도시형 수직축 풍력 터빈은 저풍속에서도 비교적 높은 전력을 생산해낸다. 기본적으로 수직축 풍력 터빈의 구조는 블레이드, 발전기, 타워, 에너지 저장장치, 기초 부품 등으로 구성되어 있다. 이 가운데 블레이드는 바람의 운동에너지를 기계적 회전운동으로 변환하는 장치로서 공기역학적 측면에서 그 형상에 따라 전체 성능이 좌우된다. 본 연구는 현재 국내 중소기업에서 제작 및 판매되고 있는 도시형 수직축 풍력 터빈의 블레이드를 대상으로 수행되었다. 연구의 주목적은 기존의 전산 해석 기법인 ...
도시형 수직축 풍력 터빈은 저풍속에서도 비교적 높은 전력을 생산해낸다. 기본적으로 수직축 풍력 터빈의 구조는 블레이드, 발전기, 타워, 에너지 저장장치, 기초 부품 등으로 구성되어 있다. 이 가운데 블레이드는 바람의 운동에너지를 기계적 회전운동으로 변환하는 장치로서 공기역학적 측면에서 그 형상에 따라 전체 성능이 좌우된다. 본 연구는 현재 국내 중소기업에서 제작 및 판매되고 있는 도시형 수직축 풍력 터빈의 블레이드를 대상으로 수행되었다. 연구의 주목적은 기존의 전산 해석 기법인 MRF method나 Sliding mesh method를 사용하지 않고, 블레이드가 가지는 고유의 관성모멘트를 이용하여 시간에 따른 블레이드의 회전수를 실시간으로 계산하여, 블레이드 형상에 따른 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 기초 데이터를 얻는 것이다. 해석 대상의 3D 형상 제작 및 적절한 관성모멘트를 측정하기 위해서 CATIA의 관성측정 기능을 사용하였다. 해석 결과의 타당성을 비교, 검토하기 위해서 공기역학적으로 시간에 따라 회전수가 변하는 기존의 자이로밀 모델과 후연부를 절개한 수정된 모델에 대하여 동일한 해석 조건하에 본 연구를 진행하였고, 시간이 경과함에 따른 회전수의 변화를 계산하였다. 입구영역은 속도 경계 조건으로서 바람의 속도는 2m/s이며, 출구영역은 유출 경계조건을 주었다. 벽면의 경우에는 자유류를 고려하였기 때문에 비점착 조건을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 전산 해석 프로그램은 유한체적법에 기반을 둔 STAR-CCM+ 4.02 Version 이며, 압력보정을 위한 계산 방법으로 SIMPLE알고리즘이 사용하였다. 블레이드가 가지는 고유의 관성모멘트를 고려하여 시간에 따른 회전수를 비교한 결과, 수정된 풍력 터빈은 초기 기동에 있어 비교적 큰 각가속도를 갖지만 일정 회전수에 도달한 이후에는 0에 가까워짐을 확인하였다. 그러나 자이로밀 풍력 터빈은 시간에 대하여 각가속도가 일정하였다. 이를 통해 초기 기동 시에는 수정된 풍력 터빈이 우수하나 일정 회전수를 넘어서게 되면 기존의 풍력 터빈이 더 유리함을 확인할 수 있었다. 블레이드의 회전에 의해 발생되는 토크를 계산함으로서 각가속도의 특징에 따라 그 토크가 변화하는 경향을 확인 할 수 있었다. 또한 블레이드 후류의 영향을 확인하기 위해 위치에 따른 풍속의 분포를 관찰하였으며, 이를 통해 도시형 수직축 풍력 터빈 사이의 적정 설치 간격을 고려해 볼 수 있었다. 향후 본 연구에서의 계산 방법을 통해 공기역학적 측면에서 최적화된 풍력 터빈의 블레이드 형상 설계가 가능 할 것이다.
도시형 수직축 풍력 터빈은 저풍속에서도 비교적 높은 전력을 생산해낸다. 기본적으로 수직축 풍력 터빈의 구조는 블레이드, 발전기, 타워, 에너지 저장장치, 기초 부품 등으로 구성되어 있다. 이 가운데 블레이드는 바람의 운동에너지를 기계적 회전운동으로 변환하는 장치로서 공기역학적 측면에서 그 형상에 따라 전체 성능이 좌우된다. 본 연구는 현재 국내 중소기업에서 제작 및 판매되고 있는 도시형 수직축 풍력 터빈의 블레이드를 대상으로 수행되었다. 연구의 주목적은 기존의 전산 해석 기법인 MRF method나 Sliding mesh method를 사용하지 않고, 블레이드가 가지는 고유의 관성모멘트를 이용하여 시간에 따른 블레이드의 회전수를 실시간으로 계산하여, 블레이드 형상에 따른 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 기초 데이터를 얻는 것이다. 해석 대상의 3D 형상 제작 및 적절한 관성모멘트를 측정하기 위해서 CATIA의 관성측정 기능을 사용하였다. 해석 결과의 타당성을 비교, 검토하기 위해서 공기역학적으로 시간에 따라 회전수가 변하는 기존의 자이로밀 모델과 후연부를 절개한 수정된 모델에 대하여 동일한 해석 조건하에 본 연구를 진행하였고, 시간이 경과함에 따른 회전수의 변화를 계산하였다. 입구영역은 속도 경계 조건으로서 바람의 속도는 2m/s이며, 출구영역은 유출 경계조건을 주었다. 벽면의 경우에는 자유류를 고려하였기 때문에 비점착 조건을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 전산 해석 프로그램은 유한체적법에 기반을 둔 STAR-CCM+ 4.02 Version 이며, 압력보정을 위한 계산 방법으로 SIMPLE 알고리즘이 사용하였다. 블레이드가 가지는 고유의 관성모멘트를 고려하여 시간에 따른 회전수를 비교한 결과, 수정된 풍력 터빈은 초기 기동에 있어 비교적 큰 각가속도를 갖지만 일정 회전수에 도달한 이후에는 0에 가까워짐을 확인하였다. 그러나 자이로밀 풍력 터빈은 시간에 대하여 각가속도가 일정하였다. 이를 통해 초기 기동 시에는 수정된 풍력 터빈이 우수하나 일정 회전수를 넘어서게 되면 기존의 풍력 터빈이 더 유리함을 확인할 수 있었다. 블레이드의 회전에 의해 발생되는 토크를 계산함으로서 각가속도의 특징에 따라 그 토크가 변화하는 경향을 확인 할 수 있었다. 또한 블레이드 후류의 영향을 확인하기 위해 위치에 따른 풍속의 분포를 관찰하였으며, 이를 통해 도시형 수직축 풍력 터빈 사이의 적정 설치 간격을 고려해 볼 수 있었다. 향후 본 연구에서의 계산 방법을 통해 공기역학적 측면에서 최적화된 풍력 터빈의 블레이드 형상 설계가 가능 할 것이다.
Vertical-axial wind turbine(VAWT) produces a high electric power in the relatively low wind speed. Basically a VAWT is composed of blade, generator, tower, energy storage, basic components and so on. Out of these components the blades of the wind turbine convert the kinetic energy of wind to the mec...
Vertical-axial wind turbine(VAWT) produces a high electric power in the relatively low wind speed. Basically a VAWT is composed of blade, generator, tower, energy storage, basic components and so on. Out of these components the blades of the wind turbine convert the kinetic energy of wind to the mechanical rotary motion, and their overall performances are heavily dominated by the aerodynamic shapes. This study was done based on a VAWT which is manufactured and is currently on sale by a small local company. Main objective of the study is to obtain the basic data which can be used for the quantitative performance evaluations based on the various blade shapes. Instead of using the conventional MRF or sliding methods the present study is using the real-time analyses which are calculating the blade rotations based on the moment of inertia of the blades. For the computation a commercial code was used and the CATIA was used for 3-D shape design and for the calculation of the moment of inertia. For the comparison and for the verification of the computation two models, the gyro mill type and the modified model which has a cavity in the airfoil cross-section, were studied under the same conditions. For the boundary conditions the inlet velocity of 2m/s was given and the outflow exit condition was given. In case of the wall a slip condition was used because it is the free stream. For the computation for this study the STAR-CCM+ Version 4.02 based on the finite volume method was used and the SIMPLE algorithm was used for the pressure correction. The results showed that the angular acceleration was constant for the gyro mill model. But for the modified model the angular acceleration was bigger in the beginning but after reaching a certain rotational speed it was approaching zero value. The torque based on the blade rotation was calculated on the real-time basis. And the trend that the torque was changing based on the characteristics of the angular acceleration was observed. The wind velocity distribution downstream of the turbine was calculated to observe the wake effects. This can be used for the proper spacings of the turbine installations. This study can be served as the proper tool for the aerodynamic optimum design of turbine blades.
Vertical-axial wind turbine(VAWT) produces a high electric power in the relatively low wind speed. Basically a VAWT is composed of blade, generator, tower, energy storage, basic components and so on. Out of these components the blades of the wind turbine convert the kinetic energy of wind to the mechanical rotary motion, and their overall performances are heavily dominated by the aerodynamic shapes. This study was done based on a VAWT which is manufactured and is currently on sale by a small local company. Main objective of the study is to obtain the basic data which can be used for the quantitative performance evaluations based on the various blade shapes. Instead of using the conventional MRF or sliding methods the present study is using the real-time analyses which are calculating the blade rotations based on the moment of inertia of the blades. For the computation a commercial code was used and the CATIA was used for 3-D shape design and for the calculation of the moment of inertia. For the comparison and for the verification of the computation two models, the gyro mill type and the modified model which has a cavity in the airfoil cross-section, were studied under the same conditions. For the boundary conditions the inlet velocity of 2m/s was given and the outflow exit condition was given. In case of the wall a slip condition was used because it is the free stream. For the computation for this study the STAR-CCM+ Version 4.02 based on the finite volume method was used and the SIMPLE algorithm was used for the pressure correction. The results showed that the angular acceleration was constant for the gyro mill model. But for the modified model the angular acceleration was bigger in the beginning but after reaching a certain rotational speed it was approaching zero value. The torque based on the blade rotation was calculated on the real-time basis. And the trend that the torque was changing based on the characteristics of the angular acceleration was observed. The wind velocity distribution downstream of the turbine was calculated to observe the wake effects. This can be used for the proper spacings of the turbine installations. This study can be served as the proper tool for the aerodynamic optimum design of turbine blades.
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