[논문]스파이럴형 풍력터빈 블레이드의 설계 및 공력특성에 관한 연구

여건; 리치앙; 김윤기; 김경천

doi:10.5407/jksv.2011.10.1.027

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a new design of small-scale horizontal wind blade, called spiral wind turbine blade. Theoretical and numerical approaches on the prediction of aerodynamic performance of the blade have been conducted. A theoretical equation is successfully derived using the angular momentum equa...

This paper describes a new design of small-scale horizontal wind blade, called spiral wind turbine blade. Theoretical and numerical approaches on the prediction of aerodynamic performance of the blade have been conducted. A theoretical equation is successfully derived using the angular momentum equation to predict aerodynamic characteristics according to the design shape parameters of spiral blade. To be compared with the theoretical value, a numerical simulation using ANSYS CFX v12.1 is performed on the same design with the theoretical one. Large scale tip vortex is captured and graphically presented in this paper. The TSR-$C_p$ diagram shows a typical parabolic relation in which the maximum efficiency of the blade approximately 25% exists at TSR=2.5. The numerical simulation agrees well with that of the theoretical result except at the low rotational speed region of 0~20 rad/s.

주제어

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문제 정의

수평축 풍력발전기는 바람의 방향과 회전하는 로터 축이 평행한 반면, 수직축 풍력발전기는 바람 방향과 로터 축의 방향이 수직한 형태를 갖는다. 본 연구에서는 도시형 소형 풍력발전 시스템으로서 경관용으로도 적용이 가능한 스파이럴형 수평축 풍력발전 블레이드를 소개하고자 한다. 스파이럴형 풍력발전 블레이드는 항력과 양력을 모두 이용함으로써 바람에 의한 공력성능을 극대화할 수 있는 풍력 블레이드로서 아르키메데스 수차에 착안하여 고안된 신개념 풍력 블레이드라 할 수 있다.
본 절의 목적은 그림에서 나타난 나선형 블레이드의 공력성능을 이론적으로 예측할 수 있는 식을 유도하는 것이다. 블레이드의 공력성능에 관한 이론식을 세우기 전 해석과정의 단순화를 위해 아래와 같은 4가지 가정을 하였다.
하지만 본 연구 대상인 스파이럴형 풍력 블레이드의 공력특성을 이론적으로 예측한 선행연구가 없으므로 본 연구에서는 유체역학적 각 운동량 모멘트 방정식을 사용하여 풍력 블레이드의 공력성능을 이론적으로 예측할 수 있는 식을 유도하고 이를 전산해석 결과와 비교하여 블레이드의 공력성능 및 유동특성을 제시하고자 한다.

가설 설정

1) 유동은 비압축성, 정상유동이다.
2) 유동은 회전축에 평행한 방향으로 유입된다.
3) 들어오는 공기는 3개의 출구면적에 동일한 유량으로 유출된다.

제안 방법

본 연구에서는 신개념의 소형풍력 블레이드인 스파이럴형 풍력 발전 블레이드의 공력특성을 예측하기 위해 이론해를 유도하였고 이론해와의 비교를 위해 상용 유동해석 소프트웨어인 ANSYS CFX 12.1을 이용하여 스파이럴형 풍력 블레이드에 대한 유동해석을 수행 하였다. 유동해석 결과 최대 성능계수는 주속비 2.
. 이론해와의 비교를 위한 본 수치계산은 3차원 비압축성 정상상태 조건에서 수행되었다. 난류모델로는 유동박리를 정확하게 예측하기 위해 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하였다.
회전도메인과 정지도메인이 공유하는 세 개의 면에 대해 질량과 운동량에 대한 Conservative interface flux를 적용하여 경계면 사이에서의 공기의 유출입이 자연스럽게 계산에 반영되도록 하였다. 회전도메인과 경계도메인의 경계면(interface)에서 같은 면 내의 노드가 서로 일치하지 않으므로 CFX 내에서 서로 다른 노드간의 물리량을 자동으로 보간(interpolation)해 주는 GGI(General Grid Interface) 기능을 이용하여 회전도메인과 정지도 메인 간의 물리적인 값을 연결하였다⁽⁹⁾. 두 도메인이 공유하는 경계면에서의 Frame change 모델로는 Frozen rotor를 사용하였다⁽⁹⁾.
입구경계조건은 속도경계조건을 부여하였고, 출구경계조건은 대기압 출구조건, 외벽 부분은 벽면 경계조건을 부여하였다. 회전도메인과 정지도메인이 공유하는 세 개의 면에 대해 질량과 운동량에 대한 Conservative interface flux를 적용하여 경계면 사이에서의 공기의 유출입이 자연스럽게 계산에 반영되도록 하였다. 회전도메인과 경계도메인의 경계면(interface)에서 같은 면 내의 노드가 서로 일치하지 않으므로 CFX 내에서 서로 다른 노드간의 물리량을 자동으로 보간(interpolation)해 주는 GGI(General Grid Interface) 기능을 이용하여 회전도메인과 정지도 메인 간의 물리적인 값을 연결하였다⁽⁹⁾.

대상 데이터

6은 전산해석을 위한 블레이드의 형상을 포함한 회전도메인과 풍동을 모사하기 위한 정지도메인에 대한 격자생성 결과를 나타낸다. 계산에 사용된 전체 격자수는 회전도메인에서 약 130만개, 정지도메인에서 약 100만개로 총 230만개의 격자를 구성하였다.

데이터처리

은 상용코드인 CFX-TASCflow를 이용하여 500 kW 수평축 블레이드에 대한 전산해석을 수행하여 BEMT 이론에 의해 예측된 출력과 비교하여 10% 이내의 오차 범위 내에서 일치된 결과를 얻었음을 보고하였다. 한편, 황 등⁽⁴⁾은 1 kW급 수직축 풍력발전기의 개별 블레이드 피치 제어 방식을 이용한 시스템의 공력해석을 수행하였으며, 공 등⁽⁵⁾은 500 W급 수직축 풍력 블레이드에 대한 공력설계 및 유동해석 상용코드인 ANSYS CFX를 이용하여 공력특성을 연구하여 실험과 비교하였다. 또한, 박⁽⁶⁾등은 사보니우스 방식의 1 kW급 제트-휠-터보형 수직축 풍력터빈에 대한 공력성능을 실험/전산해석의 방법으로 비교/분석하여 최대동력계수 및 최적의 입출구 면적비, 받음각을 도출하였다.

이론/모형

CFX는 3차원 레이놀즈 평균 나비어 스톡스(Rey nolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용하며, 지배방정식은 유한체적법(Finite Volume Method)에 의하여 이산화된다⁽⁹⁾. 이론해와의 비교를 위한 본 수치계산은 3차원 비압축성 정상상태 조건에서 수행되었다.
이론해와의 비교를 위한 본 수치계산은 3차원 비압축성 정상상태 조건에서 수행되었다. 난류모델로는 유동박리를 정확하게 예측하기 위해 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하였다.
회전도메인과 경계도메인의 경계면(interface)에서 같은 면 내의 노드가 서로 일치하지 않으므로 CFX 내에서 서로 다른 노드간의 물리량을 자동으로 보간(interpolation)해 주는 GGI(General Grid Interface) 기능을 이용하여 회전도메인과 정지도 메인 간의 물리적인 값을 연결하였다⁽⁹⁾. 두 도메인이 공유하는 경계면에서의 Frame change 모델로는 Frozen rotor를 사용하였다⁽⁹⁾.

성능/효과

4) 출구에서 상대출구속도는 출구단면에서 일정하며, 깃에 평행한 방향으로 유출된다.
1을 이용하여 스파이럴형 풍력 블레이드에 대한 유동해석을 수행 하였다. 유동해석 결과 최대 성능계수는 주속비 2.5에서 약 25% 정도 수준일 것으로 예상되며 이는 수평축 이면서도 프로펠러형 블레이드에 비해 상대적으로 작은 회전수에서 최대 효율을 낼 수 있는 새로운 방식의 수평축 블레이드라 할 수 있다. 스파이럴형 풍력블레이드의 끝단에서 유출되는 와구조의 존재를 전산해석을 통해 얻어지는 속도장, 압력장 및 등압력장을 통해 나타낼 수 있었다.

후속연구

전산해의 경우 저회전수 영역에서 물리적으로 타당하지 않은 경향이 나타나는 이유는 명확히 밝혀내지 못하였으므로 향후 이에 대한 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다. 이론해와 전산해는 20~40 rad/s 일때 잘 일치하는 결과를 얻었으며 회전수가 40~90 rad/s인 고속회전 영역에 서는 전산해가 이론해보다 다소 높게 예측을 함을 알 수 있으나 가장 정확한 비교는 추가적인 실험을 통해 검증할 때 가능할 것으로 사료된다.
이론해의 경우 예측한 바와 같이 회전수가 낮아질수록 토크가 증가하는 물리적으로 타당한 경향이 나타난 반면 전산해에서 20 rad/s 이하의 저 회전수 영역에서 토크값이 낮아져 물리적으로 잘 맞지 않은 결과를 예측하고 있다. 전산해의 경우 저회전수 영역에서 물리적으로 타당하지 않은 경향이 나타나는 이유는 명확히 밝혀내지 못하였으므로 향후 이에 대한 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다. 이론해와 전산해는 20~40 rad/s 일때 잘 일치하는 결과를 얻었으며 회전수가 40~90 rad/s인 고속회전 영역에 서는 전산해가 이론해보다 다소 높게 예측을 함을 알 수 있으나 가장 정확한 비교는 추가적인 실험을 통해 검증할 때 가능할 것으로 사료된다.
스파이럴형 풍력블레이드의 끝단에서 유출되는 와구조의 존재를 전산해석을 통해 얻어지는 속도장, 압력장 및 등압력장을 통해 나타낼 수 있었다. 회전수의 변화에 따른 이론해와 전산해에서의 토크값의 비교에서 전산의 경우 저회전수영역에서 물리적으로 타당하지 않은 결과가 나타난 이유에 대해 추가적인 검증이 필요할 것이며, 좀 더 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 실험적 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형풍력 발전은 어떻게 구분될 수 있나?	소형풍력 발전은 회전축의 형태에 따라 수평축풍력 발전기와 수직축 풍력발전기로 구분할 수 있다. 수평축 풍력발전기는 바람의 방향과 회전하는 로터 축이 평행한 반면, 수직축 풍력발전기는 바람 방향과 로터 축의 방향이 수직한 형태를 갖는다.
	수평축풍력 발전기와 수직축 풍력발전기의 차이점은?	소형풍력 발전은 회전축의 형태에 따라 수평축풍력 발전기와 수직축 풍력발전기로 구분할 수 있다. 수평축 풍력발전기는 바람의 방향과 회전하는 로터 축이 평행한 반면, 수직축 풍력발전기는 바람 방향과 로터 축의 방향이 수직한 형태를 갖는다. 본 연구에서는 도시형 소형 풍력발전 시스템으로서 경관용으로도 적용이 가능한 스파이럴형 수평축 풍력발전 블레이드를 소개하고자 한다.
	소형 풍력발전 시장의 특징은?	풍력발전 분야 중 선진국에서 상용화 중인 대형 풍력발전 시장에 비해 소형 풍력발전 시장은 개발 및 투자가 활성화되지 않은 초기시장으로, 최근 들어서 도시나 농어촌 마을에서 자가발전을 통한 분산발전을 하고자 하는 경향이 증가하고 있으므로 이에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.

참고문헌 (9)

Dalley, S.. Oleson, J. P., 2003, "Sennacherib, Archi medes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World," Technology and Culture Vol.44(1).

상세보기
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E., 2001, "WIND ENERGY HANDBOOK," John Wiley & Sons, Ltd, New York, pp.40-65.
Kim, J. H., Kim, T. S., Lee, Y. W., Kim, Y. D., 2005, "A Study on Aerodynamic Analysis on HAWTs by CFD," Trans. Of the WEIK, Vol.9(1), pp.103-108.
Hwang, I. S., Min, S. Y., Jeong, I. O., Lee, C. H., Lee, Y. H., Kim, S. J., 2006, "Aerodynamic Analysis and Rotor Control of Efficient Vertical Axis Wind Turbine using the Individual Blade Pitch Control System," Proc. Spring Conference of KSAS, pp.119-122.
Gong, C. D, Lee, H. S, Kim, I. K., 2011, "Aerodynamic and Structural Design of A High Efficiency Small Scale Composite Vertical Axis Wind Turbine Blade," Trans. of the KSAS, Vol.39 (8), pp.758-765.

원문보기 상세보기
Park, J. Y., Lee, M. J. Lee, S. J. Lee, S. B., 2009, "An Experimental Study on the Aerodynamic Performance of High-efficient, Small-scale, Verticalaxis Wind Turbine," Trans. of the KSME(B), Vol.33(8), pp.580-588.

원문보기 상세보기
Howell, R., Qin, N., Edwards, J., Durrani, N., 2010, "Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine," Renewable Energy, Vol.35, pp.412-422.

상세보기
Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., 2006, "Fundamentals of Fluid Mechanics," WILEY, pp. 218-259.
Ansys 12.1 User's Manual.

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