본 논문은 국내에서 최초로 시도되는 보조 블레이드를 이용한 50[kW]급 수직축 풍력 터빈을 개발하기 위해, 1차적으로는 블레이드의 개념설계를 위해 5[kW]급 소형 풍력터빈을 대상으로 유동해석을 실시하였고, 2차적으로는 최종의 개념설계를 완수한 5[kW]급 소형 풍력터빈을 50[kW]급으로 확대하여 상용화 설계를 실시하여 최적의 결과를 도출하였다. 5[kW...
본 논문은 국내에서 최초로 시도되는 보조 블레이드를 이용한 50[kW]급 수직축 풍력 터빈을 개발하기 위해, 1차적으로는 블레이드의 개념설계를 위해 5[kW]급 소형 풍력터빈을 대상으로 유동해석을 실시하였고, 2차적으로는 최종의 개념설계를 완수한 5[kW]급 소형 풍력터빈을 50[kW]급으로 확대하여 상용화 설계를 실시하여 최적의 결과를 도출하였다. 5[kW]급 개념설계를 통해 확인된 사항은 다음과 같다. Fin Type의 주 블레이드 형상의 경우, 주 블레이드 각도를 45°로 한 경우가 주 블레이드 각도를 0°로 한 경우 대비 출력은 157.2% ~ 263.2% 더 증가하고, 효율은 110% ~ 250% 더 증가했다. 주 블레이드 Fin 길이를 2배로 변경한 Shape #5의 경우, 출력은 Shape #1에 비해 70.8%, Shape #4에 비해 27.5% 이며, 효율은 Shape #1에 비해 60%, Shape #4에 비해 28.6% 였다. 주 블레이드가 Open Angle 90° 인 상태에서 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도가 45°로 동일한 경우, Shape #4의 출력은 Shape #1 에 비해 257%, Shape #5에 비해 363% 더 높았다. 주 블레이드 형상이 Shape #1로 동일한 경우, 보조 블레이드 각도 45°일 때가 각도 60°일 때보다 출력은 13.3%, 효율은 15.4% 더 증가했다. 보조 블레이드 각도를 45°로 한 Bended Type의 주 블레이드 형상 Case #4의 경우, Fin Type보다 출력은 13.6% ~ 47% 더 증가하고, 효율은 15.7% ~ 46.6% 더 증가했다. 보조 블레이드 각도 및 풍속을 고정한 V-Shape 형태의 주 블레이드의 경우, 형태의 Case #6은 형태의 Case #5에 비해 출력은 57.9%, 효율은 50.0%가 더 상승하였다. 동일한 형태의 V-Shape 형태에서 풍속을 높인 경우, Case #7은 Case #6 대비 출력은 28.3%, 효율은 27.8%가 더 상승하였다. 보조 블레이드 각도와 터빈직경을 고정한 V-Shape 형태의 경우, Case #7이 Case #5와 비교하여 출력은 102.6%, 효율은 91.7% 더 상승하였다. 터빈직경 및 풍속이 동일한 상태에서 주 블레이드 매수를 증가할 경우, 출력은 Case #8 대비 Case #9 ~ Case #11은 각각 50% ~ 114.2% 상승하였고, 효율은 Case #8 대비 각각 38.4% ~ 107.7% 상승하였다. 터빈직경 및 풍속이 동일한 상태에서 보조 블레이드 매수를 증가할 경우, 출력은 Case #12 대비 Case #13와 Case #14는 각각 33.3% ~ 42.1% 상승하였고, 효율은 Case #12 대비 35.3% ~ 47.1% 상승하였다. 주 블레이드 및 보조 블레이드를 각각 30매로 한 Case #15의 경우, Case #11 대비 출력이 5.6%, 효율이 3.7% 증가하였고, Case #14 대비 출력이 17.3%, 효율이 12% 증가하였다. 50[kW]급 상용화 설계를 통해 확인된 사항은 다음과 같다. 터빈직경과 주 블레이드 길이를 작게 하고 풍속을 크게 할 경우, 사례 #1 대비 사례 #3은 출력이 4.5% 상승하였고, 사례 #2는 출력이 11.6% 상승하였다. 터빈직경과 보조 블레이드 두께, 그리고 풍속을 동일하게 하고 주 블레이드 길이를 작게 할 경우, 사례 #2 대비 사례 #3은 출력이 6.4% 정도 떨어졌다. 풍속을 크게(11→12[m/s]) 하더라도 터빈직경과 주 블레이드 길이를 작게 하는 경우, 사례 #1 대비 사례 #2는 효율이 7.9% 떨어졌고, 사례 #3은 효율이 13.9% 떨어졌다. 장치의 현장설치 제약조건을 고려한다면, 터빈직경 14[m] 및 주 블레이드 길이가 70[cm]인 경우가 최적 블레이드이며, 이때의 출력은 65.14[kW], 효율은 29.3% 였다.
본 논문은 국내에서 최초로 시도되는 보조 블레이드를 이용한 50[kW]급 수직축 풍력 터빈을 개발하기 위해, 1차적으로는 블레이드의 개념설계를 위해 5[kW]급 소형 풍력터빈을 대상으로 유동해석을 실시하였고, 2차적으로는 최종의 개념설계를 완수한 5[kW]급 소형 풍력터빈을 50[kW]급으로 확대하여 상용화 설계를 실시하여 최적의 결과를 도출하였다. 5[kW]급 개념설계를 통해 확인된 사항은 다음과 같다. Fin Type의 주 블레이드 형상의 경우, 주 블레이드 각도를 45°로 한 경우가 주 블레이드 각도를 0°로 한 경우 대비 출력은 157.2% ~ 263.2% 더 증가하고, 효율은 110% ~ 250% 더 증가했다. 주 블레이드 Fin 길이를 2배로 변경한 Shape #5의 경우, 출력은 Shape #1에 비해 70.8%, Shape #4에 비해 27.5% 이며, 효율은 Shape #1에 비해 60%, Shape #4에 비해 28.6% 였다. 주 블레이드가 Open Angle 90° 인 상태에서 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도가 45°로 동일한 경우, Shape #4의 출력은 Shape #1 에 비해 257%, Shape #5에 비해 363% 더 높았다. 주 블레이드 형상이 Shape #1로 동일한 경우, 보조 블레이드 각도 45°일 때가 각도 60°일 때보다 출력은 13.3%, 효율은 15.4% 더 증가했다. 보조 블레이드 각도를 45°로 한 Bended Type의 주 블레이드 형상 Case #4의 경우, Fin Type보다 출력은 13.6% ~ 47% 더 증가하고, 효율은 15.7% ~ 46.6% 더 증가했다. 보조 블레이드 각도 및 풍속을 고정한 V-Shape 형태의 주 블레이드의 경우, 형태의 Case #6은 형태의 Case #5에 비해 출력은 57.9%, 효율은 50.0%가 더 상승하였다. 동일한 형태의 V-Shape 형태에서 풍속을 높인 경우, Case #7은 Case #6 대비 출력은 28.3%, 효율은 27.8%가 더 상승하였다. 보조 블레이드 각도와 터빈직경을 고정한 V-Shape 형태의 경우, Case #7이 Case #5와 비교하여 출력은 102.6%, 효율은 91.7% 더 상승하였다. 터빈직경 및 풍속이 동일한 상태에서 주 블레이드 매수를 증가할 경우, 출력은 Case #8 대비 Case #9 ~ Case #11은 각각 50% ~ 114.2% 상승하였고, 효율은 Case #8 대비 각각 38.4% ~ 107.7% 상승하였다. 터빈직경 및 풍속이 동일한 상태에서 보조 블레이드 매수를 증가할 경우, 출력은 Case #12 대비 Case #13와 Case #14는 각각 33.3% ~ 42.1% 상승하였고, 효율은 Case #12 대비 35.3% ~ 47.1% 상승하였다. 주 블레이드 및 보조 블레이드를 각각 30매로 한 Case #15의 경우, Case #11 대비 출력이 5.6%, 효율이 3.7% 증가하였고, Case #14 대비 출력이 17.3%, 효율이 12% 증가하였다. 50[kW]급 상용화 설계를 통해 확인된 사항은 다음과 같다. 터빈직경과 주 블레이드 길이를 작게 하고 풍속을 크게 할 경우, 사례 #1 대비 사례 #3은 출력이 4.5% 상승하였고, 사례 #2는 출력이 11.6% 상승하였다. 터빈직경과 보조 블레이드 두께, 그리고 풍속을 동일하게 하고 주 블레이드 길이를 작게 할 경우, 사례 #2 대비 사례 #3은 출력이 6.4% 정도 떨어졌다. 풍속을 크게(11→12[m/s]) 하더라도 터빈직경과 주 블레이드 길이를 작게 하는 경우, 사례 #1 대비 사례 #2는 효율이 7.9% 떨어졌고, 사례 #3은 효율이 13.9% 떨어졌다. 장치의 현장설치 제약조건을 고려한다면, 터빈직경 14[m] 및 주 블레이드 길이가 70[cm]인 경우가 최적 블레이드이며, 이때의 출력은 65.14[kW], 효율은 29.3% 였다.
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