문제 정의

• 본 연구는 복합형 터빈 중 수직축 터빈 날개의 설계를 위한 기초연구로서, 수직축 터빈의 날개 형상에 대한 공기역학적 특성을 살펴보는데 그 목적이있다. 기존의 연구들이 주로 정해진 터빈 날개 형상을 기준으로 풍력터빈에 장착하고 터빈의 성능을 검토하는 방법을 택하고 있기 때문에.
• 본 연구는 수평/수직축 복합형 풍력터빈을 개발하기 위한 기초단계로서, 수직축 터빈의 날개의 형상에 따른 공기역학적 특성을 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
• 터빈 날개 형상이 변화함에 따라 공기역학적 특성이 어떻게 변화하는가에 대한 기초연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 다양한 형상의 터빈 날개에 작용하는 항력과 양력을 열유동해석 전용 프로그램인 Fluent^[12]를 이용하여 수치해석으로 구하고자 한다. 계산결과를 2차원 익형 해석 전용 프로그램인 Xfoil ^{이러한 측면에서 수직축 또는 수평축 하나의 방식을 선택하기에는 앞서 서술한 문제점을 극복하기가 쉽지 않다. 이러한, 수직축 및 수평축 날개 방식 풍력발전 시스템의 단점을 극복하기 위해서, 본 연구팀은 수직축 풍력터빈과 수평축 풍력터빈의 발전시스템 구조를 융합하는 복합방식의 풍력발전 시스템에 대한 연구를 수행하고 있다. 서로 회전수와 토크 등이 다른 두 터빈의 출력 결합 시 발생할 수 있는 손실을 최소화할 수 있는 시스템에 대하여 연구 중이다.}

• (1) 열유동해석 전용 프로그램인 Fluent를 사용하여 익형의 공기역학적 특성을 해석하였다. NACA0018 익형에 대한 양력과 항력 계산 결과를 타 연구자의 실험 결과 및 비점성 패널 방법을 사용하는 소프트웨어인 Xfoil의 해석 결과와 비교해본 결과 유사한 경향을 보였다.
• (2) 익형 주위의 국소값의 비교를 위하여 Fluent와 Xfoil로 계산한 압력계수를 비교하였다. 국소 영역에서 두 계산 결과가 비교적 일치하고 있으나, 유동의 변화가 급격하게 일어나는 익형의 선단부에서는 Xfoil의 유동형태 예측이 다소 미흡하였다.
• (3) 익형, 평판, 반원, 원호 등 4가지 서로 다른 형상에 대하여 영각이 0°, ± 10°, ± 20°인 경우에 양력계수와 항력계수를 살펴보았다. 원호 형상의 날개가 양력의 합력이 크고 양력계수와 항력계수의 비율도 비교적 크게 나타나는 것을 확인하였다.
• Fluent 해석 결과의 타당성을 입증하기 위하여 날개형 상이 익형인 NACA0018 형상에 대해 영각을 0〜20°로 변화시켜 가면서 항력계수와 양력계수를 계산하였고 그 결과를 Xfoil 계산결과와 Fukudome 등의 실험결과^[5]와 비교하여 Fig. 2에 나타내었다.
• 3333px;">[12]를 이용하여 수치해석으로 구하고자 한다. 계산결과를 2차원 익형 해석 전용 프로그램인 Xfoil^[4],[13]의 계산결과와 비교하였으며, Fukudome 등^⑸의 실험결과와도 비교하여 Fluent 해석결과의 타당성을 검토하였다.
• 평판(flat plate), 반원(semi circle), 원호(circular arc) 모양의 서로 다른 4가지 날개 형상의 항력과 양력을 Fluent를 이용하여 해석하였다. 그 결과를 비교하여 수직축 풍력터빈에 적합한 모델을 제시할 수 있는 방법론을 검토하였다.
• 또한 Fluent 계산 결과의 타당성을 검증하기 위해, NACA0018 익형을 대상 날개 형상으로 하여 Xfoil을 이용하여 계산을 수행하였다. Reynolds 수는 비교를 위해 Fluent로 계산한 경우와 동일하게 적용하였으며, 마찬가지로 영각도 0°에서 20°까지 변화시키면서 익형에 대한 양력계수, 항력계수, 압력 계수 분포를 계산하고, 그 결과를 Fluent 계산 결과와 비교하였다.
• 본 연구에서는 다양한 형상의 수직축 풍력터빈 날개에 작용하는 항력과 양력을 수치해석적으로 구하기 위해 열유동해석 전용 프로그램인 Fluent를 이용하였으며, Fluent 해석 결과의 타당성을 검토하기 위한 보조 프로그램으로 2차원 익형 해석 전용 프로그램인 Xfoil을 사용하였다.
• 평판(flat plate), 반원(semi circle), 원호(circular arc) 모양의 서로 다른 4가지 날개 형상의 항력과 양력을 Fluent를 이용하여 해석하였다. 그 결과를 비교하여 수직축 풍력터빈에 적합한 모델을 제시할 수 있는 방법론을 검토하였다.
• 한편, Xfoil은 익형에 대해서만 계산 가능한 프로그램이기 때문에 다른 형상에 대해서도 계산 가능한 Fluent를 이용하여 연구를 진행하였다.

대상 데이터

• 1에 나타내었다. 익형 모델은 NACA 시리즈 중 코드 길이 1 m인 NACA0018을 대상으로 선정하였다. VAWT 날개의 형상에 따른 성능 비교를 위한 다른 형상으로는 평판, 반원, 원호 모양을 선정하였으며.
• 해석에 사용한 4가지 VAWT 날개 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 익형 모델은 NACA 시리즈 중 코드 길이 1 m인 NACA0018을 대상으로 선정하였다.

데이터처리

• Reynolds 수는 비교를 위해 Fluent로 계산한 경우와 동일하게 적용하였으며, 마찬가지로 영각도 0°에서 20°까지 변화시키면서 익형에 대한 양력계수, 항력계수, 압력 계수 분포를 계산하고, 그 결과를 Fluent 계산 결과와 비교하였다.

이론/모형

• 유동은 2차원 난류 k-epsilon 모델을 사용하였고, 계산 영역 내 입구 경계는 균일한 속도, 출구 경계는 압력이 대기압과 같다는 조건을 주었다. Reynolds 수는 3.

성능/효과

• 해석하였다. NACA0018 익형에 대한 양력과 항력 계산 결과를 타 연구자의 실험 결과 및 비점성 패널 방법을 사용하는 소프트웨어인 Xfoil의 해석 결과와 비교해본 결과 유사한 경향을 보였다.
• 계산된 항력계수와 양력계수의 값과 그 변화 경향을 관찰하여 볼 때, Fluent와 Xfoil이 실험 결과를 어느 정도 잘 반영하고 있는 것으로 보이며 양력계수는 Fluent가 좀 더 정확히 예측하는 것으로 판단된다. 한편, Xfoil은 익형에 대해서만 계산 가능한 프로그램이기 때문에 다른 형상에 대해서도 계산 가능한 Fluent를 이용하여 연구를 진행하였다.
• 반원 형상의 경우 원호 형상에 비해 양력계수는 그다지 작은 편이 아니지만 항력계수가 크기 때문에 양력과 항력의 비율은 원호 형상보다 작게 나타난다. 그러므로 본 연구에서 수행한 계산범위 내에서는 4가지 형상의 날개 중 원호 형상의 날개가 VAWT에 장착되었을 때 가장 우수한 성능을 낼 것으로 판단된다.
• 항력계수를 살펴보았다. 원호 형상의 날개가 양력의 합력이 크고 양력계수와 항력계수의 비율도 비교적 크게 나타나는 것을 확인하였다. VAWT에 장착되는 날개는 양력이 크고 양력계수와 항력계수의 비율이 클수록 발전에 유리하다는 것을 고려할 때, 본 연구의 계산 범위에서는 4가지 형상의 날개 증 원호 형상의 날개가 가장 유리할 것으로 판단되나, 다른 형상과 다른 경계조건에 대해서도 후속 연구가 필요할 것으로 고려된다.
• 이때는 바람의 반대 방향으로 양력이 작용하여, 날개가 바람이 부는 반대 방향으로 움직이려고 한다는 것을 뜻한다. 즉, NACA0018 익형과 평판 형상의 날개는 바람의 방향에 관계없이 항상 양의 양력계수를 갖는 반면에, 반원과 원호 형상의 날개는 바람의 방향에 따라 양 혹은 음의 양력계수를 갖는다는 것을 알 수 있다.

후속연구

• 원호 형상의 날개가 양력의 합력이 크고 양력계수와 항력계수의 비율도 비교적 크게 나타나는 것을 확인하였다. VAWT에 장착되는 날개는 양력이 크고 양력계수와 항력계수의 비율이 클수록 발전에 유리하다는 것을 고려할 때, 본 연구의 계산 범위에서는 4가지 형상의 날개 증 원호 형상의 날개가 가장 유리할 것으로 판단되나, 다른 형상과 다른 경계조건에 대해서도 후속 연구가 필요할 것으로 고려된다.