[논문]6kW급 수직축 풍력발전기 형상 및 구조설계

김동현; 최현철; 이종욱; 류경중; 김성복; 김광원; 남효우; 이명구

doi:10.5293/kfma.2011.14.2.052

문제 정의

본 연구에서는 기존의 800 W급 수직축 풍력발전기의 성공적인 개발⁽¹⁾과 축척된 관련 기술을 기반으로 6 kW급 양력형 수직축 풍력발전기를 개발하였다. 이를 위해 기존의 특허 등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다.
이를 위해 기존의 특허 등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다. 하지만 본 논문에서는 지면관계상 설계 개선을 거친 최종 모델에 대한 연구내용을 기술하고자 한다.
본 논문은 지식경제부 기술혁신사업 중 6 kW급 고효율 양력형 수직축 풍력발전기 개발(헵시바(주)와 공동수행) 및 에너지자원인력양성사업의 일환으로 수행되었다.

제안 방법

과 축척된 관련 기술을 기반으로 6 kW급 양력형 수직축 풍력발전기를 개발하였다. 이를 위해 기존의 특허 등록된 기술을 활용하였으며, 3차원 CAD 및 CAE 정밀해석 기술을 적용하여 다양한 특수환경에 대한 풍동 및 차량실험을 수행하면서 설계 개선 과정을 거쳤다. 하지만 본 논문에서는 지면관계상 설계 개선을 거친 최종 모델에 대한 연구내용을 기술하고자 한다.
본 개발과제에서 개발된 풍력발전기는 크게 허브와 블레이드를 합한 상부 구조물, 전기 발전기와 연결조인트의 중간 구조물, 풍력발전기 타워와 베이스 프레임의 하부구조물로 나누어진다. Fig.
본 모델은 수직축 풍력 발전기의 분류상 자이로밀형(gyromill type)으로 수직으로 체결된 에어포일 단면의 블레이드가 풍향에 대하여 자동적으로 최적의 받음각(angle of attack)을 얻는 구조를 갖는다. 다른 형태의 수직축 발전기인 다리우스형(darrieus type)이나 사보니우스형(savonius type)보다 구조적으로 복잡하여 설계하기가 힘든 단점이 있지만 효율이 높은 것이 특징이다.
본 연구에서는 정밀 CFD 유동해석 기법을 적용하여 다양한 모델에 대해 TSR 변화에 따른 파워계수 최적화 연구를 수행하였으며, Fig. 4는 이번 연구에서 사용된 TSR에 따른 출력계수 비교 예를 보여주고 있다.
5와 같으며, 활용된 총 격자수는 49,784 개이며, 총 노드의 수는 50,138개 이다. 유동해석 조건은 3개의 블레이드에 x-축 방향으로 극한 풍속(ultimate speed) 25 m/s를 부여하였고, 로터 블레이드의 회전속도는 정격 회전속도(rated rotation speed)보다 높은 300 RPM을 고려하였다. 블레이드와 블레이드 유동영역간의 상대운동을 비정상 공력해석에 반영하기 위해서 MRF(multiple rotating reference frames)조건을 이용하여 회전조건을 적용하였다.
유동해석 조건은 3개의 블레이드에 x-축 방향으로 극한 풍속(ultimate speed) 25 m/s를 부여하였고, 로터 블레이드의 회전속도는 정격 회전속도(rated rotation speed)보다 높은 300 RPM을 고려하였다. 블레이드와 블레이드 유동영역간의 상대운동을 비정상 공력해석에 반영하기 위해서 MRF(multiple rotating reference frames)조건을 이용하여 회전조건을 적용하였다. Fig.
회전하는 블레이드는 바람이 불어오는 방향에 대해 항상 방위각이 변하기 때문에 비정상유동해석이 반드시 요구된다. 다양한 유동조건에 대해 해석이 수행되었으며, 각 블레이드에 유발되는 최대 하중을 산출하여 적용하였다. Fig.
각 블레이드에 작용하는 하중은 블레이드의 방위각에 따라 회전속도와 풍속의 합벡터 차이로 인한 상대 받음각 변화 때문에 방위각에 따라 변화하게 된다. 본 연구에서는 각 블레이드에 작용하는 하중을 방위각에 따라 구한 후 최대 하중이 되는 조건들을 구하여 구조해석에 반영하였다.
유동해석에서 구한 공력하중을 3 개의 블레이드에 모두 적용하였고 중력 효과를 고려하기 위해 구조물 전체에 9.81 m/s²의 가속도를 부가하였다.
풍력발전기 모델에서 마스트는 1차원 beam 요소를 사용하였으며, 블레이드와 블레이드 고정 구조물과 같이 일정한 두께를 가지는 부분은 4질점 shell 요소를 사용하였다. 유한 요소모델링에 사용된 총 질점(node) 수는 266,834 개이며, 총 요소(element) 수는 277,887 개이다.
본 모델의 경계조건은 블레이드와 블레이드 고정구조물 사이에는 면 접촉을 가지는 glue 조건을 부여하였으며, 블레이드 고정 구조물과 블레이드 암 결합은 bolt 체결구조로써 블레이드 암 끝단과 블레이드 고정 구조물 체결부만을 선택하여 fixed 조건을 사용하였다. 그리고 마스트의 하단부에 6자유도를 구속하여 전기발전기에 단단히 고정하는 clamp 조건을 부가하였다.
특히, 풍력발전기의 경우 블레이드가 회전하는 효과를 반드시 반영하여야 하기 때문에 응력해석수준에 상세 유한요소모델을 적용하게 되면 해석시간이 방대해져서 설계 변경 안에 대한 진동안전성 결과를 조기에 도출할 수 없다. 그래서 Fig. 12에서와 같이 상세유한요소모델에 준하는 등가 보 요소를 이용한 진동 모델을 구축하였으며 이를 이용한 진동해석을 수행하였다.⁽³⁾
13에서는 고유 진동수가 증가함에 따라 반복되는 모드를 제외한 대표적인 모드들을 나타내고 있다. 1차 모드(1st mode)에서 고유진동 수가 7.0 Hz로 외부가진 조건인 정격 회전속도 영역보다 상당히 높은 고유진동수를 갖도록 설계되었으며 이를 통하여 기본적인 공진 회피설계를 수행하였다.
추가 해석은 Fig. 15와 같이 마스트 끝단에서의 변위가 3cm 발생하도록 편심도 0.57°를 적용하였으며 3 개의 블레이드 중 1 개의 블레이드에 대하여 5 %의 추가 질량을 부가하여 Unbalance Mass Effect를 고려하여 해석을 수행하였다.
57°를 적용하였으며 3 개의 블레이드 중 1 개의 블레이드에 대하여 5 %의 추가 질량을 부가하여 Unbalance Mass Effect를 고려하여 해석을 수행하였다. 해석은 Campbell Chart에서 표시된 공진 가능영역으로 판단된 교차점 부근인 150, 200, 220, 250, 300 RPM에 대하여 수행 하였으며, 이에 대한 해석결과 값은 Fig. 16과 같다. Fig.
본 연구에서는 6 kW급 수직축 CFD 기법을 이용한 성능해석 및 FEM 기법을 이용한 구조 건전성 해석을 수행하였다. 그리고 회전하는 블레이드의 풍하중, 관성력, 중력이 복합적으로 작용하는 하중조건을 모두 고려하였으며, 실제 실험이 불가능한 극한 풍하중 조건에 대해서는 정밀해석 결과로 설계 시스템의 안전성을 검토하였다.
본 연구에서는 6 kW급 수직축 CFD 기법을 이용한 성능해석 및 FEM 기법을 이용한 구조 건전성 해석을 수행하였다. 그리고 회전하는 블레이드의 풍하중, 관성력, 중력이 복합적으로 작용하는 하중조건을 모두 고려하였으며, 실제 실험이 불가능한 극한 풍하중 조건에 대해서는 정밀해석 결과로 설계 시스템의 안전성을 검토하였다. 그 중 하나로 풍력발전기 마스트 제작 시 편심을 고려하여 진동응답해석을 수행하였으며, 정격 회전수 300 RPM 수준까지 진동안전성을 확보하였다.
그리고 회전하는 블레이드의 풍하중, 관성력, 중력이 복합적으로 작용하는 하중조건을 모두 고려하였으며, 실제 실험이 불가능한 극한 풍하중 조건에 대해서는 정밀해석 결과로 설계 시스템의 안전성을 검토하였다. 그 중 하나로 풍력발전기 마스트 제작 시 편심을 고려하여 진동응답해석을 수행하였으며, 정격 회전수 300 RPM 수준까지 진동안전성을 확보하였다. 향후 6 kW 수직축 풍력발전기 지상용 타워구조와 건물 옥상설치용 타워의 설계를 진행할 계획이다.

대상 데이터

로터 블레이드 모델의 유한요소 격자는 Fig. 5와 같으며, 활용된 총 격자수는 49,784 개이며, 총 노드의 수는 50,138개 이다. 유동해석 조건은 3개의 블레이드에 x-축 방향으로 극한 풍속(ultimate speed) 25 m/s를 부여하였고, 로터 블레이드의 회전속도는 정격 회전속도(rated rotation speed)보다 높은 300 RPM을 고려하였다.

성능/효과

11(b)은 풍력발전기의 주요 부분에 대한 응력해석 결과 값의 예를 보여주고 있다. 해석결과 일체형 암－허브 구조, 블레이드－암 체결부, 블레이드 등 각 부위에서 발생한 응력 모두 각 재질에 따른 허용응력보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었으며, 이 해석결과를 토대로 각재질의 허용응력과 비교하여 M.S(Margin of Safety)를 계산하였다. 블레이드의 경우 해석결과 188.
3의 안전여유를 가지고 있다. 그리고 블레이드－암 조인트는 177.0 MPa, 암은 49.0 MPa로 충분한 안전여유를 확보하고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서는 전체 풍력발전기 모델 중 상부구조물에 대한 공력 해석 및 구조 진동해석을 수행 하였으며, 타워 구조물과 베이스 프레임의 하부 구조물의 경우 추후에 연구를 진행할 계획이다.
Hau⁽²⁾는 수평축과 관련하여 낮은 공력효율, 불리한 공력하중, 블레이드의 높은 가격은 다른 부품을 단순화해서 보상해야 경쟁력이 있다고 설명하고 있다. 본 연구에서는 다년간의 대형 풍력발전기의 정밀 해석 연구에서 축적된 전문적인 CAE 해석기술을 활용하여 공력해석 및 구조/진동 해석을 수행하여 운용하중에 대한 안전성을 검증하였고 추후에 실제 크기의 시제품을 제작하여 자체 구축한 차량장착 시험시스템을 활용하여 성능 및 안정성을 검증할 계획이다.
그 중 하나로 풍력발전기 마스트 제작 시 편심을 고려하여 진동응답해석을 수행하였으며, 정격 회전수 300 RPM 수준까지 진동안전성을 확보하였다. 향후 6 kW 수직축 풍력발전기 지상용 타워구조와 건물 옥상설치용 타워의 설계를 진행할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수직축 풍력터빈이 유동 패턴이 불규칙한 도심 건물에 적용이 유리한 이유는?	또한 수평축보다 비교적 낮은 회전속도에서 정격출력으로 발전을 하기 때문에 저소음 전력 생산이 가능하며 풍향변화에 둔감하기 때문에 유동패턴이 불규칙적인 도심 건물 등에 운용하기가 유리하다.
	수직축 풍력터빈이 요잉 장치가 불필요한 이유는?	1과 같이 수평축과 수직축으로 나눌 수 있다. 수직축 풍력터빈 (VAWT, vertical-axis wind turbine)은 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하기 때문에 요잉(yawing) 장치가 불필요한 장점이 있다.
	TSR은 무엇에 영향을 미치는가?	일반적으로 출력계수(power coefficient)와 토크계수(torque coefficient)는 TSR(tip-speed ratio)에 따라 변화하게 된다. 따라서 블레이드의 코드길이를 증가시키면 저속에서 기동 특성은 개선할 수 있으나 과도할 경우 이는 제한된 크기에서 solidity를 너무 증가시키게 되고 고속회전을 방해하게 되어 중속 및 고속에서 전체 출력특성은 오히려 나빠지게 되는 단점이 있을 수 있다.

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