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문제 정의
- 본 연구에서는 향 후 소형 수직축 풍력터빈의 설계를 위한 기초연구로 유동해석, 모드해석과 구조해석을 수행하였다. 그리고 9.77톤 갈치채낚기 어선에 적용가능성을 검토하여 보았다. 본 연구의 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 수치적인 방법으로 소형 풍력터빈의 구조 안정성을 평가하였다. 구조해석에는 상용 프로그램 ANSYS 14.
- 본 연구에서는 어선의 유류비 절감을 위한 풍력발전 시스템을 적용하기 위한 기초연구로서 집풍장치를 통한 풍력발전기의 성능 개선을 연구하였다. 먼저 유동해석 기법의 정도를 검증하기 위하여 기존의 공개된 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행하여 출력계수를 비교하였다.
- 본 연구에서는 향 후 소형 수직축 풍력터빈의 설계를 위한 기초연구로 유동해석, 모드해석과 구조해석을 수행하였다. 그리고 9.
- 수행된 연구를 바탕으로 소형 어선 중 9.77톤 갈치채낚기 어선에 적용가능성을 개략적으로 검토하였다. 2007년부터 정부차원에서 LED 집어등 상용화 사업을 추진하고 있다.
가설 설정
- 풍력발전 시스템은 바닥 코너가 고정되어 있다고 가정하여 바닥면의 코너 네 곳은 모든 방향이 구속되어 있는 것으로 설정하였으며, 터빈 축의 지지하는 부분은 축방향 회전이 자유롭고 나머지 방향은 모두 구속되었다고 설정하였다.
제안 방법
- 1) 500W급 풍력터빈에 대하여 집풍장치의 효과를 확인하였다. 집풍장치는 풍속 증가 시키는 효과가 없으며, 날개에 작용하는 압력을 상승시켜 풍력터빈 성능을 개선한다.
- 4) 소형어선에 수직축 풍력터빈의 설치 가능성을 검토하기 위하여 9.77톤 갈치채낚기 어선에 적용해보았다. 본 선형의 조타실 상부 공간은 풍력터빈 설치에 적절할 것으로 보았으며, 개략적인 고안이지만 접이식으로 풍력터빈을 설치하였을 때 풍력터빈과 운항 시 선박의 안정성 및 안전성을 고려할 수 있다.
- 0을 이용하였다. 격자생성 프로그램인 ANSYS ICEM CFD를 이용하여 Fig. 15와 같은 Tetra-hedral 격자계를 생성하였다. 전체 노드 수는 약 45만개이며, 3D 솔리드요소로 작성하였다.
- 다양한 형태의 집풍장치를 시뮬레이션 하여 적절한 집풍장치를 결정하였으며, 수치계산을 통하여 집풍장치를 통한 성능향상을 확인하였다. 그리고 모드해석을 통하여 풍력터빈의 공진안전성을 파악하였으며, one-way FSI(Fluid Structure Interaction)로 구조해석을 수행하여 구조 부재의 극한 강도를 평가하였다. 유동해석은 Fluent 6.
- 날개가 두꺼우면 양력은 감소하는데 반하여 실속이 높은 각도에서 일어나기 때문에 터빈의 익형은 NACA-0024로 결정하여 넓은 영역에서 양력이 발생하도록 하였으며, 구조적 안전성도 증가시켰다. 효율향상을 위하여 pitch 각도를 -5.
- 9와 같이 풍력발전기의 지지구조물을 포함한 유동해석을 수행하였다. 내부의 중요 구조물을 포함한 계산이기 때문에 격자생성의 편의를 위하여 삼각뿔형태의 비정렬격자를 이용하여 수치계산을 수행하였다.
- 먼저 유동해석 기법의 정도를 검증하기 위하여 기존의 공개된 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행하여 출력계수를 비교하였다. 다양한 형태의 집풍장치를 시뮬레이션 하여 적절한 집풍장치를 결정하였으며, 수치계산을 통하여 집풍장치를 통한 성능향상을 확인하였다. 그리고 모드해석을 통하여 풍력터빈의 공진안전성을 파악하였으며, one-way FSI(Fluid Structure Interaction)로 구조해석을 수행하여 구조 부재의 극한 강도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 어선의 유류비 절감을 위한 풍력발전 시스템을 적용하기 위한 기초연구로서 집풍장치를 통한 풍력발전기의 성능 개선을 연구하였다. 먼저 유동해석 기법의 정도를 검증하기 위하여 기존의 공개된 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행하여 출력계수를 비교하였다. 다양한 형태의 집풍장치를 시뮬레이션 하여 적절한 집풍장치를 결정하였으며, 수치계산을 통하여 집풍장치를 통한 성능향상을 확인하였다.
- 또한, 풍속 6m/s와 9m/s의 수치해석결과에서 결과에 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다. 본 계산의 결과로 미루어 보아 상용프로그램인 Fluent를 이용하여 유용한 유동해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각되어 이후 진행되는 500W급 풍력발전기의 유동해석에 활용하였다.
- 터빈의 회전을 고려하기 위하여 터빈과 함께 회전하는 원통형의 계산영역과 고정된 외부의 계산영역으로 분리하여 작성하였으며, 터빈의 회전은 sliding moving mesh법을 이용하여 처리하였다. 수치계산에서 유입풍속에 따른 출력의 영향을 알아보기 위하여 6m/s와 9m/s에서 계산을 수행하였으며, 주속비(Tip Speed Ratio, TSR)는 0.8~1.4까지 0.2간격으로 수행하였다. 주속비는 식 (2)와 같이 정의된다.
- 1과 같다. 스트럿과 샤프트는 무시하고 날개만을 모델링 하였다. 직사각형의 정렬격자로 작성하였으며, 경계층 해석을 위하여 상대적으로 표면마찰력이 큰 날개 앞전(leading edge)과 끝단(tip)에서 y+<30이 되도록 하였으며, 이외의 영역은 y+<10이 되도록 하였다.
- 직사각형의 정렬격자로 작성하였으며, 경계층 해석을 위하여 상대적으로 표면마찰력이 큰 날개 앞전(leading edge)과 끝단(tip)에서 y+<30이 되도록 하였으며, 이외의 영역은 y+<10이 되도록 하였다.
- 집풍장치설계를 위한 설계자료를 얻기 위하여 2차원 유동해석을 수행하였다. 일반적으로 집풍장치는 풍향에 따라 회전하여 효율이 최대가 되도록 하지만 (Takao, et al.
- 집풍장치에 의한 성능 향상을 평가하기 위하여 Fig. 9와 같이 풍력발전기의 지지구조물을 포함한 유동해석을 수행하였다. 내부의 중요 구조물을 포함한 계산이기 때문에 격자생성의 편의를 위하여 삼각뿔형태의 비정렬격자를 이용하여 수치계산을 수행하였다.
- 풍력터빈의 출력과 토크 성능을 알아보기 위하여 Fig. 3에 보이는 것과 같이 풍력터빈의 날개만을 모델링 하였으며, 계산결과에 상대적으로 영향이 적은 풍력터빈 외부 영역은 삼각뿔 형태의 비정렬 격자로 작성하였다. TSR은 0.
대상 데이터
- 집풍장치설계를 위한 설계자료를 얻기 위하여 2차원 유동해석을 수행하였다. 일반적으로 집풍장치는 풍향에 따라 회전하여 효율이 최대가 되도록 하지만 (Takao, et al., 2008), 본 연구에서는 높은 내구성과 단순한 구조를 위하여 고정된 형태를 검토 대상으로 하였다. 집풍장치가 고정되면 바람의 방향에 따라 성능의 차이가 클 것이 예상되기 때문에 그 차이가 작아지도록 Fig.
데이터처리
- 본 연구에서는 수치적인 방법으로 소형 풍력터빈의 구조 안정성을 평가하였다. 구조해석에는 상용 프로그램 ANSYS 14.0을 이용하였다. 격자생성 프로그램인 ANSYS ICEM CFD를 이용하여 Fig.
- IEC 61400-1 (2005)를 보면, 재료의 안전계수, 재료특성 결정에 대한 요인과 극한하중에 대한 안전계수들이 있다. 본 해석에서는 재료특성 결정에 대한 요인들을 제대로 고려하기 어려우므로 보수적인 평가를 위하여 재료 안전계수 3.0을 사용하였다. 또한 극한하중에 대한 안전계수도 보수적인 평가를 위하여 3.
- 그리고 모드해석을 통하여 풍력터빈의 공진안전성을 파악하였으며, one-way FSI(Fluid Structure Interaction)로 구조해석을 수행하여 구조 부재의 극한 강도를 평가하였다. 유동해석은 Fluent 6.3을 이용하였으며, 구조해석은 ANSYS 14를 이용하여 계산하였다.
이론/모형
- 이를 평가하기 위하여 one-way FSI방법을 사용하였다. Fluent를 이용하여 풍속 50m/s에서의 풍압력을 계산하였으며, 수치계산으로 얻은 풍압력을 구조계산용 모델에 적용하여 구조해석을 수행하였다.
- IEC(International Electrotechnical Commission) 61400-1 (2005)에서 규정하는 풍력발전기 전체 시스템의 구조에 대한 설계 기준에 따라 구조부재의 극한강도 평가를 수행하였다. 이 기준은 정격 출력 1 kW급 미만의 초소형 풍력발전시스템에 적용된다.
- 난류모델은 2차원 날개의 실속을 비교적 정확하게 예측할 수 있는 SST k-ω 모델을 사용하였다 (Hwang et al., 2010).
- 수치계산은 Fluent 6.3을 이용하였다. 지배방정식의 속도와 압력은 SIMPLE알고리즘을 이용하였으며, QUICK법을 이용하여 공간이산화 하였다.
- 이 기준에 따르면 본 연구의 대상 풍력발전기는 1등급으로 풍속 50m/s의 조건에서 안전하도록 설계되어야 한다. 이를 평가하기 위하여 one-way FSI방법을 사용하였다. Fluent를 이용하여 풍속 50m/s에서의 풍압력을 계산하였으며, 수치계산으로 얻은 풍압력을 구조계산용 모델에 적용하여 구조해석을 수행하였다.
- 3을 이용하였다. 지배방정식의 속도와 압력은 SIMPLE알고리즘을 이용하였으며, QUICK법을 이용하여 공간이산화 하였다. 난류모델은 2차원 날개의 실속을 비교적 정확하게 예측할 수 있는 SST k-ω 모델을 사용하였다 (Hwang et al.
- 직사각형의 정렬격자로 작성하였으며, 경계층 해석을 위하여 상대적으로 표면마찰력이 큰 날개 앞전(leading edge)과 끝단(tip)에서 y+<30이 되도록 하였으며, 이외의 영역은 y+<10이 되도록 하였다. 터빈의 회전을 고려하기 위하여 터빈과 함께 회전하는 원통형의 계산영역과 고정된 외부의 계산영역으로 분리하여 작성하였으며, 터빈의 회전은 sliding moving mesh법을 이용하여 처리하였다. 수치계산에서 유입풍속에 따른 출력의 영향을 알아보기 위하여 6m/s와 9m/s에서 계산을 수행하였으며, 주속비(Tip Speed Ratio, TSR)는 0.
성능/효과
- 2) 모드해석결과 각 모드의 고유진동수가 풍력터빈의 진동수에 비하여 높기 때문에 본 연구의 대상 풍력터빈은 공진에 안전할 것으로 예상된다. 그러나 선박적용 시 선박의 진동과 지지구조물의 특성에 대한 연구를 추가적으로 수행하여야 한다.
- 3) One-way FSI 방법으로 풍력발전기의 극한하중을 평가하였으며, 본 연구의 대상 풍력발전기는 IEC 61400-1의 규정을 만족하는 것을 확인하였다. 본 연구결과에서 풍력터빈의 표면 응력들을 확인하였을 때 풍력터빈의 중심축 상단부에 상대적으로 큰 응력이 발생하고 집풍장치의 날개 하단부의 파이프에서 최대 응력이 발생하였다.
- 0을 사용하였다. 극한강도의 구조 안정성 평가 결과, Safety margin이 0.99로 극한 풍속에서 풍력터빈이 만족해야할 극한 강도의 조건 1.0이하로 만족한 것을 확인할 수 있다.
- 77톤 갈치채낚기 어선에 적용해보았다. 본 선형의 조타실 상부 공간은 풍력터빈 설치에 적절할 것으로 보았으며, 개략적인 고안이지만 접이식으로 풍력터빈을 설치하였을 때 풍력터빈과 운항 시 선박의 안정성 및 안전성을 고려할 수 있다. 또한 500W급의 풍력터빈을 9.
- 3) One-way FSI 방법으로 풍력발전기의 극한하중을 평가하였으며, 본 연구의 대상 풍력발전기는 IEC 61400-1의 규정을 만족하는 것을 확인하였다. 본 연구결과에서 풍력터빈의 표면 응력들을 확인하였을 때 풍력터빈의 중심축 상단부에 상대적으로 큰 응력이 발생하고 집풍장치의 날개 하단부의 파이프에서 최대 응력이 발생하였다.
- 집풍장치는 풍속 증가 시키는 효과가 없으며, 날개에 작용하는 압력을 상승시켜 풍력터빈 성능을 개선한다. 본 연구의 대상 터빈의 경우 집풍장치에 의하여 설계속도에서 약 13%의 성능이 향상 되었다.
후속연구
- 2) 모드해석결과 각 모드의 고유진동수가 풍력터빈의 진동수에 비하여 높기 때문에 본 연구의 대상 풍력터빈은 공진에 안전할 것으로 예상된다. 그러나 선박적용 시 선박의 진동과 지지구조물의 특성에 대한 연구를 추가적으로 수행하여야 한다.
- 소형 풍력발전용 터빈의 구조적인 안정성에 대해 적절한 안전수준 확보 여부를 판정하기 위해 구조부재의 모드해석과 극한강도에 대한 모형실험을 통해 확인해야 한다.
- 소형 선박 위에 풍력터빈의 설치가 가능한 공간으로 선수, 선미 갑판 또는 조타실 위의 공간을 생각해 볼 수 있지만 선수나 선미 갑판에는 어구를 끌어올리는 윈치가 설치되고 선원들의 작업공간이 좁아질 수 있으므로 풍력터빈을 설치하기 어려울 것으로 생각된다. 안테나가 설치되는 조타실 상부 공간이 풍력터빈을 설치하기에 적절할 것으로 생각되나 구조적인 문제와 의장품의 배치에 대한 추가적인 검토가 필요할 것이다.
- 특히, 오징어나 갈치 채낚기 어선은 전체 유류비의 60~65%를 조업 시 집어등 전력으로 사용하고 있는 실정이다. 전체 유류비에서 많은 부분을 차지하는 집어등 사용전력의 일부를 풍력에너지로 대체 할 수 있다면 유류비 절감 뿐 아니라 이산화탄소 배출감소 측면에서도 이점을 가질 수 있을 것이다. 조업 중인 선박에서 풍력발전을 하기 위해서는, 크기가 작고 풍향의 영향을 적게 받는 터빈이 필요하다.
- TSR이 증가하여도 고유주기와 기진주기에 차이가 있어 공진에 대하여 안정한 것으로 판단된다. 향후 소형 선박에 풍력터빈이 설치되었을 때에 대하여 선박에 의한 진동을 고려하지 못하였지만, TSR에 따른 회전 시 풍력터빈의 진동수에 비하여 고유진동수가 높기 때문에 향 후 소형 선박에 설치되어도 공진에 안정할 것으로 예상된다.
- 또한 500W급 풍력터빈을 본 선형의 조타실 위에 설치하였을 때 기대할 수 있는 유류비 감소량은 약 13%이다. 현재까지 풍력터빈은 선박에 적용하기에 너무 크므로 풍력터빈의 크기 감소를 위한 관련된 연구가 지속적으로 필요할 것으로 판단된다. 이처럼 선박에 적용되는 풍력터빈의 경우 크기를 감소시키는 것 외에도 풍력터빈과 운항 시 선박의 안정성 및 안전성을 고려하여야 한다.
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