있다. 이는 주파수대 주파수 비교에 기초하고 있으며 다음과 같이 정의할 수 있다.

여기서 z1,i는 기준 조건에서 측정한 임피던스 의 실수부이고 z2,i는 주파수 간격 i 에서 기준과 비교하기 위한 임피던스의 값을 나타낸다. 이 지 수는 각 주파수 단계에서 임피던스 차이로 계산 한다. 본 연구에서는 10 KW 급 풍력 블레이드의 피로 하중의 부하에 따라 변화하는 Fig. 5에서 보여준 바와 같은 임피던스 신호를 식(1)과 같이 정의되는 손상 지수로 정량적으로 평가하였다.

Fig. 6은 손상 지수 M을 결정하기 위하여 각 주파수 단계 i에서 손상 지수, M,i를 주파수 영역 에서 비교한 결과를 보여준다. P-CS-1에서 측정 한 임피던스는 피로하중 부하에 따라 주파수 대 역 90 MHz이하에서 손상 지수 M,i가 나타나고 있으나, 90 MHz이상 주파수 영역에서는 손상 지 수 M,i가 상대적으로 매우 작다. P-CS-2에서 측정 한 임피던스의 손상 지수, M,i도 유사한 분포를 보이고 있다. 이에 반하여 P-CS-3과 P-CS-4에서 측정한 임피던스의 손상 지수 M,i는 전 주파수 영역에서 상대적으로 작고, 피로 하중의 부하에 대하여도 변화가 거의 없다. 이는 루트부에 가까 운 위치에 있는 두 PVDF 필름 센서, P-CS-1과 P-CS-2와 루트부에서 상대적으로 멀리 떨어진 센 서 P-CS-3과 P-CS-4의 임피던스 신호의 차이가 발생한 것이다. 루트부에서 손상이 발생하였다면 손상 발생위치에서 멀어질수록 손상 지수 M,i는 작게 계산되고 있음을 알 수 있다[11].

Fig. 7은 식(1)로 정의 된 손상 지수 M의 비로 하중의 부하에 따른 차이를 나타낸다. PVDF 필 름 센서 P-CS-1과 P-CS-2에서 감지된 손상 지수 M은 상대적으로 큰 값으로 계산되고 P-CS-3과 4 는 손상 지수 M이 상대적으로 매우 작다. 또한 피로하중이 가해짐에 따라 손상 지수 M은 비슷 한 값으로 나타나고 있다. 손상 지수 M은 전체적 으로 P-CS-2에서 가장 크게 계산되었다. 이러한

정량적인 지수의 변화는 피로하중에 의하여 블레 이드에서는 손상을 포함한 기하학적 변화가 루트 부분에서 발생하고 피로하중의 부하에 따라 비슷 한 정도로 계속적으로 발생하고 있음을 의미한다.

4. 결 론

풍력 발전 블레이드에서 손상 발생 및 진전을 모니터링하기 위한 임피던스 기법을 고찰하였다.

10 kW 급 풍력 발전 블레이드에 PVDF 필름 센 서를 제작하여 부착하여 임피던스를 측정하였다. 1) 블레이드에 피로하중을 부하함에 따라 블레이

드 처짐과 변형률의 변화가 발생하였고 블레 이드 루트부에서 상대적으로 큰 변화가 감지 되어 국부적인 손상이 발생함을 인지할 수 있 었다.

2) 블레이드 길이 방향을 따라 부착한 PVDF 필 름 센서에서 측정한 임피던스 신호는 피로하 중의 부하에 따라 그리고 센서 위치에 따라 다른 신호 패턴을 나타냈다.

3) 임피던스 신호 패턴은 정성적으로 비교하기위 하여 스칼라 손상 지수를 정의하여 계산하였 다. 이 지수와 블레이드에서 발생하는 손상과 연계하여 비교할 수 있었다.

후 기

이 연구는 지식경제부에서 운영하는 신재생 에 너지 기술개발사업의 지원을 받아서 수행되었습 니다. (2010-N-WD09-P01)

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