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문제 정의
- 즉, 仔란 결국 에너지 변환효율이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 수직축 터빈의 에너지 변환효율인 <4값을 증대시키기 위해 최적 설계를 수행하였으며, 실제 대형터빈의 모델로 발전시키기 위한 기초단계로서 성능 검증을 시도하였다.
- 그러나 수평축 방식에 비해 일반적으로 에너지변환효율이 떨어지므로 이의 해결이 숙제로 남아 있다. 이에 본 연구에서는 대형 터빈의 축소 모델로서 수직축 제트-휠-터보형 터빈的의 최적 설계 모형을 개발하였으며, 성능 및 효율을 검증하였다.
제안 방법
- Figure 3에 나타난 안내익의 출구각 (a)과 로터날개입구각 (0)에 따른 성능의 최적화를 위해서 해당 각도를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 본 수치해석은 로터의 높이가 220 mm 인 모델형상을 바탕으로 하였으나, 계산영역은 높이를 50 mm 로 하여 계산시간이 최소화되도록 수행하였다.
- 계산 영역은 회전영역과 비회전영역으로 나누어 약 11만개 격자점과 10만개의 요소로 구성된 비정렬격자를 생성하였다. 대칭조건이 주어진 Z+평면과 Z-평면사이에는 1개의 격자층으로 하여 격자 수를 효과적으로 제어하였으며, 2D에 가깝게 계산이 수행되도록 하였다. 총 엘리먼트 중 약 6%는 벽면 의경계층 효과를 고려하여 육방정계 격자를 사용하였으며 유동 변화가 많은 입구 안내익과 로터 날개 사이의 영역
- 이 결과를 통해 우수한 성능을 보이는 로터 입구각 (0) 을 확인할 수 있다. 동시 최적화가 쉽지 않으므로 우선 로터 입구각 (。)을 최적인 상태로 구한 후 다음 변수를 최적화하는 선형 최적화기법을 적용하였다.
- 평균 풍속으로 정의하였다. 따라서 유입되는 유동의 속도를 측정하기 위해 풍동 시험부 덕트 입구에 피토관을 설치하였으며, 피토관과 마노미터를 연결하여 평균풍속을 측정할 수 있도록 하였다. 특히, 풍동의 디퓨져 후류에서부터 터빈까지의 거리는 터빈 직경의 1.
- 즉, 속도 삼각형에서의 안내익 출구 유속을 더 빠르게 함으로써 로터 입구 속도삼각형에서 영각 (angle of attack)을 크게 하는 효과가 있다. 또한 상류에 있는 안내익과 하류에 있는 안내익의 곡률을 다르게 함으로써 로터 회전에 따른 로터 날개 영각의 분포가 설계 익단 속도비에서 가능한 양의 부호를 유지하도록 하였다.
- 양 옆의 벽면에는 미끄러짐 벽면 조건을 둠으로써 무한 공간에서의 낮은 수렴성 문제를 개선토록 하였다. 또한 입구 조건 중 안내익의 출구 속도를 사전의 계산으로 구한 출구 속도와 일치하도록 ②영역의 입구부의 속도 성분을 구하였다. 안내익의 출구 속도를 현실성 있는 값으로 고정시킴으로써 같은 익단속도비 (入)에서 속도 삼각형을 현실적인 패턴으로 유지하도록 하였다.
- 즉, 곡면 안내익의 날개 피치 (pitch)가 코드 (chord) 길이보다 상대적으로 크다는 뜻으로 유동이 상대적으로 잘 유입됨을 알 수 있다. 또한 입구안내익들 사이의 채널 유동이 균일하기 위해서는 원호형태보다는 에어포일 형태가 바람직하므로 실제 설계는 상기 출구각을 갖는 에어포일 익렬로 정하였다.
- 풍속은 피토관과 마노미터 (Digital micro-manometer)를 이용하여 측정하였고, 회전수는 타코미터 (Tacho-meter)로 측정을 하였다. 또한 토크는 파우더 브레이크 (Powder brake) 를 사용하여 터빈에 부하를 주면서 토크미터 (Torque meter RCL-2477)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
- 날개수는 13 개 혹은 그 이하로 설정하였으며, 터빈 성능을 확보할생되는 고비용 문제를 고려하여 선정하였다. 로터 날개 입구 각은 상기 유동해석 결과를 반영하여 40° 로 정하였공하였으며, 상판과 하판 양면을 개방 가능하도록 설계를 하여 제작을 하였다.
- 로터 입구각의 최적화를 위해 직선 안내익의 평균 출구 각을 47° 로 고정하고 로터 의 입구각을 4가지 경우로 변화시키면서 성능을 계산하였다. 로터의 입구각의 정의는 Fig.
- 난류모델로는 k-u SST 모델을 사용하였다. 반복수치계산은 수행되는 지배방정식의 잉여값 (Residual)이 10-4 이하가 될 때까지 계산하였다. 본 수치해석에서는 Fig.
- 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 본 수치해석은 로터의 높이가 220 mm 인 모델형상을 바탕으로 하였으나, 계산영역은 높이를 50 mm 로 하여 계산시간이 최소화되도록 수행하였다.
- 1% 내에서 균일하도록 하였다. 본 실험 에서는 로터의 상판과 하판의 허브면을 일정 부분 개방시킨 터빈에 입구안내익과 측후면안내익을 설치하여 성능실험을 수행하였다. 평균 풍속이 3 m/s, 5 m/s, 7m/s일 때의 토크와 RPM을 측정하여 각 경우의 동력계수(0) 분포를 비교하였다.
- 본 연구에서는 전체 상하면 면적 중 허브를 제외 한약 80 %의 개방면을 설정하였다. 이는 대형 구조물 터빈의 경우 재료비와 강도를 고려하여 향후 최적의 값을 구할 필요가 있으므로 개방면적비에 따른 상세한 분석은 수행하지 않았다.
- 제트-휠-터보형 풍력터빈은 입구안내익 (Inlet guide vane)과 측후면안내익 (Side guide vane) 그리고 터보형 의 로터부로 구성되어 있다. 사보니우스 터빈의 낮은 동력 효율을 개선하고 낮은 회전수에서도 토크를 발생하는 장점을 활용하기 위해서 사보니우스 형태의 터빈입구에 입구 안내 익을 설치하였다.
- 红과 务는 각각 측후면안내익의 입구 및 출구 설치각을 나타내며, %와 a, 는 로터 블레이드 회전 방향과 측후면 안내익의 입구 및 출구 접선방향이 이루는 사이각이며, P는 측후면안내익의 피벗 중심축 위치를 표시한다. 상기 측후면안내익은 로터의 회전으로 만들어진 유동을 측후면으로 다시 모이도록 하여 측 후면에서도 에너지 전달이 일어나도록 하여 넓은 범위의 운전 익단속도비를 갖도록 최적값들을 구하였다.
- 또한 입구 조건 중 안내익의 출구 속도를 사전의 계산으로 구한 출구 속도와 일치하도록 ②영역의 입구부의 속도 성분을 구하였다. 안내익의 출구 속도를 현실성 있는 값으로 고정시킴으로써 같은 익단속도비 (入)에서 속도 삼각형을 현실적인 패턴으로 유지하도록 하였다.
- 에는 조밀한 격자계를 구성하였다. 양 옆의 벽면에는 미끄러짐 벽면 조건을 둠으로써 무한 공간에서의 낮은 수렴성 문제를 개선토록 하였다. 또한 입구 조건 중 안내익의 출구 속도를 사전의 계산으로 구한 출구 속도와 일치하도록 ②영역의 입구부의 속도 성분을 구하였다.
- 영역에 대해 회전속도를 부여하여 계산된 것이기 때문에 회전영역을 일정한 각도로 분할하여 각각의 경우에 대한 평균값으로 성능을 구하였다. 본 계산에서는 6도씩 움직이면서 구한 0값들을 평균하여 성능을 나타내었다.
- 13에 나타나 있다. 즉, 상판과 하판이 모두 막혀있는 경우, 한쪽만 개방된 경우, 그리고 상판과 하판 모두 개방된 경우로 나누어 실험을 수행하였다.
- 직선 안내익의 성능모사결과를 이용하여 손실이 적으며 가속성능이 우수한 곡면 안내익을 설계하였다. Fig.
- 5에 나타난 a값은 입구 안내익의 평균 출구 각도를 의미한다. 직선 안내익의 평균 출구각도를 구한 후 각각의 경우에 대해 앞서 구한 최적의 로터 날개 입구 각도에서의 성능 결과를 관찰하였다. 그 결과는 Fig.
- 출구각 등을 변화시켜가며 성능의 변화를 검증하였다. 유동해석을 통해 검증된 입구안내익 출구각도와 로터의 입구 각의 적용 및 로터 상하판의 개방을 통해 0.
- 터빈의 성능은 입구 풍속의 크기와 분포에 매우 큰 영향을 받으며 또한 터빈 상류의 풍속은 풍동 시험부내 막힘 (blockage) 영향으로 불균일하게 되므로 대표적 인 풍속의 정의를 위해서 상류 덕트 내 풍량을 면적으로 나눈 값을 평균 풍속으로 정의하였다. 따라서 유입되는 유동의 속도를 측정하기 위해 풍동 시험부 덕트 입구에 피토관을 설치하였으며, 피토관과 마노미터를 연결하여 평균풍속을 측정할 수 있도록 하였다.
- 본 실험 에서는 로터의 상판과 하판의 허브면을 일정 부분 개방시킨 터빈에 입구안내익과 측후면안내익을 설치하여 성능실험을 수행하였다. 평균 풍속이 3 m/s, 5 m/s, 7m/s일 때의 토크와 RPM을 측정하여 각 경우의 동력계수(0) 분포를 비교하였다. 측정결과는 Fig.
- 풍동시험부 디퓨져는 유동의 불안정성을 최소화 하도록 유선형태로 설계하였으며 끝단에는 가로 700mm, 세로 800 mm인 덕트를 설치하여 출구면 각 부분에서의 유속분포가 1% 내에서 균일하도록 하였다. 본 실험 에서는 로터의 상판과 하판의 허브면을 일정 부분 개방시킨 터빈에 입구안내익과 측후면안내익을 설치하여 성능실험을 수행하였다.
- 25% 이하를 유지한다. 풍속은 피토관과 마노미터 (Digital micro-manometer)를 이용하여 측정하였고, 회전수는 타코미터 (Tacho-meter)로 측정을 하였다. 또한 토크는 파우더 브레이크 (Powder brake) 를 사용하여 터빈에 부하를 주면서 토크미터 (Torque meter RCL-2477)를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
대상 데이터
- 2에서와 같이 직경이 500 mm인 로터를 폭 4, 000 mm의 채널에 둔 형상으로 계산영역을 설정하였다. 계산 영역은 회전영역과 비회전영역으로 나누어 약 11만개 격자점과 10만개의 요소로 구성된 비정렬격자를 생성하였다. 대칭조건이 주어진 Z+평면과 Z-평면사이에는 1개의 격자층으로 하여 격자 수를 효과적으로 제어하였으며, 2D에 가깝게 계산이 수행되도록 하였다.
- 7에서 보듯이 직경 500mm의 로터로써 높이 220 mm 의 크기로 제작을 하였다. 날개수는 13 개 혹은 그 이하로 설정하였으며, 터빈 성능을 확보할생되는 고비용 문제를 고려하여 선정하였다. 로터 날개 입구 각은 상기 유동해석 결과를 반영하여 40° 로 정하였공하였으며, 상판과 하판 양면을 개방 가능하도록 설계를 하여 제작을 하였다.
- 반복수치계산은 수행되는 지배방정식의 잉여값 (Residual)이 10-4 이하가 될 때까지 계산하였다. 본 수치해석에서는 Fig.2에서와 같이 직경이 500 mm인 로터를 폭 4, 000 mm의 채널에 둔 형상으로 계산영역을 설정하였다. 계산 영역은 회전영역과 비회전영역으로 나누어 약 11만개 격자점과 10만개의 요소로 구성된 비정렬격자를 생성하였다.
- 본 실험은 폐회로형 무향풍동 (Closed-type anechoic wind tunnel)에서 수행되었다. Fig.
- 본 연구에서 대상으로 한 제트-휠-터보형 수직축 풍력터빈 형상은 Fig.l에 나타나 있다. 제트-휠-터보형 풍력터빈은 입구안내익 (Inlet guide vane)과 측후면안내익 (Side guide vane) 그리고 터보형 의 로터부로 구성되어 있다.
- 본 연구에서 사용한 수직축 제트-휠-터보형 풍력터빈 모델의 기본적인 터빈 날개 형상은 평판과 원호를 합친 형태로서, Fig.7에서 보듯이 직경 500mm의 로터로써 높이 220 mm 의 크기로 제작을 하였다. 날개수는 13 개 혹은 그 이하로 설정하였으며, 터빈 성능을 확보할생되는 고비용 문제를 고려하여 선정하였다.
데이터처리
- 평균값으로 성능을 구하였다. 본 계산에서는 6도씩 움직이면서 구한 0값들을 평균하여 성능을 나타내었다. 각 경우에 대해 계산된 결과는 Fig.
- 본 수치해석에서는 범용 CFD 코드인 CFX-10(m을 사용하여 계산을 수행하였다. 난류모델로는 k-u SST 모델을 사용하였다.
이론/모형
- 계산을 수행하였다. 난류모델로는 k-u SST 모델을 사용하였다. 반복수치계산은 수행되는 지배방정식의 잉여값 (Residual)이 10-4 이하가 될 때까지 계산하였다.
성능/효과
- 설계하였다. Fig. 6에 나타난 유동해석 결과를 보면 풍속 5 m/s 에서 곡면 안내익을 통과한 후의 각 출구의 유속 평균은 9 m/s가량이며 이는 약 1.93배의 가속효과로서 직선 안내익의 1.18배와 비교하면 우수한 성능을 보인다. 즉, 속도 삼각형에서의 안내익 출구 유속을 더 빠르게 함으로써 로터 입구 속도삼각형에서 영각 (angle of attack)을 크게 하는 효과가 있다.
- 검증하였다. 유동해석을 통해 검증된 입구안내익 출구각도와 로터의 입구 각의 적용 및 로터 상하판의 개방을 통해 0.6에서 0.7사이의 入값에서 동력계수 (<弟)값이 최대 0.59에 달하는 결과를 얻었다. 즉, 측면을 개방하여 유동이 로터 날개에 더 큰 에너지전달을 할 수 있도록 하는 설계를 통해 토크값을 증가 시킬 수 있었으며, 측후면안내익을 설치하여 후면으로 돌아가는 유동이 다시 에너지 전달을 하도록 함으로써 효율을 높일 수 있었다.
- 14에 나타난 결과를 얻을 수 있다. 즉, 입구안내익과 측후면안내익을 모두 설치하였을 때보다는 동력계수 (0)가 낮아졌지만, 허브 면을 개방시켰을 때의 효과는 그래프에서 보듯이 성능에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 59에 달하는 결과를 얻었다. 즉, 측면을 개방하여 유동이 로터 날개에 더 큰 에너지전달을 할 수 있도록 하는 설계를 통해 토크값을 증가 시킬 수 있었으며, 측후면안내익을 설치하여 후면으로 돌아가는 유동이 다시 에너지 전달을 하도록 함으로써 효율을 높일 수 있었다.
- 즉, 측후면안내익의 설치로 최고 효율점에서 익단회전속도비가 증가함을 알 수가 있으며, 터보형 개방면을 설치함에 따라 효율이 증가함을 알 수가 있다. 이 표에서 계산된 동력 계수 (0) 값은 로터의 투영면적을 기준으로 계산된 성능 값이며 괄호 안의 성능 값은 입구안내익 및측후면안내익의 투영면적을 모두 포함시킨 경우에 해당된 값을 나타낸다.
- 현재 수직축 사보니우스 계통의 최고 효율은 약 20% 를 넘지 못하며 날개 3매의 대형 수평축 풍력터빈의 토크 효율이 약 50% 가량임을 감안하면 본 개발결과는 기존 방식에 비해 매우 개선된 결과임을 알 수가 있다. 수평축 터빈의 경우 비교적 고속회전에 따른 날개 피로, 나셀에 설치된 기어 및 발전기의 고수리 비용, 설치 운반 및 소음문제들로 인한 어려움이 있는 반면, 고효율수직축 터빈은 상기 문제들의 심각성이 비교적 완화되므로 향후 효과적 제어 알고리즘의 접목으로 실제 적용이 예상된다.
후속연구
- 본 연구 결과는 대형 터빈의 설계 및 운전에 매우 필요한 고효율 모형실험결과로서, 수직축 터빈의 장점인 모듈형 설계와 임펠러의 용이한 운반성으로 인해 대형풍력발전 시스템의 바탕이 될 것으로 사료된다.
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