수력발전은 신재생에너지의 한 분야로 물의 위치에너지를 터빈을 이용해 기계에너지로 변환하여 전기를 생산하는 방식이다. 우리나라의 경우 강수량이 많으며 전국토의 70% 가량이 산악지대로 구성되어있어 수력발전에 천혜의 조건을 가지고 있다. 하지만 대규모의 수력발전의 경우 큰 설비가 필요하여 생태계 파괴, 환경단체와 지역주민의 반대 등과 같은 여러 어려움이 있다. ...
수력발전은 신재생에너지의 한 분야로 물의 위치에너지를 터빈을 이용해 기계에너지로 변환하여 전기를 생산하는 방식이다. 우리나라의 경우 강수량이 많으며 전국토의 70% 가량이 산악지대로 구성되어있어 수력발전에 천혜의 조건을 가지고 있다. 하지만 대규모의 수력발전의 경우 큰 설비가 필요하여 생태계 파괴, 환경단체와 지역주민의 반대 등과 같은 여러 어려움이 있다. 소수력 발전의 경우 별도의 설비 없이 저낙차 발전이나 낙차 없이 흐르는 물로도 발전이 가능하여 환경 친화적인 발전 시스템이다. 이러한 소수력 발전의 장점으로는 시공기간이 짧으며 설치 및 철거가 용이하여 상황에 맞게 사용할 수 있다. 또한 하천이나 계곡, 농업용 수로, 방류수, 폐광지 갱내수, 정수장 용수, 정화조 폐수 등의 다양한 분야에 적용하여 전기를 생산할 수 있다. 발전용 터빈은 크게 수평축 터빈과 수직축 터빈이 있으며, 본 논문에서는 수직축 터빈에 대해 연구하였다. 수평축 터빈의 경우에는 유체의 방향에 영향을 많이 받으며 유체의 방향이 변하면 발전되지 않는 반면 수직축 터빈의 경우에는 유체의 방향에 관계없이 발전이 가능하다는 큰 장점이 있다. 수직축 터빈의 경우에는 비정상 상태의 유동이며, 블레이드 주위의 캐비테이션 현상을 고려하여야하는 등의 어려움으로 인해 체계적인 연구를 찾아보기 힘들다. 본 논문에서는 유동해석을 통해 실린더와 구 형상을 갖는 수직축 터빈에 대해 형상 최적화를 진행하였으며 각 형상에 대해 블레이드의 받음각, 비틀림각, 솔리디티의 영향을 파악하였다. 그리고 수직축 터빈의 성능 향상을 위해 덕트를 사용하여 그 효과를 검토하였다. 또한 유동-구조 연성해석을 통해 스테인리스 강, 구조 강, 알루미늄 합금의 재료를 사용한 수직축 터빈의 구조적 안전성을 검토하였으며 피로해석을 통해 피로수명을 예측하였다. 최적화를 진행한 결과 실린더형 터빈의 경우에는 블레이드의 받음각 3°, 비틀림각 10°, 솔리디티 0.2인 형상이 주속비 1에서 가장 높은 출력계수를 보였으며, 구형 터빈의 경우에는 블레이드의 받음각 2°, 비틀림각 10°, 솔리디티 0.2인 형상이 주속비 1.25에서 가장 높은 출력계수를 보였다. 또한 덕트를 사용함으로서 실린더형 터빈의 성능을 약 45%, 구형 터빈의 성능을 약 77.3% 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 와류구조 분석을 통해 덕트를 사용하였을 경우 와류가 감소하여 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 유동해석을 통해 실린더형 터빈은 낮은 주속비 영역에서 높은 출력계수와 토크계수를 보였으며, 구형 터빈은 높은 주속비 영역에서 높은 출력계수와 토크계수를 보였다. 따라서 상황에 맞는 터빈 형상을 사용하고 감속기 혹은 증속기를 이용하여 유체의 유속에 맞는 적절한 터빈 회전수를 사용하여야 원활한 발전이 가능할 것으로 판단된다. 유동-구조 연성해석을 통해 스테인리스 강, 구조 강, 알루미늄 합금의 3가지 재료 모두 구조적으로 안전하다는 결과를 얻었다. 그리고 피로해석을 통해 터빈의 피로수명을 예측하였으며, 피로해석에 사용된 재료는 구조 강을 사용하였다. 실린더형 터빈의 최소 피로수명은 약 773,340회였으며, 구형 터빈의 최소 피로수명은 약 867,630회였다. 향후 수직축 터빈을 제작하여 실험을 통한 성능 검증이 필요할 것으로 판단되며, 지속적인 연구를 통해 우수한 성능을 가진 수직축 터빈의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
수력발전은 신재생에너지의 한 분야로 물의 위치에너지를 터빈을 이용해 기계에너지로 변환하여 전기를 생산하는 방식이다. 우리나라의 경우 강수량이 많으며 전국토의 70% 가량이 산악지대로 구성되어있어 수력발전에 천혜의 조건을 가지고 있다. 하지만 대규모의 수력발전의 경우 큰 설비가 필요하여 생태계 파괴, 환경단체와 지역주민의 반대 등과 같은 여러 어려움이 있다. 소수력 발전의 경우 별도의 설비 없이 저낙차 발전이나 낙차 없이 흐르는 물로도 발전이 가능하여 환경 친화적인 발전 시스템이다. 이러한 소수력 발전의 장점으로는 시공기간이 짧으며 설치 및 철거가 용이하여 상황에 맞게 사용할 수 있다. 또한 하천이나 계곡, 농업용 수로, 방류수, 폐광지 갱내수, 정수장 용수, 정화조 폐수 등의 다양한 분야에 적용하여 전기를 생산할 수 있다. 발전용 터빈은 크게 수평축 터빈과 수직축 터빈이 있으며, 본 논문에서는 수직축 터빈에 대해 연구하였다. 수평축 터빈의 경우에는 유체의 방향에 영향을 많이 받으며 유체의 방향이 변하면 발전되지 않는 반면 수직축 터빈의 경우에는 유체의 방향에 관계없이 발전이 가능하다는 큰 장점이 있다. 수직축 터빈의 경우에는 비정상 상태의 유동이며, 블레이드 주위의 캐비테이션 현상을 고려하여야하는 등의 어려움으로 인해 체계적인 연구를 찾아보기 힘들다. 본 논문에서는 유동해석을 통해 실린더와 구 형상을 갖는 수직축 터빈에 대해 형상 최적화를 진행하였으며 각 형상에 대해 블레이드의 받음각, 비틀림각, 솔리디티의 영향을 파악하였다. 그리고 수직축 터빈의 성능 향상을 위해 덕트를 사용하여 그 효과를 검토하였다. 또한 유동-구조 연성해석을 통해 스테인리스 강, 구조 강, 알루미늄 합금의 재료를 사용한 수직축 터빈의 구조적 안전성을 검토하였으며 피로해석을 통해 피로수명을 예측하였다. 최적화를 진행한 결과 실린더형 터빈의 경우에는 블레이드의 받음각 3°, 비틀림각 10°, 솔리디티 0.2인 형상이 주속비 1에서 가장 높은 출력계수를 보였으며, 구형 터빈의 경우에는 블레이드의 받음각 2°, 비틀림각 10°, 솔리디티 0.2인 형상이 주속비 1.25에서 가장 높은 출력계수를 보였다. 또한 덕트를 사용함으로서 실린더형 터빈의 성능을 약 45%, 구형 터빈의 성능을 약 77.3% 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 와류 구조 분석을 통해 덕트를 사용하였을 경우 와류가 감소하여 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 유동해석을 통해 실린더형 터빈은 낮은 주속비 영역에서 높은 출력계수와 토크계수를 보였으며, 구형 터빈은 높은 주속비 영역에서 높은 출력계수와 토크계수를 보였다. 따라서 상황에 맞는 터빈 형상을 사용하고 감속기 혹은 증속기를 이용하여 유체의 유속에 맞는 적절한 터빈 회전수를 사용하여야 원활한 발전이 가능할 것으로 판단된다. 유동-구조 연성해석을 통해 스테인리스 강, 구조 강, 알루미늄 합금의 3가지 재료 모두 구조적으로 안전하다는 결과를 얻었다. 그리고 피로해석을 통해 터빈의 피로수명을 예측하였으며, 피로해석에 사용된 재료는 구조 강을 사용하였다. 실린더형 터빈의 최소 피로수명은 약 773,340회였으며, 구형 터빈의 최소 피로수명은 약 867,630회였다. 향후 수직축 터빈을 제작하여 실험을 통한 성능 검증이 필요할 것으로 판단되며, 지속적인 연구를 통해 우수한 성능을 가진 수직축 터빈의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
Hydro-power is a field of renewable energy, which is a way to convert water potential energy into mechanical energy using turbine to produce electricity. Korea has abundant rainfall and 70 percent of its land consists of mountainous regions, so it has good natural conditions for hydro-power generati...
Hydro-power is a field of renewable energy, which is a way to convert water potential energy into mechanical energy using turbine to produce electricity. Korea has abundant rainfall and 70 percent of its land consists of mountainous regions, so it has good natural conditions for hydro-power generation. However, in the case of large-scale hydropower generation, there are many difficulties such as destruction of ecosystem, opposition of environmental groups and local residents. As for small hydro-power generation, it is environmentally friendly power system because it can be developed even with low head drop or flowing water without additional facilities. The advantages of such small hydro-power generation are short construction period, easy installation and demolition, and can be used according to the situation. In addition, electricity can be produced by applying to various fields such as rivers, valleys, agricultural waterways, discharge water, mine wastewater, and septic tank wastewater. Turbines for hydro-power generation have horizontal-axis turbine and vertical-axis turbine. In this paper, studies of vertical-axis turbines have been performed. In the case of a horizontal-axis turbine, it is influenced by the direction of the fluid and does not generate when the direction of the fluid changes, while the vertical-axis turbine has a great advantage that it can generate regardless of the direction of the fluid. The vertical-axis turbine is difficult to find systematic study due to the unsteady flow and the difficulty of considering the cavitation phenomenon around the blade. In this paper, the shape optimization was performed for the vertical-axis turbine having the cylindrical and the spherical shape through the flow analysis. The influences of blade angle of attack, helical angle, and solidity on each shape are grasped. And to improve the performance of the vertical-axis turbine, the effect was examined using a duct. In addition, the structural safety of vertical-axis turbine using materials from stainless steel, structural steel and aluminum was examined through flow-structure interaction analysis, and fatigue life of turbine was predicted through fatigue analysis. As a result of the shape optimization, the cylindrical turbine showed the highest power coefficient at 3° of the blade angle of attack, 10° of the helical angle, and 0.2 of the solidity at the tip speed ratio of 1, while spherical turbine showed the highest power coefficient at 2° of the blade angle of attack, 10° of the helical angle, and 0.2 of the solidity at the tip speed ratio of 1.25. It was also obtained that the use of ducts would increase the performance of cylindrical turbine by approximately 45% and that of spherical turbine by approximately 77.3%. Through the vortex structure analysis, it was confirmed that the vortex inside the turbine was reduced due to the use of the duct, thereby improving the performance of the turbine. Flow analysis showed that cylindrical turbine had high power coefficient and torque coefficient in lower tip speed ratio, and spherical turbine had higher power coefficient and torque coefficient in high tip speed ratio. Therefore, it is judged that smooth power generation can be made by using the appropriate turbine shape for the situation and using the turbine RPM suitable for the flow rate of the fluid using RPM control unit. Flow-structure interaction analysis showed that all of three materials(stainless steel, structural steel and aluminum alloy) were structurally safe. And the fatigue life of the turbine was predicted by the fatigue analysis, and structural steel was used for the fatigue analysis. The fatigue analysis showed that the minimum fatigue life of the cylindrical turbine was about 773,340 cycles and the minimum fatigue life of the spherical turbine was about 867,630 cycles. In the future, it will be necessary to verify the performance of the vertical-axis turbine by experiment, and it is expected that the vertical-axis turbine with excellent performance will be developed by continuous research.
Hydro-power is a field of renewable energy, which is a way to convert water potential energy into mechanical energy using turbine to produce electricity. Korea has abundant rainfall and 70 percent of its land consists of mountainous regions, so it has good natural conditions for hydro-power generation. However, in the case of large-scale hydropower generation, there are many difficulties such as destruction of ecosystem, opposition of environmental groups and local residents. As for small hydro-power generation, it is environmentally friendly power system because it can be developed even with low head drop or flowing water without additional facilities. The advantages of such small hydro-power generation are short construction period, easy installation and demolition, and can be used according to the situation. In addition, electricity can be produced by applying to various fields such as rivers, valleys, agricultural waterways, discharge water, mine wastewater, and septic tank wastewater. Turbines for hydro-power generation have horizontal-axis turbine and vertical-axis turbine. In this paper, studies of vertical-axis turbines have been performed. In the case of a horizontal-axis turbine, it is influenced by the direction of the fluid and does not generate when the direction of the fluid changes, while the vertical-axis turbine has a great advantage that it can generate regardless of the direction of the fluid. The vertical-axis turbine is difficult to find systematic study due to the unsteady flow and the difficulty of considering the cavitation phenomenon around the blade. In this paper, the shape optimization was performed for the vertical-axis turbine having the cylindrical and the spherical shape through the flow analysis. The influences of blade angle of attack, helical angle, and solidity on each shape are grasped. And to improve the performance of the vertical-axis turbine, the effect was examined using a duct. In addition, the structural safety of vertical-axis turbine using materials from stainless steel, structural steel and aluminum was examined through flow-structure interaction analysis, and fatigue life of turbine was predicted through fatigue analysis. As a result of the shape optimization, the cylindrical turbine showed the highest power coefficient at 3° of the blade angle of attack, 10° of the helical angle, and 0.2 of the solidity at the tip speed ratio of 1, while spherical turbine showed the highest power coefficient at 2° of the blade angle of attack, 10° of the helical angle, and 0.2 of the solidity at the tip speed ratio of 1.25. It was also obtained that the use of ducts would increase the performance of cylindrical turbine by approximately 45% and that of spherical turbine by approximately 77.3%. Through the vortex structure analysis, it was confirmed that the vortex inside the turbine was reduced due to the use of the duct, thereby improving the performance of the turbine. Flow analysis showed that cylindrical turbine had high power coefficient and torque coefficient in lower tip speed ratio, and spherical turbine had higher power coefficient and torque coefficient in high tip speed ratio. Therefore, it is judged that smooth power generation can be made by using the appropriate turbine shape for the situation and using the turbine RPM suitable for the flow rate of the fluid using RPM control unit. Flow-structure interaction analysis showed that all of three materials(stainless steel, structural steel and aluminum alloy) were structurally safe. And the fatigue life of the turbine was predicted by the fatigue analysis, and structural steel was used for the fatigue analysis. The fatigue analysis showed that the minimum fatigue life of the cylindrical turbine was about 773,340 cycles and the minimum fatigue life of the spherical turbine was about 867,630 cycles. In the future, it will be necessary to verify the performance of the vertical-axis turbine by experiment, and it is expected that the vertical-axis turbine with excellent performance will be developed by continuous research.
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