Displacement Estimation Using Data Fusion Technique for Wind Turbine Tower Structures

Wind energy industry has been developing rapidly owing to the relatively high reliability, good infrastructures and cost competitiveness of wind energy systems to the fossil fuels. Advances have been made to enhance the power efficiency of wind turbines and to reduce the levelized cost of energy while less attention has been focused on structural integrity assessment of structural sub-systems such as towers and foundations. Very recently higher tower technologies become more important to support larger wind turbines such as 10 MW turbines and also to enhance the wind quality and provide wind power nationwide (US DOE 2015). New concepts of wind towers such as concrete towers (Grunberg et al. 2013), composite towers with steel and concrete (Han et al. 2015), and modular towers are being developed for allowing turbine hub heights to cost effectively increase up to 140 m and higher. Accordingly, the maintenance technologies including structural integrity assessment for these new wind towers become much more essential to guarantee the structural serviceability and safety to support wind turbines. Among many parameters for structural integrity assessment, the most perceptive parameter may be the induced horizontal displacement at the hub height although it is very hard to measure particularly in large-scale and high-rise wind turbine structures. This study proposes an indirect displacement estimation scheme based on the cowind turbines and to reduce the levelized cost of energy while less attention has been focused on structural integrity assessment of structural sub-systems such as towers and foundations. Very recently higher tower technologies become more important to support larger wind turbines such as 10 MW turbines and also to enhance the wind quality and provide wind power nationwide (US DOE 2015). New concepts of wind towers such as concrete towers (Grunberg et al. 2013), composite towers with steel and concrete (Han et al. 2015), and modular towers are being developed for allowing turbine hub heights to cost effectively increase up to 140 m and higher. Accordingly, the maintenance technologies including structural integrity assessment for these new wind towers become much more essential to guarantee the structural serviceability and safety to support wind turbines. Among many parameters for structural integrity assessment, the most perceptive parameter may be the induced horizontal displacement at the hub height although it is very hard to measure particularly in large-scale and high-rise wind turbine structures. This study proposes an indirect displacement estimation scheme based on the co1

Hilbert-huang 변환을 이용한 교각시스템의 손상 추정기법

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 건설환경공학과, 2002.2, [ vi, 69 p. ]A recently developed Hilbert-Huang transform (HHT) technique is applied to detect damage locations of pier systems. This technique can be effectively used to detect the locations of damages exhibiting nonlinear behavior. A series of numerical simulations are conducted for bridge pier systems with damages under a controlled sweeping load. Nonlinear plastic model proposed by Wen is adopted to describe the hysteretic behavior related to the structural damage. The results of the numerical simulation study indicate that the HHT method can reasonably identify the damage locations under severe measurement conditions with a limited number of acceleration sensors.한국과학기술원 : 건설환경공학과

Structural Health Monitoring and Vibration Measurement System

조류발전기는 터빈 블레이드, 증속기, 발전기 등과 같은 발전설비와 함께 이러한 발전설비가 목표한 성능을 낼 수 있도록 이들을 지지하는 지지구조물로 구성되어 있다. 이 발표에서는 지지구조물에 대한 최적의 유지관리 및 진동 기반의 건전성 평가와 관련하여 울돌목 시험조류발전소에 대한 장기 모니터링 결과를 소개하고, 또한 지지구조물뿐만 아니라 발전설비에 대한 건전성 평가를 위한 향후 연구 방향을 소개하고자 한다.하여 울돌목 시험조류발전소에 대한 장기 모니터링 결과를 소개하고, 또한 지지구조물뿐만 아니라 발전설비에 대한 건전성 평가를 위한 향후 연구 방향을 소개하고자 한다.2

Displacement Estimation of a Jacket-type Offshore Structure using Acceleration and Angular Responses

기존의 에너지원, 식량자원의 대안으로 친환경 해양 자원이 각광받고 있으며, 이에 따라 해양구조물에 대한 수요가 증가하고 있다. 해양구조물은 육지의 구조물과 달리 해류에 의한 하중, 염분에 의한 부식, 바람 등의 환경적 요인에 노출되어 있으며, 해양에 위치한 특성 상 구조물의 유지관리가 쉽지 않다. 특히 조류발전소는 유속이 빠른 곳에 위치하므로, 조류에 의한 강한 하중을 반복적으로 받게 되며 이로 인해 발생하는 손상 및 안정성을 고려해야 한다. 해양구조물의 건전성 평가를 위해 변위정보는 매우 중요한 역할을 하며, 구조물 설계를 확인하는 목적으로도 유용하게 사용된다. 그러나 대부분의 변위 측정장비는 고정점을 필요로 하는데, 해상에 설치되는 해양구조물의 특성 상 그러한 고정점을 찾기 어려운 경우가 많아, LVDT, 레이저 변위계 등 기존의 변위 측정기법을 사용하는데 어려움이 따른다. 본 연구에서는 재킷식 해양구조물의 가속도, 경사 응답을 이용한 변위추정기법을 제안한다. 기존의 변위측정법과 달리 고정점을 필요로 하지 않아, 해양구조물의 변위 측정에 적합하다. 울돌목 조류발전소 수치모델을 이용하여 가속도와 경사 응답을 만들고, 제안한 기법을 이용하여 변위를 추정하였다. 수치모델에서 얻은 정확한 변위 응답과 추정변위를 비교하여 제안기법의 성능을 검증하였다. 위치한 특성 상 구조물의 유지관리가 쉽지 않다. 특히 조류발전소는 유속이 빠른 곳에 위치하므로, 조류에 의한 강한 하중을 반복적으로 받게 되며 이로 인해 발생하는 손상 및 안정성을 고려해야 한다. 해양구조물의 건전성 평가를 위해 변위정보는 매우 중요한 역할을 하며, 구조물 설계를 확인하는 목적으로도 유용하게 사용된다. 그러나 대부분의 변위 측정장비는 고정점을 필요로 하는데, 해상에 설치되는 해양구조물의 특성 상 그러한 고정점을 찾기 어려운 경우가 많아, LVDT, 레이저 변위계 등 기존의 변위 측정기법을 사용하는데 어려움이 따른다. 본 연구에서는 재킷식 해양구조물의 가속도, 경사 응답을 이용한 변위추정기법을 제안한다. 기존의 변위측정법과 달리 고정점을 필요로 하지 않아, 해양구조물의 변위 측정에 적합하다. 울돌목 조류발전소 수치모델을 이용하여 가속도와 경사 응답을 만들고, 제안한 기법을 이용하여 변위를 추정하였다. 수치모델에서 얻은 정확한 변위 응답과 추정변위를 비교하여 제안기법의 성능을 검증하였다.2

APPARATUS AND METHOD FOR EVALUATING FATIQUE LIFE IN A SUPPORTING STRUCTURE OF A WIND TURBINE

본 발명은 계측이 용이한 지지구조물의 임의의 계측지점에서 정적응답과 동적응답을 계측하여 이를 이용하 여 계측하고자 하는 목표 지점 즉, 응력 집중부에서의 응력 및 피로수명을 평가하는 풍력터빈 기초의 피로 수명 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 풍력터빈의 지지구조물에서의 피로수명을 평가 하는 장치는 지지구조물에 장착되어 가속도를 계측하도록 구성된 가속도계 지지구조물에 장착되어 변형률 을 측정하도록 구성된 변형률계 지지구조물에 장착되어 경사도를 측정하도록 구성된 경사계 풍력터빈의 설계도면을 이용하여 수치 해석 모델을 구성하고, 가속도계, 변형률계 및 경사계로부터 계측된 결과를 이 용하여 수치해석 모델을 개선하며, 개선된 수치 해석 모델을 이용하여 계측 지점에서의 응답값과 목표지점 에서의 변형률 사이의 관계식을 구성하며, 목표지점에서의 변형률을 이용하여 응력값을 획득하며, 이 획득 된 응력값을 이용하여 잔존 피로 수명을 평가하도록 구성된 제어수단 및 제어수단으로부터 출력되는 표 시 제어 신호를 입력받아 디스플레이하도록 구성된 표시부를 포함한다

Quasi real-time and continuous non-stationary strain estimation in bottom-fixed offshore structures by multimetric data fusion

Offshore structures are generally exposed to harsh environments such as strong tidal currents and wind loadings. Monitoring the structural soundness and integrity of offshore structures is crucial to prevent catastrophic collapses and to prolong their lifetime however, it is intrinsically challenging because of the difficulties in accessing the critical structural members that are located under water for installing and repairing sensors and data acquisition systems. Virtualsensing technologies have the potential to alleviate such difficulties by estimating the unmeasured structural responses at the desired locations using other measured responses. Despite the usefulness of virtual sensing, its performance and applicability to the structural health monitoring of offshore structures have not been fully studied to date. This study investigates the use of virtual sensing of offshore structures. A Kalman filter based virtual sensing algorithm is developed to estimate responses at the location of interest. Further, this algorithm performs a multi-sensor data fusion to improve the estimation accuracy under non-stationary tidal loading. Numerical analysis and laboratory experiments are conducted to verify the performance of the virtual sensing strategy using a bottom-fixed offshore structural model. Numerical and experimental results show that the unmeasured responses can be reasonably recovered from the measured responses1

Unmeasured response estimation on bottom-fixed offshore structures using Kalman filtering

Monitoring underwater structures is challenging in Structural Health monitoring field. These structures are subjected to tidal current which can easily cause sensor malfunctioning. Estimating structural responses at unmeasured important locations can be a powerful alternative to the direct measurement particularly when installing sensors is difficult and sensors are malfunctioning. This paper targets on Bottom-fixed offshore structures such as mono-piles, tripods, jackets, and gravity-based structures that supports offshore wind turbines and tidal stream turbines.Response estimation at unmeasured locations from a small number of measurements has been attractive to the researchers who seek to overcome the limited instrumentation. Various efforts for response estimation has been made such as finite element model updating with modal expansion (Iliopoulos et al. 2014), natural input modal analysis, time varying auto-regressive model (Yazid et al. 2012), and the model-based Kalman state estimator. Among these efforts, the Kalman state estimator associated with the FE model has been known as an effective tool to estimate the unmeasured responses. Papadimitriou et al. (2009) used strain measurements in the numerical simulation to obtain strain in the entire body, which is subsequently utilized to estimate fatigue remaining life of the structural model. Smyth and Wu (2007) used the Kalman filter to fuse acceleration and diations can be a powerful alternative to the direct measurement particularly when installing sensors is difficult and sensors are malfunctioning. This paper targets on Bottom-fixed offshore structures such as mono-piles, tripods, jackets, and gravity-based structures that supports offshore wind turbines and tidal stream turbines.Response estimation at unmeasured locations from a small number of measurements has been attractive to the researchers who seek to overcome the limited instrumentation. Various efforts for response estimation has been made such as finite element model updating with modal expansion (Iliopoulos et al. 2014), natural input modal analysis, time varying auto-regressive model (Yazid et al. 2012), and the model-based Kalman state estimator. Among these efforts, the Kalman state estimator associated with the FE model has been known as an effective tool to estimate the unmeasured responses. Papadimitriou et al. (2009) used strain measurements in the numerical simulation to obtain strain in the entire body, which is subsequently utilized to estimate fatigue remaining life of the structural model. Smyth and Wu (2007) used the Kalman filter to fuse acceleration and di2