[논문]수직축 조류발전 터빈의 유체공학적 용량 산정기법 개발

이대형; 현범수; 이정기; 김문찬; 이신형

doi:10.7846/jkosmee.2012.15.2.142

수직축 조류발전 터빈의 유체공학적 용량 산정기법 개발
Development of Hydrodynamic Capacity Evaluation Method for a Vertical-Axis Tidal Stream Turbine 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.15 no.2, 2012년, pp.142 - 149

이대형 (한국해양대학교 조류발전원천기술연구센터) , 현범수 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 이정기 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 김문찬 (부산대학교 조선.해양공학과) , 이신형 (서울대학교 조선.해양공학과)

초록
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다양한 축척을 갖는 조류발전용 수직축 터빈의 유속과 직경의 변화가 터빈의 유체공학적 효율에 미치는 영향을 수치적으로 연구하였다. 수치해석은 직경 산정식을 사용하여 도출된 동일형상의 다양한 치수의 기준터빈에 대하여 수행되었으며 유속과 직경 변화에 따른 효율의 차이에 대해 알아보았다. 해석결과 터빈의 효율은 레이놀즈 수 변화에 따라 체계적으로 증가하는 것을 확인하였으며, 이로부터 크기가 다른 동일형상의 터빈의 성능은 TSR(Tip Speed Ratio)과 레이놀즈수(Reynolds number)만의 함수로 표시할 수 있음을 알 수 있었다. 이상의 수치해석 결과를 이용하여 수직축 터빈 초기설계단계에서 필요한 간편한 용량산정기법을 제안하고 유속, 직경, 터빈회전수 간의 상호관계를 다양한 관점에서 도표화 하였다. 본 연구는 터빈용량 10 kW~300 kW 사이의 수직축 터빈 초기설계 시에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with the investigation of the scale effect for the vertical-axis tidal stream turbine by evaluating the hydrodynamic efficiency of turbine rotors of different diameters at different flow conditions. Numerical analyses are made for the turbine rotors with a same shape, but different sizes obtained using the diameter evaluation equation suggested in this paper. It is shown that the performance of turbine is clearly dependent upon the rotor size and inflow velocity, i.e. Reynolds number dependency of different-scaled turbines showing better efficiency with increasing Reynolds number. The sudden decrease of efficiency is also noticed around the transition region of Reynolds number. The hydrodynamic capacity evaluation method needed at initial stage of turbine design is suggested and exercised with some test cases. It is recommended that the method is expected to be useful for turbines with demanding powers between 10 kW and 300 kW.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한편 터빈 설계자의 경우 특정 해역에서 목표로 하는 발전용량을 미리 가정한 후에 유속조건에 맞는 최적의 터빈 직경을 산정하는 차트가 필요할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 발전용량이 100 kW인 표준터빈을 설계하는 경우를 가정하여 요구되는 선도를 도출하여 보았다. 터빈의 운전점은 TSR=3으로 정하였다.
본 연구에서는 요구발전량에 적합한 터빈 직경을 도출하고 유속과 직경의 변화에 따른 성능의 변화를 레이놀즈 수의 영향으로 고려하여 다양한 축척과 유속에 대한 터빈의 성능변화에 대해 조사하고자 한다. 문제의 단순화를 위하여 터빈의 형상은 고정하였으며, 이를 바탕으로 터빈 초기설계를 수행하는데 있어 필요한 유체공학적 용량산정 기법을 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 요구발전량에 적합한 터빈 직경을 도출하고 유속과 직경의 변화에 따른 성능의 변화를 레이놀즈 수의 영향으로 고려하여 다양한 축척과 유속에 대한 터빈의 성능변화에 대해 조사하고자 한다. 문제의 단순화를 위하여 터빈의 형상은 고정하였으며, 이를 바탕으로 터빈 초기설계를 수행하는데 있어 필요한 유체공학적 용량산정 기법을 제안하고자 하였다.
이상에서 임의의 해역에 대한 유역정보를 아는 경우 적합한 터빈의 크기와 운전조건을 결정하는 방법을 소개하였다. 한편 터빈 설계자의 경우 특정 해역에서 목표로 하는 발전용량을 미리 가정한 후에 유속조건에 맞는 최적의 터빈 직경을 산정하는 차트가 필요할 수 있다.

가설 설정

본 연구는 범용 수치해석 코드인 FLUENT를 이용하여 2차원 터빈의 성능 해석을 수행하였다. H-다리우스 터빈은 날개끝에서 3차원 영향이 존재하는 것은 사실이나 터빈의 스팬 방향으로 형상 변화가 없기 때문에 상대적으로 3차원 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단하여 편의상 2차원으로 가정하여 해석을 수행하였으며(조류발전원천기술연구센터[2010]) 스팬-코드비에 따른 날개의 3차원 영향에 대하여는 Li 등[2010b]의 해석결과를 바탕으로 보정하였다. 수치해석 기법은 정 등[2009]과 한 등[2010]이 적용한 방법을 바탕으로 수행하였으며, 난류 모델은 회전체 유동해석시 정도가 높다고 알려진 k- SST 모델을 사용하였다.
또한, 슬라이딩 메쉬 기법을 이용한 선박용 프로펠러의 성능 해석 시 time step당 회전각도를 5° 사용하는 점을 감안하여 날개의 받음각 변화가 더 심한 수직축 터빈에서는 한 time step당 회전각도를 2o 정하였다.
이로부터 발전용량(Rated power, Pr), 유속, 동력계수, 스팬-직경비(H/D) 및 발전기(Generator) 효율(η)을 고려하여 직경을 산출할 수 있는데, 반복계산시 초기값으로 CP는 0.4, η는 0.9로 가정하였다.
따라서 본 연구에서는 발전용량이 100 kW인 표준터빈을 설계하는 경우를 가정하여 요구되는 선도를 도출하여 보았다. 터빈의 운전점은 TSR=3으로 정하였다.

제안 방법

(1) 슬라이딩메쉬 기법을 이용한 2차원 터빈의 유동해석을 통해 수직축 다리우스터빈의 직경산정을 비롯한 기준터빈의 제원을 도출하였다.
(4) 조류속도와 터빈직경 각각의 변화에 따른 용량산정용 차트들을 구성하여 설계조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 실용적인 설계도구를 구축하였다. 또한 발전용량이 주어진 경우 최적 터빈의 직경과 조류속도의 관계를 손쉽게 파악할 수 있는 방법을 제안하였다.
5와 같이 GAMBIT을 사용하였는데, 계산영역은 터빈 전방과 측면으로 10D, 후방으로 20D로 충분한 거리를 주었다. 경계조건은 터빈 전방과 측면 방향은 각각 유출입 조건으로 Velocity inlet과 Pressure outlet 조건을 주었으며, 터빈 회전부의 경계와 터빈 밖의 경계에는 Interface 조건을 주어 회전을 구현하였다. 터빈의 회전을 구현하기 위하여 슬라이딩 메쉬(Sliding mesh)기법을 사용하였고 y+는 난류모델에 적합하게 5이하가 되도록 구조격자계(Structured mesh)로 구성하였다.
정해진 조류속도에서 터빈의 크기에 따른 성능의 변화를 차트화하는 것도 터빈을 초기설계하거나 조류발전단지를 조성하고자 할때 참고가 되는 의미있는 작업이다. 따라서 조류속도가 1, 1,5, 2 m/s인 세 가지 유속조건에서 터빈의 직경을 변화시켜 보았다. Fig.
(4) 조류속도와 터빈직경 각각의 변화에 따른 용량산정용 차트들을 구성하여 설계조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 실용적인 설계도구를 구축하였다. 또한 발전용량이 주어진 경우 최적 터빈의 직경과 조류속도의 관계를 손쉽게 파악할 수 있는 방법을 제안하였다.
터빈 성능에 미치는 레이놀즈수의 영향을 파악하기 위해 형상이 동일하고 직경이 다른 두 터빈을 대상으로 레이놀즈수를 Table 3과 같이 변화시켜 가면서 그 영향을 확인하였다. 레이놀즈수를 다르게 하기 위해 유속과 각속도를 체계적으로 변경하였으며 그 결과를 각각의 동일 TSR조건에서 비교하였다. Fig.
본 연구는 범용 수치해석 코드인 FLUENT를 이용하여 2차원 터빈의 성능 해석을 수행하였다. H-다리우스 터빈은 날개끝에서 3차원 영향이 존재하는 것은 사실이나 터빈의 스팬 방향으로 형상 변화가 없기 때문에 상대적으로 3차원 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단하여 편의상 2차원으로 가정하여 해석을 수행하였으며(조류발전원천기술연구센터[2010]) 스팬-코드비에 따른 날개의 3차원 영향에 대하여는 Li 등[2010b]의 해석결과를 바탕으로 보정하였다.
2로 정하였다. 이를 토대로 100 kW급 수직축 터빈의 직경을 구하였고, 솔리디티 범위에 따른 터빈의 성능변화에 대한 연구(조류발전원천기술연구센터[2010])를 바탕으로 솔리디티를 0.085로 정한 후 그에 따른 코드 길이와 날개수를 정하였다. 본 연구에서 기준터빈으로 선정한 최종 터빈의 제원은 Table 2 및 Fig.
이상과 같이 주어진 기준터빈에 대하여 유동조건에 따라 터빈의 직경을 산정하고 성능자료를 도출하는 방법을 제안하였다. 이는 선박용 프로펠러의 초기설계시 계열자료를 이용하는 설계법과 유사한 개념으로서, 본 논문에서 소개한 차트들은 터빈의 형상이 달라지는 경우 사용에 제한이 있을 수 있다.
조류발전용 수직축 터빈의 유체공학적 용량산정 기법을 개발하기 위하여 수치해석을 수행하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다.
조류속도에 따른 레이놀즈수의 영향을 보다 쉽게 파악하기 위하여 두 가지 직경의 터빈에서 해석을 수행하였고 직경이 작은 경우와 큰 경우로 나누어 비교하였다. 용량산정시 설계조건은 조류속도가 2.
터빈 성능에 미치는 레이놀즈수의 영향을 파악하기 위해 형상이 동일하고 직경이 다른 두 터빈을 대상으로 레이놀즈수를 Table 3과 같이 변화시켜 가면서 그 영향을 확인하였다. 레이놀즈수를 다르게 하기 위해 유속과 각속도를 체계적으로 변경하였으며 그 결과를 각각의 동일 TSR조건에서 비교하였다.
수치해석 기법은 정 등[2009]과 한 등[2010]이 적용한 방법을 바탕으로 수행하였으며, 난류 모델은 회전체 유동해석시 정도가 높다고 알려진 k- SST 모델을 사용하였다. 해석시 유동영역이 천이영역을 일부 포함하기 때문에 Transition 옵션을 적용하였다.

대상 데이터

[2007]의 실험 및 2차원 계산결과와 비교하였다. 검증에 사용한 터빈은 날개수가 3개인 NACA 65₄-021 단면으로서 직경은 0.91 m, 코드 길이는 0.068 m이다. TSR=3.
격자생성은 Fig. 5와 같이 GAMBIT을 사용하였는데, 계산영역은 터빈 전방과 측면으로 10D, 후방으로 20D로 충분한 거리를 주었다. 경계조건은 터빈 전방과 측면 방향은 각각 유출입 조건으로 Velocity inlet과 Pressure outlet 조건을 주었으며, 터빈 회전부의 경계와 터빈 밖의 경계에는 Interface 조건을 주어 회전을 구현하였다.
터빈의 회전을 구현하기 위하여 슬라이딩 메쉬(Sliding mesh)기법을 사용하였고 y+는 난류모델에 적합하게 5이하가 되도록 구조격자계(Structured mesh)로 구성하였다. 격자수는 일반적으로 회전하는 로터 부근에 130,000개, 외부영역에 40,000개 정도로 하여 총 170,000개를 사용하였다. 격자의존도는 정 등[2009], 한 등[2010]의 유사계산을 통하여 검증한 바 있으므로 여기에는 별도로 수록하지 않았다.
수직축 터빈의 주요 설계변수는 터빈의 날개수(Z), 솔리디티 (σ), 직경스팬비(H/D)가 있으며(한 등[2010]) 본 연구에서 채택한 수직축 H-다리우스 터빈의 형상은 Fig. 1과 같다.

데이터처리

유동해석 결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 Klaptocz et al.[2007]의 실험 및 2차원 계산결과와 비교하였다. 검증에 사용한 터빈은 날개수가 3개인 NACA 65₄-021 단면으로서 직경은 0.

이론/모형

H-다리우스 터빈은 날개끝에서 3차원 영향이 존재하는 것은 사실이나 터빈의 스팬 방향으로 형상 변화가 없기 때문에 상대적으로 3차원 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단하여 편의상 2차원으로 가정하여 해석을 수행하였으며(조류발전원천기술연구센터[2010]) 스팬-코드비에 따른 날개의 3차원 영향에 대하여는 Li 등[2010b]의 해석결과를 바탕으로 보정하였다. 수치해석 기법은 정 등[2009]과 한 등[2010]이 적용한 방법을 바탕으로 수행하였으며, 난류 모델은 회전체 유동해석시 정도가 높다고 알려진 k- SST 모델을 사용하였다. 해석시 유동영역이 천이영역을 일부 포함하기 때문에 Transition 옵션을 적용하였다.
경계조건은 터빈 전방과 측면 방향은 각각 유출입 조건으로 Velocity inlet과 Pressure outlet 조건을 주었으며, 터빈 회전부의 경계와 터빈 밖의 경계에는 Interface 조건을 주어 회전을 구현하였다. 터빈의 회전을 구현하기 위하여 슬라이딩 메쉬(Sliding mesh)기법을 사용하였고 y+는 난류모델에 적합하게 5이하가 되도록 구조격자계(Structured mesh)로 구성하였다. 격자수는 일반적으로 회전하는 로터 부근에 130,000개, 외부영역에 40,000개 정도로 하여 총 170,000개를 사용하였다.

성능/효과

(2) 다양한 터빈 직경과 조류속도에 대한 수치해석결과를 정리한결과 터빈의 효율, 즉 동력계수는 TSR과 레이놀즈수에 따라 결정됨을 확인하였다.
(3) 동력계수는 레이놀즈수 증가에 따라 증가하였으며 이상의 난류영역에서만 정도의 비교적 큰 차이를 보였다. 층류 및 천이영역에서는 그보다 훨씬 큰 차이를 보였으나 이는 정성적으로 의미있는 결과이나 정량적으로는 수치해석의 신뢰성 측면에서 추후 보다 깊이있는 분석이 요구된다.
(5) 본 연구에서 제안하는 용량산정기법은 초기설계단계에서 효용성이 크리라 판단된다. 다만 10 kW 미만의 터빈은 수치해석 상의 불확실성으로, 300 kW 이상의 터빈은 구조진동관점에 취약한 수직축 터빈의 특성상 사용에 주의를 해야 할 것이다.
10은 TSR에 따른 레이놀즈수별 동력계수를 쉽게 파악하기 위하여 변환시킨 그림이다. 수치해석한 범위내의 전 TSR 영역에서 거의 동일한 경향으로 레이놀즈수의 영향이 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig.
12와 같이 성능차트를 구성하였다. 예측한 바와 같이 직경 0.8 m에서 최대효율이 직경 5m인 경우보다 동력계수가 0.1 정도 작게 얻어지며, 최대동력은 각각 5 kW, 300 kW 까지 흡수할 수 있는 것으로 평가된다. 터빈 로터의 각속도가 낮아질수록, 즉 TSR이 작아질수록 동력계수 선도가 좌측으로 거의 평행이동하고 있음도 확인할 수 있다.
1 정도 작게 얻어지며, 최대동력은 각각 5 kW, 300 kW 까지 흡수할 수 있는 것으로 평가된다. 터빈 로터의 각속도가 낮아질수록, 즉 TSR이 작아질수록 동력계수 선도가 좌측으로 거의 평행이동하고 있음도 확인할 수 있다.

후속연구

레이놀즈수가 보다 작은 경우 동력계수가 급격히 작게 예측되는 것을 볼 수 있는데 이는 터빈날개 주위의 유동이 층류 혹은 천이영역에 해당되기 때문으로 보인다. 결국 본 터빈의 최대효율을 일정값 이상으로 유지하려면 터빈의 크기와 조류속도에 그에 합당한 한계치가 설정되어야 함을 알 수 있다. 이로부터 동일 형상의 터빈 성능은 다음과 같이 TSR과 레이놀즈수의 함수 만으로 표시하는 것이 가능하다.
다만 수직축터빈 1기의 용량이 300 kW 이상이 되는 것은 구조진동측면에서 어려움이 예상되기 때문에 MW 규모의 시스템을 설계할 경우에는 수평축 터빈을 택하는 것이 유리할 것이다. 또한 본 연구에서 수행한 수치해석의 신뢰성 측면에서 볼 때 조류속도가 낮아지거나 터빈의 직경이 작아서 해당되는 터빈의 레이놀즈수가 천이역에 속하게 된다면 정도상 다소의 문제가 있을 수 있으므로 본 차트를 이용할 때 주의가 필요할 것으로 사료된다.
이상과 같이 주어진 기준터빈에 대하여 유동조건에 따라 터빈의 직경을 산정하고 성능자료를 도출하는 방법을 제안하였다. 이는 선박용 프로펠러의 초기설계시 계열자료를 이용하는 설계법과 유사한 개념으로서, 본 논문에서 소개한 차트들은 터빈의 형상이 달라지는 경우 사용에 제한이 있을 수 있다. 하지만 초기설계시 가장 중요한 것이 해당 해역에 설치할 터빈의 직경을 산출하는 것이기 때문에 날개단면이나 솔리디티 등과 같이 부수적인 성능개선 인자들의 영향은 추후 상세설계 단계에서 충분히 반영할 수 있는 설계인자로 본다면 초기설계 단계에서 본 용량산정기법의 효용성은 충분히 크리라 판단된다.
(3) 동력계수는 레이놀즈수 증가에 따라 증가하였으며 이상의 난류영역에서만 정도의 비교적 큰 차이를 보였다. 층류 및 천이영역에서는 그보다 훨씬 큰 차이를 보였으나 이는 정성적으로 의미있는 결과이나 정량적으로는 수치해석의 신뢰성 측면에서 추후 보다 깊이있는 분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수직축 터빈의 주요 설계변수는 무엇이 있는가?	수직축 터빈의 주요 설계변수는 터빈의 날개수(Z), 솔리디티 (σ), 직경스팬비(H/D)가 있으며(한 등[2010]) 본 연구에서 채택한 수직축 H-다리우스 터빈의 형상은 Fig. 1과 같다.
	본 논문에서 조류발전용 수직축 터빈의 유체공학적 용량산정 기법을 개발하기 위하여 수치해석을 수행하였고 어떤 결과를 도출하였는가?	(1) 슬라이딩메쉬 기법을 이용한 2차원 터빈의 유동해석을 통해 수직축 다리우스터빈의 직경산정을 비롯한 기준터빈의 제원을 도출하였다. (2) 다양한 터빈 직경과 조류속도에 대한 수치해석결과를 정리한결과 터빈의 효율, 즉 동력계수는 TSR과 레이놀즈수에 따라 결정됨을 확인하였다. (3) 동력계수는 레이놀즈수 증가에 따라 증가하였으며 이상의 난류영역에서만 정도의 비교적 큰 차이를 보였다. 층류 및 천이영역에서는 그보다 훨씬 큰 차이를 보였으나 이는 정성적으로 의미있는 결과이나 정량적으로는 수치해석의 신뢰성 측면에서 추후 보다 깊이있는 분석이 요구된다. (4) 조류속도와 터빈직경 각각의 변화에 따른 용량산정용 차트들을 구성하여 설계조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 실용적인 설계도구를 구축하였다. 또한 발전용량이 주어진 경우 최적 터빈의 직경과 조류속도의 관계를 손쉽게 파악할 수 있는 방법을 제안하였다. (5) 본 연구에서 제안하는 용량산정기법은 초기설계단계에서 효용성이 크리라 판단된다. 다만 10 kW 미만의 터빈은 수치해석 상의 불확실성으로, 300 kW 이상의 터빈은 구조진동관점에 취약한 수직축 터빈의 특성상 사용에 주의를 해야 할 것이다.
	H-다리우스 터빈이 상대적으로 3차원 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단한 이유는 무엇인가?	본 연구는 범용 수치해석 코드인 FLUENT를 이용하여 2차원 터빈의 성능 해석을 수행하였다. H-다리우스 터빈은 날개끝에서 3차원 영향이 존재하는 것은 사실이나 터빈의 스팬 방향으로 형상 변화가 없기 때문에 상대적으로 3차원 영향은 그리 크지 않은 것으로 판단하여 편의상 2차원으로 가정하여 해석을 수행하였으며(조류발전원천기술연구센터[2010]) 스팬-코드비에 따른 날개의 3차원 영향에 대하여는 Li 등[2010b]의 해석결과를 바탕으로 보정하였다. 수치해석 기법은 정 등[2009]과 한 등[2010]이 적용한 방법을 바탕으로 수행하였으며, 난류 모델은 회전체 유동해석시 정도가 높다고 알려진 k- SST 모델을 사용하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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