[논문]항력식 조류발전 터빈의 최적 형상 설계 및 유동 수치해석을 통한 성능 평가

조철희; 고광오; 이준호; 이강희

doi:10.7849/ksnre.2012.8.2.006

항력식 조류발전 터빈의 최적 형상 설계 및 유동 수치해석을 통한 성능 평가
Design and Performance Evaluation of the Savonius Tidal Current Turbine 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.8 no.2, 2012년, pp.6 - 13

조철희 (인하대학교 조선해양공학과) , 고광오 (현대건설 연구개발본부) , 이준호 (인하대학교 조선해양공학과) , 이강희 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to global warming, the need to secure an alternative resource has become more important nationally. Having very strong current on the west coast with up to 10 m tidal range, there are many suitable site for the application of TCP (Tidal Current Power) in Korea. On the south west regions between many islands that create strong current in the narrow channels. The rotor is one of the essential components which can convert tidal current energy into rotational energy to generate electricity. The design optimization of rotor is very important to maximize the power production. The performance of rotor can be determined by various parameters including number of blades, shape, sectional size, diameters and etc. This paper introduces the multi-layer vertical axis tidal current power system which can be applied to offshore jetties and piers effectively. Various cases of VAT turbine were designed. Specifically, the number of blades and turbine shape are changed in several cases. Also, performance analysis was carried out by CFD.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 수행된 연구는 다층으로 적재한 multi-layer VAT 시스템을 위한 기초 연구로써 항만이나 연안의 방파제, 잔교에 적용 가능한 소규모 발전 시스템의 연구방향을 제시하였다.
본 논문에서는 아크형 항력식 수직축 터빈의 기본설계를 수행하였고 CFD를 이용하여 다양한 터빈의 성능을 계산･비교하였다.
본 연구에서는 잔교식 부두 및 항만과 같은 연안 해양구조물에 적용 가능한 다층 수직축 터빈을 CFD 해석을 통해 최적 형상과 블레이드 수를 갖는 수직축 항력식 터빈을 설계 및 분석하였다.

가설 설정

비정상 유동현상을 보이는 수직축 터빈을 정상상태로 설정하여 날개의 위상을 6도로 분할하고 각각의 정상 유동 상태에 대한 평균토크를 취해 성능을 평가한 사례⁽¹⁰⁾도 찾아볼 수 있다. 따라서 전체 유동장은 비압축성 3차원 정상상태로 가정하였고, 해석영역을 회전 도메인과 정적 도메인으로 나누어 해석하였으며 3차원 평균 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 수치 해석에 사용한 지배방정식은 유한체적법으로 이산화 되었다.

제안 방법

0⁽⁸⁾을 사용하여 설계된 터빈을 대상으로 유동해석을 수행하였다. 단일 CPU 환경에 의한 하드웨어의 성능 한계를 고려하여 충분한 격자 공간해상도를 확보해야 하므로, 격자의 질을 높이기 위하여 3차원 격자를 한 층만 생성한 준 2차원 격자계를 구성하였다. 유동장 전체에 걸쳐 프리즘 격자를 사용하였으며 벽 근처 격자는 Fig.
또한 효율적인 격자 생성을 위해 회전영역과 정적 영역의 격자를 따로 생성하여 유동해석의 전처리 과정인 CFX-Pre에서 통합하였다. 각 도메인의 격자계와 전체 격자 정보를 Fig 4, 5와 Table 1에 각각 나타냈다.
최적 블레이드 수가 10매가 됨을 검토하기 위해 블레이드 수에 변화를 주었다. 블레이드 수가 3, 4개인 그룹과 8, 9, 10매인 그룹, 홀수･ 짝수 그룹으로 나누어 블레이드 수에 따른 터빈의 성능을 판단하였다.
아크형 항력식 수직축 터빈의 설계변수를 이해하고 3m급 조류발전용 터빈의 기본설계를 수행하였다. 최초 설계된 터빈에서 블레이드 수와 형상을 변화시켰고, 각 케이스마다 CFD해석을 수행한 결과, 블레이드 수가 10매인 vertical 블레이드 터빈이 최대효율을 발생시켰다.
조류발전용 수직축터빈 설계를 위해 선행연구 자료를 검토하였다. 양력을 활용하지 않는 항력식 터빈을 기초설계 모델로 선정하였고 블레이드 형태는 원호로 결정하였다. 최적의 블레이드 수 및 설계변수를 검토한 논문⁽⁷⁾을 참고하였다.
최적의 블레이드 수 및 설계변수를 검토한 논문⁽⁷⁾을 참고하였다. 위 논문에서는 다양한 형상의 터빈을 직접 제작하여 최대 RPM 효율을 나타내는 터빈을 검토하였으며, 블레이드 수는 10매, 블레이드 폭을 나타내는 형상비(a/R)는 0.73인 터빈이 최종적으로 제안되었다. CATIA V5R19를 이용하여 모델링을 수행하였으며 직경과 높이를 각각 3m로 설정하였다.
주속비(TSR)에 따른 터빈의 성능을 고찰하기 위해 터빈 회전속도를 주속비 0.3부터 0.7까지 변화시키며 정적해석을 수행하였다.
회전체인 터빈에 상대속도를 부여하기 위해, 터빈 주위에 실린더 형태의 회전 도메인을 생성하고, 나머지 영역에 정적 도메인을 생성하였다. 터빈 중심에서 입구까지의 거리는 10m, 출구까지의 거리는 25m, 양 측면과의 이격 거리는 각각 7.

대상 데이터

73인 터빈이 최종적으로 제안되었다. CATIA V5R19를 이용하여 모델링을 수행하였으며 직경과 높이를 각각 3m로 설정하였다.
단일 CPU 환경에 의한 하드웨어의 성능 한계를 고려하여 충분한 격자 공간해상도를 확보해야 하므로, 격자의 질을 높이기 위하여 3차원 격자를 한 층만 생성한 준 2차원 격자계를 구성하였다. 유동장 전체에 걸쳐 프리즘 격자를 사용하였으며 벽 근처 격자는 Fig. 3과 같이 6면체 정렬격자를 사용하였다. 블레이드표면의 y+를 2 이하로 유지하여 Wall function보다 경계층에서의 정확성이 높은 Low reynolds model이 적용되도록 하였다.
조류발전용 수직축터빈 설계를 위해 선행연구 자료를 검토하였다. 양력을 활용하지 않는 항력식 터빈을 기초설계 모델로 선정하였고 블레이드 형태는 원호로 결정하였다.

데이터처리

ANSYS 사의 상용코드 ANSYS CFX-11.0⁽⁸⁾을 사용하여 설계된 터빈을 대상으로 유동해석을 수행하였다. 단일 CPU 환경에 의한 하드웨어의 성능 한계를 고려하여 충분한 격자 공간해상도를 확보해야 하므로, 격자의 질을 높이기 위하여 3차원 격자를 한 층만 생성한 준 2차원 격자계를 구성하였다.

이론/모형

3과 같이 6면체 정렬격자를 사용하였다. 블레이드표면의 y+를 2 이하로 유지하여 Wall function보다 경계층에서의 정확성이 높은 Low reynolds model이 적용되도록 하였다.
수치 해석에 사용한 지배방정식은 유한체적법으로 이산화 되었다. 이산화 기법으로는 2차 이상의 정확도를 갖는 고해상도기법(high resolution scheme)을 사용하였으며, 난류모델은 유동박리현상 등에 적절한 전단이송모델(shear stress transport, SST)을 사용하였다⁽¹¹⁾.
양력을 활용하지 않는 항력식 터빈을 기초설계 모델로 선정하였고 블레이드 형태는 원호로 결정하였다. 최적의 블레이드 수 및 설계변수를 검토한 논문⁽⁷⁾을 참고하였다. 위 논문에서는 다양한 형상의 터빈을 직접 제작하여 최대 RPM 효율을 나타내는 터빈을 검토하였으며, 블레이드 수는 10매, 블레이드 폭을 나타내는 형상비(a/R)는 0.

성능/효과

8, 9번과 9, 10번 블레이드 사이로 각각 흐르는 유동이 2, 3번 블레이드로 흘러들어 토크 증가에 기여하고 있으며, 아크형 항력식 터빈의 장점을 보여준다. 그러나 블레이드 수가 적은 터빈에 비해, 가장 큰 토크를 발생 시킬 수 있는 1번 블레이드의 유동이 9, 10번 블레이드에 의해 원활하지 못함을 확인 할 수 있다.
13에 나타냈다. 대체적으로 vertical 블레이드 터빈의 Cp가 높으나 주속비 0.65 이상의 빠른 회전수에서는 twist 블레이드 터빈의 효율이 더 높았다. 최대 효율은 두 터빈 모두 주속비 0.
최초 설계된 터빈에서 블레이드 수와 형상을 변화시켰고, 각 케이스마다 CFD해석을 수행한 결과, 블레이드 수가 10매인 vertical 블레이드 터빈이 최대효율을 발생시켰다. 또한 주속비 0.65 이상의 일부 영역에서는 twist 블레이드 터빈의 효율이 높게 나타났다.
65 이상의 빠른 회전수에서는 twist 블레이드 터빈의 효율이 더 높았다. 최대 효율은 두 터빈 모두 주속비 0.6에서 나타났으며 vertical 블레이드 터빈의 최대 효율이 약 1%가량 높다.
아크형 항력식 수직축 터빈의 설계변수를 이해하고 3m급 조류발전용 터빈의 기본설계를 수행하였다. 최초 설계된 터빈에서 블레이드 수와 형상을 변화시켰고, 각 케이스마다 CFD해석을 수행한 결과, 블레이드 수가 10매인 vertical 블레이드 터빈이 최대효율을 발생시켰다. 또한 주속비 0.
현재 블레이드 수가 10매인 터빈이 최대효율을 나타냈고, 다양한 회전속도에 대해 안정적인 성능을 보였으나, 난류강도가 커지면 전체적으로 효율이 감소될 뿐만 아니라, 상대적으로 적은 솔리디티를 가지는 터빈이 유리 할 수 있다. 따라서 전 유향에 대해 발전이 가능한 수직축 터빈의 장점을 제고하기 위해, 추후 난류강도가 큰 유동에서의 성능이 검증 되어야 한다.
12에 블레이드 매수 별 터빈의 토크곡선을 나타냈다. 회전수가 작을수록 토크가 증가하는 경향을 나타냈고, 이는 회전속도가 느릴수록 날개표면에 큰 압력이 발생되는 항력식 터빈의 고유한 특성이 반영된 결과이다. 또한 양력식 터빈과 달리 날개 끝단의 속도가 유속보다 빠를 수 없는 특성에 의해 주속비 1을 초과할 수 없으므로, 최대효율이 발생되는 주속비는 낮은 회전속도 영역에 존재한다.

후속연구

현재 블레이드 수가 10매인 터빈이 최대효율을 나타냈고, 다양한 회전속도에 대해 안정적인 성능을 보였으나, 난류강도가 커지면 전체적으로 효율이 감소될 뿐만 아니라, 상대적으로 적은 솔리디티를 가지는 터빈이 유리 할 수 있다. 따라서 전 유향에 대해 발전이 가능한 수직축 터빈의 장점을 제고하기 위해, 추후 난류강도가 큰 유동에서의 성능이 검증 되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈은 어떻게 구분되는가?	조류발전 시스템은 조류의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 전기를 얻는 방식이다. 터빈은 유향과 회전축 방향에 따라 크게 HAT(Horizontal Axis Turbine)과 VAT(Vertical Axis Turbine)으로 구분된다. 수평축 터빈은 효율이 높은 반면 유향 변화에 대처할 수 있는 방안이 요구되고, 수직축 터빈은 일반적으로 수평축 터빈에 비해 효율이 낮은 단점이 있으나, 전 유향에 대해 일정한 효율을 나타내어 신뢰성이 높고, 구동시간이 길며, 안정적인 기동이 가능하다.
	조류발전 시스템은 어떤 방식인가?	조류발전 시스템은 조류의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 전기를 얻는 방식이다. 터빈은 유향과 회전축 방향에 따라 크게 HAT(Horizontal Axis Turbine)과 VAT(Vertical Axis Turbine)으로 구분된다.
	Vertical Axis Turbine의 장단점은?	터빈은 유향과 회전축 방향에 따라 크게 HAT(Horizontal Axis Turbine)과 VAT(Vertical Axis Turbine)으로 구분된다. 수평축 터빈은 효율이 높은 반면 유향 변화에 대처할 수 있는 방안이 요구되고, 수직축 터빈은 일반적으로 수평축 터빈에 비해 효율이 낮은 단점이 있으나, 전 유향에 대해 일정한 효율을 나타내어 신뢰성이 높고, 구동시간이 길며, 안정적인 기동이 가능하다. 또한 수직축 터빈은 발전기 및 주요 장비를 수면 위에 위치시킬 수 있어 유지보수 측면에서 유리하다.

참고문헌 (12)

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조철희, 이강희, 이준호, 홍성준, 고광오, 2011, "조류발전용 다층 수직축 터빈의 성능평가(Performance of the multi-layer vertical axis tidal current turbine)", 한국해양공학회 2011 추계학술대회 논문집, pp. 169-172.
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상세보기
Gorlov, A. M., 1995, "The helical turbine: A new idea for low-head hydropower", Hydro Review, Vol. 14, No. 5, pp. 44-50.

저자의 다른 논문 :

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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