풍력발전에서 고려해야 할 지상에서의 작업

1. 풍력발전에서 고려해야 할 지상에서의 작업(Around in the ground)

풍력 터빈 구성 요소들을 인양 할 때 크레인 주변 및 지상에서의 작업들에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 풍력 산업이 다른 산업과 비교할 때보다 크레인 사고 비율이 더 높다는 점을 언급 할 필요가 있습니다. IC의 1 월호에서 Søren Jansen과 Klaus Meissner는 모바일 크레인의 안전한 사용에 관한 훌륭한 기사를 썼습니다. 그들은 (거의) 모든 크레인 사고 사례가 기술적 인 문제와는 반대로 “행동 방식”(behavioural issues)에 의해 유발된다는 점을 강조합니다. 이 행동 방식에는 조종사가 크레인을 다루는 방법부터 크레인을 설치하는 방법 및 위치, 엔지니어링 문제 및 부정확한 억측에 이르기까지 모든 것을 포함합니다. 모든 행동 방식의 문제가 의도적 인 그릇된 행위의 결과는 아니며 단순히 알지 못하는 결과 일 수도 있습니다. 그러나 자연의 법칙은 항상 적용되며 그 결과는 용서를 받지 못합니다. 유럽크레인제조협회 규정-FEM 5.016 지침서(Guideline of Safety Issues in Wind Turbine Installation and Transportation)는 모든 현장의 감독, 세일즈 매니저, 감독자 및 크레인 조종사가 풍력 터빈을 세우는 동안 바람이 크레인에 영향을 미칠 수 있는 방법을 이해하고, 바람을 과소 평가하거나 무시 또는 웃을 수 없는 문제라는 것을 이해해야 한다는 내용의 문서입니다. 이 기사에서는 풍력 터빈 구성 요소의 인양 작업이 다른 인양 작업과 왜 다른지에 대한 이해를 돕기 위해 그 배경 정보를 제공하고자 합니다.

T = 2π√ (l / g)

위 공식은 지난달 기사에서 언급되었습니다. 이는 나셀(Nacelle)과 같은 자유롭게 매달린 중량물의 주기(T)를 계산합니다. 주기는 한 번의 풀 스윙, 즉 맨 왼쪽부터 맨 오른쪽과 뒤로 스윙하는 데 걸리는 시간으로 정의됩니다. 우리가 나셀을 100 미터 높이로 들어 올리고 있다고 가정합시다. 공식에 따르면 지상 높이 (트랜스포터로부터 방금 들어 올림)에 있는 동안의 나셀의 주기는(T) 20 초입니다. 그리고 이 공식은 나셀의 무게 (질량)를 고려하지 않았으며 (초기) 진폭 각을 고려하지 않았습니다. 진폭 각은 나셀이 수직 중립 위치에서 벗어나는 각도입니다. 진폭과 질량은 모두 주기 (T)에 영향을 미치지 않습니다.

 

그림 1은 자유로이 걸려있는 하중에서 작용하는 힘을 보여줍니다. 이 그림은 질량, 로프 길이 및 진폭 각에 관계없이 모든 매달린(정지) 하중에 적용 할 수 있습니다. (거의) 수평 성분 (mg sinθ)은 하중을 감속 시키고 그것을 수직 인 중성 위치로 되 돌리는 힘입니다. 작은 각도 θ(세타)에 대해서도 이 수평 성분은 크레인 붐이 받는 측면 하중입니다. 이 힘은 붐에 머물러 있지 않습니다. 그것은 지상까지 모든 방법으로 이동하고 크레인 밑의 지면 압력을 증가시킬 수 있습니다.

그림 2는 자유로이 움직이는 매달린 하중의 여러 단계를 보여줍니다. 점 A는 중성 수직 점이고 점 B와 C는 점 (T)의 극 값입니다 (B는 왼쪽 극단, C는 오른쪽 극단 임). 이 지점들 각각에서 하중은 일정량의 포텐셜-에너지(potential energy, 위치 에너지)와 키네틱-에너지(kinetic energy, 운동 에너지)를 가지고 있습니다.

키네틱-에너지(K.E.)는 움직임으로 인해 하중이 소유하는 에너지이며 관련 공식은 다음과 같다,
K.E. = ½ mv2
      m = 하중의 질량
      V = 하중의 속도

포텐셜-에너지 (P.E.)는 위치로 인해 하중이 소유하는 에너지이며 다음과 같이 표현됩니다.
P.E. = m g h
      m = 하중의 질량
      g = 중력
      h = 초기 위치와 비교 한 높이

 

포텐셜-에너지와 키네틱-에너지의 합은 메커니컬-에너지(mechanical energy, 물리적 에너지).

따라서 에너지를 추가하거나 제거하지 않는 한 메커니컬-에너지는 일정하게 유지됩니다.

K.E. + P.E. = M.E. = 상수

그림 2로 되돌아 가서 하중이 여전히 매달려 있고 완벽하게 수직 인 경우, 지점 A에 있게 됩니다. 그러므로 우리는 A 지점을 최초점 또는 출발점이라고 부릅니다. 그리고 하중이 트랜스포터에서 들어 올려졌고 왼쪽에서 오른쪽으로 약간 흔들리고 있다고 가정합시다. 점 B에 도달하면 방향을 바꿀 때 속도 (v)가 영 (0)으로 감소합니다. 속도 (v)가 제로 (0) 일 때 그것은 운동 에너지가 또한 제로 (0)임을 의미합니다. 그러므로 B 지점에서 하중은 단지 잠재적 인 에너지만을 가지고 있다고 말할 수 있습니다. 이 포텐셜-에너지는 키네틱-에너지로부터 변환되어 "m g h"와 같습니다. 질량과 중력이 일정하기 때문에 키네틱-에너지로 변환 된 포텐셜-에너지가 초기 지점과 비교하여 높이 차이 (h)를 결정한다고 말할 수 있습니다. 이는 더 빠른 흔들림 부하가 (분명히) 높아질수록 의미가 있습니다. 동일한 점이 C 지점에도 적용됩니다. 하중이 포텐셜-에너지는 없고 키네틱-에너지 만 갖는 점A에서 하중의 속도는 가장 높습니다. A 지점의 어느 한 쪽에서 B 지점과 C 지점에서 영 (0)에 도달 할 때까지 하중 속도가 감소합니다.

 

자 이제 하중이 표고의 반까지 올라갔습니다. 즉 50m 높이라고 합시다. 우리가 100m 길이로 시작 했으므로 부하 위에 있는 호이스트 와이어도 50m입니다 (그림 3 참조). 하중 주기가 14 초로 단축되었습니다. A 지점의 포텐셜-에너지는 에너지를 추가하거나 제거하지 않았기 때문에 변하지 않았습니다. 질량이 변하지 않았기 때문에 점 A의 속도도 변할 수 없습니다. 하중이 점 B에 접근하면 모든 키네틱-에너지는 "m g h"와 같은 포텐셜-에너지로 변환됩니다. 앞에서 언급했듯이 질량 (m)과 중력 (g)은 변하지 않았습니다. 따라서, 높이 (h)도 변하지 않았다. 그러나 호이스트 와이어의 길이가 100m에서 50m로 짧아짐에 따라 흔들리는 하중은 반경이 작은 부분 원을 만듭니다 (그림 4 참조). 공식에 따르면 하중은 높이 (h)에 도달하지만 그 높이에 도달하기 위해서는 더 큰 진폭 각도 θ (Theta, 세타)로 흔들릴 것입니다.

그림 1로 돌아가서, 더 큰 각도 θ (세타)가 더 큰 (거의) 수평 성분 "mg sinθ"를 생성한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 앞에서 설명한 것처럼 이 큰 힘은 지표면까지 계속 전달되면 압력을 증가시킬 수 있습니다. 그리고 그것은 상황을 더욱 나빠지기 합니다. 앞에서 보았 듯이, 지점 A의 속도는 초기 리프트 100m에서 50m 호이스트 와이어 사이에서 변경되지 않았습니다. 그러나 시간 (T)은 20 초에서 14 초로 감소했습니다. 이것은 속도(v)가 짧은 시간(전체 주기 20 초 대 14 초)에서 최대 값 (지점 A)에서 영점 (점 B 및 C)으로 감소 함을 의미합니다. 짐을 25m 올리면 주기 (T)가 10 초가 됩니다. 또한 부하가 점점 더 폭력적으로 변합니다. 이는 증가 된 감속력으로 만 달성 할 수 있습니다. 부하의 힘이 증가하면 자동으로 붐에 가해지는 힘으로 전달되기 때문에 붐의 모든 힘이 지면으로 전달되면 압력이 증가 할 수 있습니다. 이를 요약하면, 지면에서 특정 고도까지 하중을 들어 올리면 지면-압력(ground pressure)이 증가 할 수 있습니다. 이 증가를 이해하거나 반영하지 않으면 엄청난 결과를 가져올 수 있습니다.
지금 두 가지 질문이 떠 올랐습니다.
  ① 이것이 풍력 터빈 구성 요소에만 적용되는 이유는 무엇입니까?
  ② 왜 나는 "지면-압력을 증가시킬 것이다" 대신에 "지면-압력을 높일 수 있습니다"라는 해석을 계속해야 하는가?

  ①-① 이 이론은 풍력 터빈 구성 요소에만 적용 할 수 있는 것이 아닙니다. 사고는 다른 산업 분야보다 터빈을 세우는 동안 더 자주 발생합니다. 왜 그런가요? 평균 크레인이 붐 길이 및 / 또는 높이와 용량의 합산 기준으로 얼마나 자주 한계에 도달했는지 스스로에게 물어보십시오. 그 질문에 답할 수는 없지만, 풍력 터빈을 세우는 동안은 거의 100 % 라할 수 있습니다.

②-② 흔들리는 하중은 다양한 움직임을 일으킬 수 있습니다. 그것은 크레인의 상부 구조와 붐의 각도에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 흔들릴 수 있습니다. 그러나 이것이 반드시 지면-압력을 증가시킬 필요는 없습니다. 하지만 하중은 크레인에서 크레인쪽으로 흔들릴 수 있습니다. 이 움직임은 지면-압력에 영향을 미칩니다. 그러나 얼마 정도의 충격 인가는, 다시 크레인의 각도와 하중의 진폭에 달려 있습니다. 예를 들어 부하는 원 운동으로 흔들릴 수 있습니다. 이것은 한 방향 (왼쪽 및 오른쪽)에 영향을 미칠 수 있으며 다른 방향 (앞뒤로)에도 영향을 미칩니다. 마지막으로, 우리가 알다시피, 풍력 터빈이 있는 곳은 거의 항상 바람이 붑니다. 또한 하중은 타원형 운동으로 흔들릴 수도 있습니다. 하중의 한쪽에서 오는 일정한 바람은 하중을 중심선에서 밀어 내릴 수 있지만 하중이 완전히 뒤로 휘지 않도록 할 수 있습니다. 이것은 지면-압력 측면에서 예측할 수 없는 종류입니다.

그림 5는 Søren Jansen과 Klaus Meissner의 기사에서 가져온 것입니다. 마지막 사례 인 비대칭 적 부하 만 표시합니다. 트랙 아래의 지면-압력은 빨간색으로 표시되며 안정된 환경에서 계산할 수 있습니다. 그러나 하중이 가해지면 (무게중심이 한쪽으로 움직이면)지면 압력이 변경됩니다. 검은 색 외곽선은 왼쪽으로 흔들리는 하중을 나타냅니다. 파란색 외곽선은 오른쪽으로 스윙하는 하중을 나타냅니다. 겉으로 보기에 악의 없는 움직임이지만 이로 인한 지면-압력은 크게 상승합니다. 그리하여 앞서 언급한 FEM 5.016 문서는 지면-압력 증가에 대한 경험 법칙을 권고하고 있습니다. 이를 제조업체가 제공 한 지면-압력과 비교하여 20 ~ 35 %의 지면-압력 증가를 감안하는 것이 좋습니다.                                                  .