[논문]수평축 조류발전 터빈 설계 및 후류 특성 분석

조철희; 김도엽; 이강희; 노유호; 김국현

doi:10.7849/ksnre.2011.7.3.092

수평축 조류발전 터빈 설계 및 후류 특성 분석
Design of Horizontal Axis Tidal Current Power Turbine with Wake Analysis 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.7 no.3, 2011년, pp.92 - 100

조철희 (인하대학교 조선해양공학과) , 김도엽 (인하대학교 조선해양공학과) , 이강희 (인하대학교 조선해양공학과) , 노유호 (인하대학교 조선해양공학과) , 김국현 (동명대학교 조선공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

With the increased demand of clean energy and global warming measures, the renewable energy development has been increased recently. The TCP (Tidal Current Power) is one of the ocean renewable energy sources. Having the high tidal energy source in Korea, there are many potential TCP sites with strong current speed. The rotor, which initially converts the energy, is a very important component because it affects the efficiency of the entire system. The rotor performance is determined by various design parameters including number of blades, shape, sectional size, diameters and etc. However, the interactions between devices also contribute significantly to the energy production. The rotor performance considering the interaction needs to be investigated to predict the exact power in the farm. This paper introduces the optimum design of TCP turbine and the performance of devices considering the interference between rotors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 CFD 해석으로부터 예측된 터빈 성능과 회 류수조 실험에서 측정된 터빈 성능을 비교 검증한다. 터빈의 설계유속은 1.
본 연구에서는 날개요소이론을 이용한 조류발전 터빈의 최적화 설계를 수행하고 CFD 및 회류수조에서 성능을 검증하였다. 또한 후류 영향 연구를 실험을 통해 수행하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 블레이드 요소 운동량 이론을 바탕으로 터빈을 설계하고 CFD 해석을 통해 설계 방법의 타당성을 검토하였다. 또한 회류수조를 이용한 터빈 성능실험 결과를 수치 해석 결과와 비교하였다.

제안 방법

토크미터, 타코미터, 발전기가 포함된 실험장비를 구비하였다. 발전기 후단에 가변저항을 설치하여 일정 유속에서 터빈의 회전속도를 조정 가능하도록 하였으며, 각 회전속도에서의 토크를 측정하여 터빈의 효율을 계산하였다.
본 연구에서 3차원 정상상태 유동장의 해석을 위하여 범용 CFD 해석 프로그램인 ANSYS CFX v11 SP1을 이용하였으며, 로터 자체의 성능 평가를 위하여 로터 이외의 발전기, 지지구조물 등의 부가적인 요소는 제외하였다.
또한 회류수조를 이용한 터빈 성능실험 결과를 수치 해석 결과와 비교하였다. 본 연구에서 설계한 터빈을 회류수조에 다배열로 설치하여 터빈 간격별 후류영향을 실험스케일로 검토하였다.
블레이드 요소 운동량 이론을 바탕으로 3블레이드 터빈을 설계하고, CFD 해석으로부터 예측된 성능과 회류수조 실험에서 측정된 성능을 비교 검증하였다. 주속비(TSR) 5.
블레이드에서 발생하는 토크의 예측을 위해 블레이드 주변에 조밀한 prism-Layer를 구성하였고, 나머지 영역은 tetraprism 격자계로 구성하였다.
터빈의 다배열로 인한 후류 영향 실험을 터빈 간격별로 수행하였다. 터빈은 2절에서 설계한 3 블레이드 모델을 적용하였으며 Fig.
회류수조 실험과의 비교를 위하여 외부영역은 회류수조 관측영역과 동일한 직육면체 형상으로 모델링하였다. 외부영역은 폭 1m, 길이 4.

대상 데이터

회류수조에서 터빈의 성능실험이 수행되었으며 Table 3에 제원을 나타냈다. 토크미터, 타코미터, 발전기가 포함된 실험장비를 구비하였다. 발전기 후단에 가변저항을 설치하여 일정 유속에서 터빈의 회전속도를 조정 가능하도록 하였으며, 각 회전속도에서의 토크를 측정하여 터빈의 효율을 계산하였다.

데이터처리

본 연구에서는 블레이드 요소 운동량 이론을 바탕으로 터빈을 설계하고 CFD 해석을 통해 설계 방법의 타당성을 검토하였다. 또한 회류수조를 이용한 터빈 성능실험 결과를 수치 해석 결과와 비교하였다. 본 연구에서 설계한 터빈을 회류수조에 다배열로 설치하여 터빈 간격별 후류영향을 실험스케일로 검토하였다.

이론/모형

난류 모델은 박리를 수반하는 익형 주위의 비정상 유동장을 고려하여 k-w SST 모델을 사용하여 해석을 수행하였다. k-w SST 모델은 난류전단응력의 수송을 계산하여 역 압력 구배에 의해 발생하는 유동박리 크기와 발생 시점을 정확히 예측할 수 있으며, 쉽게 자동 벽 처리법(Automatic wall treatment)으로 확장이 가능하여 격자의 y+에 무관하게 해석의 정확성을 확보할 수 있다.
블레이드 날개 끝 와류의 발생으로 인한 순환분포의 감소는 날개 끝 손실을 발생시키고 이를 예측하기 위한 방법으로 1919년 Ludwig Prandtl이 제안한 식 (3)을 날개 끝 손실 예측모델로 적용하였다.

성능/효과

Fig. 18에서와 같이 1D 간격에 비해 1.5D 간격에서의 감소율이 적은 것을 실험을 통해 확인하였고, 이를 통해 터빈 간격이 증가할수록 감소율이 줄어들 것이라 예상할 수 있다.
회류수조를 이용한 후류 영향 실험에서 터빈의 배열이 증가함에 따라 후류 터빈에서의 rpm 감소율이 감소함을 확인했다. 또한 터빈 간격이 증가할수록 감소율이 줄어드는 현상을 검증하였다.
주속비(TSR) 2.0∼7.6의 실험결과 중 각각의 토크 값을 측정하여 유입유속 1.0m/s에 대한 조류터빈의 성능곡선은 Fig. 13과 같고, 출력계수 최대값은 CFD 성능해석 결과와 같은 주 속비 5에서 약 0.46으로 측정되었다.
주속비가 5보다 커질 경우 최대양항비의 받음각보다 받음각이 작아 양력이 감소하여 토크가 줄어들게 된다. 주속비에 따른 유선분포를 통해 유동각, 받음각, 주속비 사이의 유동 메커니즘을 확인 할 수 있고 비틀림각 및 블레이드 전체 설계의 적합성을 판단할 수 있다.
회류수조를 이용한 후류 영향 실험에서 터빈의 배열이 증가함에 따라 후류 터빈에서의 rpm 감소율이 감소함을 확인했다. 또한 터빈 간격이 증가할수록 감소율이 줄어드는 현상을 검증하였다.
후류 영향에 의한 두 번째 및 세 번째에 위치한 터빈의 rpm 감소율은 Fig. 16과 Fig. 17과 같으며 유속이 증가할수록 rpm 감소율이 적어짐을 확인하였다. 후류 터빈의 rpm은 상류 터빈의 rpm보다 낮게 측정되었고, 터빈의 수가 증가함에 따라 후류 터빈에서의 rpm 감소율은 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈은 어떻게 구분되는가?	조류발전 시스템은 조류의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 전기를 얻는 방식이다. 터빈은 유향과 회전축 방향에 따라 크게 HAT과 VAT로 구분되며 세계적으로 HAT 방식의 로터 실용화 연구가 주를 이루고 있다.
	조류발전 시스템이란?	조류발전 시스템은 조류의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 전기를 얻는 방식이다. 터빈은 유향과 회전축 방향에 따라 크게 HAT과 VAT로 구분되며 세계적으로 HAT 방식의 로터 실용화 연구가 주를 이루고 있다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Bernshtein, Lev B., 1995, "Tidal Power Development - A Realistic, Justifiable and Topical Problem of Today", IEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 10, pp. 591-599.

상세보기
Shiono, M., Suzuki, K. and Kiho, S., 1999, "Experiments on the Characteristics of Darrious Turbine for the Tidal Power Generation", Proceeding of the ninth International Offshore and Polar Engineering Conference, Vol. 1, pp. 123-128.
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Jo, C.H., Lee, K.H., Song, S.H. and Yim, J.Y., 2009, "Interference Effects for Various HAT Tidal Current Rotors by Experiment", The Korean Association of Ocean Science and Technology Societies Conference, pp. 1791-1794.

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