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소형풍력발전기용 블레이드 공력설계 프로그램 개발
Development of an aerodynamic design program for a small wind turbine blade 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.1, 2013년, pp.40 - 47  

윤진용 (강원대학교 대학원 기계메카트로닉스 공학과) ,  백인수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) ,  유능수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

An aerodynamic design tool was developed for small wind turbine blades based on the blade element momentum theory. The lift and drag coefficients of blades that are needed for aerodynamic blade design were obtained in real time from the Xfoil program developed at University of Illinois. While runnin...

주제어

#블레이드   #공력설계   #최적화   #소형풍력발전기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 0×104[5]의 범위를 갖는 소형 풍력발전기 블레이드를 설계하는데 부적합한 문제점을 갖고 있다. 따라서 본 논문에는 실속이전에서 매우 신뢰성있는 양력계수와 항력계수를얻을 수 있는 프로그램으로 알려진 Xfoil[6] 이용하여 MatlabGUI 환경에서 소형 풍력발전기 블레이드 설계를 위한 프로그램을 개발하였다.
  • 본 연구를 통하여 매트랩 GUI기반의 소형 풍력발전기 블레이드의 공력설계를 위한 프로그램을 개발하였다. 개발된 공력설계 프로그램에서는 주어진 선단속도비와 정격풍속에 대해 블레이드의 출력계수를 최대로 하기위한 비틀림 각과 익형의 시위의 길이를 계산하게 되며, 계산 과정에서의 값이 변하게 되는 레이놀즈수와 받음각에 대한 양력계수와 항력계수 값은 Xfoil프로그램과 연동하여 그 값을 얻어내게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
풍력발전기는 어떻게 동작되는가? 풍력발전기는 용량과 관계없이 동일한 원리를 이용하여 발전하게 된다. 즉 불어오는 바람은 블레이드를 회전시키고 블레이드는 허브와 결합한 구동축을 회전시켜 최종적으로 발전기에서 전기를 생산하게 된다. 이 중 바람 에너지를 운동에너지로 바꾸어주는 블레이드는 공기역학적 이론을 적용하여 에너지 변환 효율이 최대가 되도록 설계되며, 이는 풍력발전기 전체 효율에 직접적인 영향을 미치게 된다.
Xfoil의 장점은? Xfoil은 아음속 익형의 디자인과 분석을 위한 양방향(interactive) 프로그램이며, 레이놀즈수 그리고 2D의 익형의 좌표를 입력하면 익형 표면에서의 압력분포와 양력계수,항력계수를 계산할 수 있다. Xfoil은 2차원 익형에 패널법(panelmethod) 을 적용하여 해석하기 때문에 신속하게 해석할 수 있고,실속이전까지 데이터는 실험자료와 상당한 일치를 보이는 것으로 알려져 있어, 많은 연구소와 기업에서 아직도 많이 사용하고 있다. 따라서 이를 본 연구에서의 소형 풍력발전기 블레이드의 공력설계를 위한 프로그램으로 이용하였다[6].
풍력발전기 블레이드의 효율은 무엇으로 결정되는가? 풍력발전기 블레이드의 효율은 특정 양력 계수와 항력계수를 갖는 익형의 조합으로 결정되며, 일반적으로 양력계수와 항력계수의 비인 양항비와 양력계수가 높은 익형이 높은 에너지 변환 효율을 보이게 된다. 익형의 양력계수와 항력계수는 익형의 받음각(Angleof Attack),레이놀즈수(ReynoldsNumber),마하수(MachNumber)에 의한 함수이지만, 풍력발전기의 블레이드를 통과하는 공기의 유동은 마하수가 비교적 낮아 받음각과 레이놀즈수에 대한 함수로 결정된다.
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참고문헌 (10)

  1. H. Abbott, E.Von Doenhoff, Theoryof wing section;including asummary of airfoildata, Mineola, NY, Courier Dover Pub.,1959. 

  2. Sommers D.M, Design and Experimental Results for the S809 airfoil, NREL/CP-500-36900, 2002. 

  3. Bang, J.H., A study on design and analysis of small wind turbine for high efficiency and light weight, Ph.D. Dissertation, Chosun University, 2004. 

  4. Sun, M.Y.,Kim, D.Y.and Lim, J. K.,Study on Optimal Design of Wind Turbine Blade AirfoilandIts Application, Transactions of the KSMEB, Vol. 36, No. 5, 465-472, 2012. 

  5. Bottasso, C.L.,,Campagnolo, F.,Croce, A., and Maffenini, L. Developmentofa Wind Tunnel Model for Supporting Researchon Aero-servo-elasticity and Control of Wind Turbines,13th International Conferenceon Wind Engineering, ICWE13, Amsterdam, The Netherlands, 2011. 

  6. Program andmanualavailableonlineat http://raphael.mit.edu/xfoil. 

  7. Hansen, M.O.L., Aerodynamics of Wind Turbines 2nd Ed., Earthscan, London, 2008. 

  8. Kim, B. S., A study on the optimum blade design and the aerodynamic analysis for the HAWT, Ph.D. Dissertation, Korea Maritime University, 2005. 

  9. Wood, D., Small Wind turbine : Analysis, Design, and Application, London, Springer, 2011. 

  10. Burton, T., Jenkins, N.,Sharpe, D.,and Bossanyi, E., Wind Energy Handbook 2nd Ed., Wiley&Sons, Hoboken, NJ, 2011 

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