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문제 정의
- 본 연구에서는 항력식 수직축 터빈의한 형태로, 회전축 좌우의 항력차를 최대로 해주기 위해 개폐도어를 도입하여 풍향이 일정하지 않은 국내풍 환경에 적합한 항력식 소형 풍력터빈 모델의 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 그러나 고회전 수에서는 하이브리드 방식의 동력이 오히려 다리우스 터빈에 비해 낮았다. Morcos 와 Abdel-HafBz 的는 Arrow-head rotor라는 수직축 터빈을 고안, 제작하여 로터(rotor) 날개의 형상비, 각도 변화 등에 대한 성능을 연구하였다.
- 터빈 날개는 60개까지 장착이 가능하고, 날개 각도는 날개 수와 날개 형상비에 의해 장치적으로 제한을 받기 때문에 0°에서 50°까지 수동으로 조절이. 가능하도록 제작하였다. 그리고 날개 폭(W)은 20mm, 30mm, 40mm로, 터빈 반경에 대한 날개폭의 비, 즉 날개 형상비 (W/R)는 각각 0.
- 개폐 모형을 이용하여 150W급 터빈을 다음과 같이 전진비(advance ratio)에 의한 상사를 이용하여 설계하고 제작하여 실험하였다.
- 개폐 터빈 모형의 실험결과와 상사식을 이용하여 150W의 동력을 얻을 수 있는 풍력터빈의 크기를 계산하고 제작하였다. 풍속은 개폐 모형의 실험 결과와의 상사를 확인하기 위하여 개폐 모형의 실험에 사용된 풍속과 상사되는 속도인 3.
- 날개 형상비, 날개 수 등 평판 터빈 모형실험의 결과를 토대로 최적의 설계변수를 고려한 개폐식 터빈 모형을 제작하여 회전수, 동력, 토크를 측정하여 동력계수와 토크계수를 측정하였다.
- 본 연구를 통해 평판 터빈에서 개폐 도어를 채용한 항력식 수직축 풍력터빈의 설계를 시도하였고, 설계변수의 변화에 대한 성능을 분석하였으며, 실험 및 분석을 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 풍속은 피토관과 마노메타를 이용하여 측정하여 2m/s ~ 5m/s로 변화하였고, 날개 각도는 0°부터 70°까지 10°씩 증가시키면서 실험을 수행하였다. 터빈의 성능평가에 요구되는 토크, 회전수와 동력은 Speed Encoder(Model : HD-705 -7NA) 와 Dynamometer Controller(Model : DSP6001)를 사용하여 실시간으로 측정하였다.
- 수축노즐의 형상은 More伊의 3차 다항식으로 제작하여 노즐 출구에서 균일유동이 나오도록 하였고, 시험부의 크기는 300mm x 300mm x 1000mm이다. 평판 터빈 실험 조건은 풍속(U)을 3m/s ~ 9m/s로, 날개 각도(a)를 0° ~ 50°로, 날개 형상비(W/R)를 0.195, 0.293, 0.390으로, 날개 수(B)를 5 ~ 30개로 변화시키면서 회전계(tachometer) 를 통하여 회전수를 측정하였고, 이러한 변수들은 유동조건에 따른 전유동과 반유동에서 동일하게 수행하였다.
- 5nVs이다. 풍동의 풍속을 측정하기 위해 풍동 전방부에 피토관(pitot tube)을 설치하였다. 풍동의 운전은 별도의 운전 패널을 이용하여 운전할 수 있다.
- 계산하고 제작하였다. 풍속은 개폐 모형의 실험 결과와의 상사를 확인하기 위하여 개폐 모형의 실험에 사용된 풍속과 상사되는 속도인 3.32,4.15, 4.97, 5.8, 6.63, 8.29m/s를 사용하였다.
- 직류전동기의 회전부와 유량은 선형 관계에 있으므로, 운전 패널에서는 직류전동기 회전수의 조절을 통하여 풍동의 속도를 가변할 수 있다. 풍속은 피토관과 마노메타를 이용하여 측정하여 2m/s ~ 5m/s로 변화하였고, 날개 각도는 0°부터 70°까지 10°씩 증가시키면서 실험을 수행하였다. 터빈의 성능평가에 요구되는 토크, 회전수와 동력은 Speed Encoder(Model : HD-705 -7NA) 와 Dynamometer Controller(Model : DSP6001)를 사용하여 실시간으로 측정하였다.
- 한다. 하지만, 이러한 설계인자를 모두 고려하여 모형을 제작하여 모든 변수에 대해 실험을 수행하는 것이 너무 힘들기 때문에 본 연구에서는 날개 수와, 날개 형상비에 대한 최적의 조건을 찾는데 있어 평판식 터빈을 도입하여 수행하였다. 개폐식 터빈과 평판식 터빈은 구조뿐만 아니라 회전축을 중심으로 좌우측 날개 부에 걸리는 항력의 차에도 분명한 차이를 보인다.
대상 데이터
- 개폐 모형의 실험에 사용된 풍동은 유동의 흐름으로 볼 때 2차원 벨마우스, 그리고 허니컴(honeycombs), 경계증 발달을 위한 시험구간, 즉정이 이루어지는 시험구간, 확산부, 저소음 축류휀 그리고 소음기로 구성되어 있다. 그리고 풍동의 구동을 위한 제어장비가 풍동의 바깥에 설치되어있다.
- 5kW 교류 3상 전동기에 의해 구동되며, 주파수 변환기를 사용하여 시험부 입구의 자유흐름 속도를 0~33m/s로 가변할 수 있다. 수축노즐의 형상은 More伊의 3차 다항식으로 제작하여 노즐 출구에서 균일유동이 나오도록 하였고, 시험부의 크기는 300mm x 300mm x 1000mm이다. 평판 터빈 실험 조건은 풍속(U)을 3m/s ~ 9m/s로, 날개 각도(a)를 0° ~ 50°로, 날개 형상비(W/R)를 0.
- 날개의 재질은 유체력에 대해 날개가 잘 개폐되도록 밀도가 O.OWkg/n?인 폴리스틸렌을 압출 및 평판 가공을 통해 제작된 우드락을 사용하였다. 축의 직경은 18nnn이고, 날개 각도는 0°에서 70° 까지 수동으로 조절이 가능하도록 제작되었다.
- 6m이고, 개폐도어의 크기는 320mm x 160mm로 제작되었고, 한 개의 터빈 날개는 10개의 개폐도어로 구성된다. 터빈의 날개 수는 15개로 제작되었으며, 실제 제 터빈에 부착된 발전기에서의 전기적인 동력을 측정하기 위하여 터빈 축의 하단부에 증속비 21:1의 증속기(CNV-6090-21)를 설치하였다. 그리고 이 증속기와 Dynamometer Controller?} 연결되어 기계적인 동력을 측정할 수 있도록 하였다.
- 4H?이다. 터빈의 날개는 총 15개로 구성되어 있으며, 각각의 날개는 크기가 80mm X 128mm인 사각형 조각이 6개가 조합되어 있다. 날개의 재질은 유체력에 대해 날개가 잘 개폐되도록 밀도가 O.
- 5는 개폐모형 실험에 의한 결과를 기초로 하여 실제 제작한 150W급 풍력터빈 사진이다. 터빈의 크기는 직경이 2.2m, 높이가 1.6m이고, 개폐도어의 크기는 320mm x 160mm로 제작되었고, 한 개의 터빈 날개는 10개의 개폐도어로 구성된다. 터빈의 날개 수는 15개로 제작되었으며, 실제 제 터빈에 부착된 발전기에서의 전기적인 동력을 측정하기 위하여 터빈 축의 하단부에 증속비 21:1의 증속기(CNV-6090-21)를 설치하였다.
- 3은 평판 터빈의 개략도를 나타낸 것이다. 평판 터빈은 아크릴로 제작되었으며, 직경(D)은 205mm, 높이(H)는 190mm이고, 유동에 대한 터빈의 투영면적은 0.038m2이다. 터빈 날개는 60개까지 장착이 가능하고, 날개 각도는 날개 수와 날개 형상비에 의해 장치적으로 제한을 받기 때문에 0°에서 50°까지 수동으로 조절이.
성능/효과
- (1) 개폐식 터빈에서 최대 회전수를 갖는 조건은 날개각도 a =60°, 날개 수 B=15개, 날개 형상비 W/R=0.32, 이고, 평판 터빈과 비교하였을 때 2 배 이상 높은 회전력을 가진다.
- (2) 개폐식 터빈이 작동되는 익단 선속비의 범위는 0 ~ 0.7이고, 이 중 최대 동력 계수가 발생하는 익단 선속비는 0.33 영역에 존재한다.
- (4) 축소 터빈과 150W급 터빈에서 실험 결과의 비교를 통하여 수직축 항력식 터빈에 있어서 전진비에 의한 상사의 타당성을 입증하였다.
- Fig. 13(a)는 동력계수의 분포를 나타낸 것으로, 무부하 회전수가 일치하였던 것과 같이 최고 동력계수는 익단 선속비가 Q=0.33 영역에서 0.14로 일치하였고 모든 익단 선속비 범위에서 동력계수의 값이 동일하였다. Fig.
- 의해 결정된다"。) 개폐 축소 모형(Dm=0.8m)의 실험에서 사용된 풍속 2, 2.5, 3, 3.5 4, 5m/s는 150W 급풍력터 빈(Ds=2.2m)에서 3.32, 4.15, 4.97, 5.8, 6.63, 8.29m/s로 계산되었다.
- Moutsoglou와 Weng(3)은 시동풍속이 낮은 특성에도 불구하고 효율이 낮은 Savonius rotor의 단점을 해결할 대안으로 제시된 Benesh rotor의 효과를 풍동시험에서 입증하였다. Okamoto 등⑺은 시동토크가 커 높은 시동풍속이 요구되는 다리우스 터빈을 보완하기 위하여 Savonius 터빈을 추가한 하이브리드(Hybrid)형을 제안하고, 풍동시험을 하여 저회전에서 하이브리드 방식이 더 높은 동력을 내며 최대동력도 약간 더 높음을 확인하였다. 그러나 고회전 수에서는 하이브리드 방식의 동력이 오히려 다리우스 터빈에 비해 낮았다.
- 9에 나타내었다. 날개 각도에 상관없이 개폐식 터빈이 평판식 터빈보다 2 배이상 회전수가 높게 나타나는 것을 관찰할 수 있고, 이 결과로 볼 때 개폐식 터빈이 평판식 터빈보다 회전능력이 훨씬 높다는 것을 알 수 있다.
- 평판 터빈 모형의 경우, 최고 50°까지 밖에 변형이 가능하지 않아 그 이후의 각도에서의 결과를 알 수 없었기 때문에 개폐모형에서는 0°~70° 실험이 가능하도록 하였다. 날개각도가 0°부터 각도가 증가할수록 회전수가 증가하다가 60°에서 가장 높은 회전수를 갖고, 그 이후 각도가 더 증가할수록 회전수는 감소하였다. 이 결과로 개폐식 터빈에서는 최적의 날개 각도는 60°임을 확인하였고 블레이드의 각도가 풍력터빈의 성능에 큰 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- 14의 최대 동력계수 값을 갖는다. 이 결과는 본 실험에 사용된 항력식 수직축 풍릭터빈의 모형실험에서 전진비에 의한 상사의 타당성을 입증한다.
- 14의 동력계수를 갖는 것을 관찰할 수 있다. 이 결과는 풍속 4.97m /s 이상에서는 일정하게 14%의 효율을 유지하고 4.97m/s이하로 풍속이 낮아질수록 효율이 저하되고 있다는 것을 나타낸다. Fig.
- 날개각도가 0°부터 각도가 증가할수록 회전수가 증가하다가 60°에서 가장 높은 회전수를 갖고, 그 이후 각도가 더 증가할수록 회전수는 감소하였다. 이 결과로 개폐식 터빈에서는 최적의 날개 각도는 60°임을 확인하였고 블레이드의 각도가 풍력터빈의 성능에 큰 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 평판 터빈과 개폐식 터빈의 성능을 비교하기 위하여 무부하에서 날개각도의 변화에 따른 회전수의 분포를 Fig.
- 10(a)는 회전수에 대한 동력의 관계를 나타낸 것으로, 같은 풍속에도 회전부하에 따라 회전수를 다르게 할 수 있고 각각의 풍속에서 최고 동력이 얻어지는 회전수가 정해져 있는 것을 볼 수 있다. 풍속이 증가할 수록풍속의 3승에 비례하는 만큼의 동력 증가를 보였다. Fig.
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