[논문]유동해석을 통한 수직축 풍력발전 터빈의 성능 예측

김종호; 김종봉; 오영록

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.4.423

유동해석을 통한 수직축 풍력발전 터빈의 성능 예측
Performance Prediction of Wind Power Turbine by CFD Analysis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.4 = no.331, 2013년, pp.423 - 429

김종호 (서울과학기술대학교 기계시스템공학과) , 김종봉 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 오영록 (에너윈코리아(주))

초록
AI-Helper

수직축 풍력발전기의 발전 전력을 유동해석을 이용하여 예측하였다. 해석은 블레이드 회전 속도를 고정하고 그 회전 속도에서 토크를 반력으로 추출하였다. 여러 경우의 블레이드의 회전 속도에 대해 토크를 구하고 발전 용량을 계산하였다. 회전 속도에 따른 발전 토크와 발전 용량을 계산함으로써 최적의 발전기와 그 때의 회전 속도를 선정할 수 있었다. 또한, 블레이드의 개수와 블레이드의 형상에 대해 해석을 수행하여 그 영향을 분석하였다. 마지막으로 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of a vertical-type wind power generator system was predicted by CFD analysis. In the analysis, the reaction torque was calculated for a given rotational speed of the blades. The blade torque of a wind power system was obtained for various rotational speeds, and the generation power was calculated using the obtained torque and the rotational speed. The optimum generator specification, therefore, could be decided using the relationship between the generated power and the rotational speeds. The effects of the number of blades and blade shapes on the generation power were also investigated. Finally, the analysis results were compared with the experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

5 m/s에서만 발전성능을 확인하였다. 본 논문은 개념설계 단계에서 발전 성능에 대한 예측 수준이기 때문에 이 정도 해석으로 검토가 가능하다고 판단된다. 풍속에 따른 발전기 제어 등의 상세설계가 필요한 경우에 추가적인 해석이 필요할 것이다.
친환경 대체 에너지로 풍력, 수력, 태양열 에너지가 대표적으로 연구되고 있다. 본 연구는 이 중에서 풍력에너지의 에너지 변환 효율의 예측에 관한 것이다. 풍력 에너지를 활용하기 위한 풍력 발전기 관련 연구가 최근 많이 진행되었다.
본 연구에서는 수직축 풍력 터빈의 날개의 개수와 터빈 내부에 바람의 관통 경로의 유무에 따른 유동해석을 수행하여 그 효과를 분석하였다. 안내익(Inlet Guide Vane)의 형상과 날개의 형상은 고정하였다.
최적의 블레이드 설계를 위해서는 블레이드 형상 최적화, 날개의 개수 최적화 등이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 최적화에 대한 부분은 수행하지 않았고, 개념 설계 과정에서 제안된 형상에 대해 발전 성능만을 우선적으로 확인하고자 하였다. 풍속에 대해서도 기동속도 부근인 5 m/s와 최고속도 부근인 12.

제안 방법

금종윤⁽¹⁾은 수직축 풍력 터빈에서 효율에 영향을 주는 인자를 찾고 최대 효율을 얻을 수 있는 터빈의 날개 수, 날개폭 비, 날개의 각도 등을 제시하였다. 강원태와 신병록⁽²⁾은 수직축 터빈에 대하여 풍동실험 및 수치해석을 통한 에너지 변화 효율과 성능평가에 관하여 검토하고 풍속에 따른 최적 운전 조건에 대하여 검토하였다. 박준용 등⁽³⁾은 바람을 터빈 안쪽으로 유도해 주는 안내익(Guide Vane)의 입출구 면적비와 로터의 날개 받음각(Angle of Attack)의 효과를 실험적으로 분석 하여 최적의 형상을 제안하였다.
날개 안쪽이 개방되어 있어서 바람이 앞쪽에서 뒤쪽으로 통과할 수 있는 구조이다. 결과를 보다 잘 볼수 있게 하기 위해 터빈 부분만 확대하여 도시하였다. 앞 장에서 언급하였듯이, 터빈에서 속도입구 (Velocity Inlet) 위치까지 거리(L₂)가 짧은 경우 속도입구 부분의 압력이 대기압보다 높았고, 입구폭에 대한 L₂의 길이의 비(L₂/W)를 1.
실제로 발전에 이용되는 값은 이 값의 평균이다. 그래서 일정하게 반복이 되는 구간의 10회전 동안의 값을 평균을 구해서 발전기에 걸리는 토크로 하였다.
그래서 정확하게 해석 하기 위해서는 충분한 거리를 두고 해석을 수행해야 한다. 본 연구에서는 안내익과 속도경계조건 지점 사이의 거리를 바꾸어 가면서 해석을 수행하여 해석에 영향을 주지 않는 충분한 거리 (L₂/W=1.67)로 설정을 하였다.
직사각형 내부를 해석 영역으로 설정하였고, 터빈의 안내익과 날개는 유체와 고체의 경계면을 묘사하는 Rigid wall로 처리하였다. 사각형 해석 영역의 위 부분은 바람이 불어오는 입구이고 속도 경계조건(Velocity inlet)으로 하였고, 나머지 3변은 압력 경계조건 (Pressure outlet)으로 처리하였고 대기압 조건을 부여하였다. Fig.
물론 전기적 손실과 기계적 손실을 무시했을 경우이다. 이와 같은 방법으로 다른 경우에도 해석을 수행하여 분석하였다.
직사각형 내부를 해석 영역으로 설정하였고, 터빈의 안내익과 날개는 유체와 고체의 경계면을 묘사하는 Rigid wall로 처리하였다. 사각형 해석 영역의 위 부분은 바람이 불어오는 입구이고 속도 경계조건(Velocity inlet)으로 하였고, 나머지 3변은 압력 경계조건 (Pressure outlet)으로 처리하였고 대기압 조건을 부여하였다.
터빈의 날개 형상은 고정하였고, 날개의 개수와 속도에 대해 Table 1에 보인 경우에 대해 해석을 수행하였다. 최적의 블레이드 설계를 위해서는 블레이드 형상 최적화, 날개의 개수 최적화 등이 수행되어야 한다.
2는 2차원 해석 모델을 보여준다. 터빈의 맨 앞쪽(위 쪽)에 1차 안내익(Guide Vane 1)이 있고, 터빈으로 들어가는 바람의 힘을 최대로 활용하기 위해 그 안쪽에 2개의 2차 안내익(Guide Vane 2)을 추가하였다.
풍력 터빈의 발전전력을 예측하기 위해 CFD 해석을 수행하였다. 터빈의 회전속도별 발전 토크를 계산하여 발전되는 전력을 계산하였다. 해석은 날개의 수와 터빈 내부에 바람의 관통 경로 유무에 대해서 수행하였다.
풍력 터빈의 발전전력을 예측하기 위해 CFD 해석을 수행하였다. 터빈의 회전속도별 발전 토크를 계산하여 발전되는 전력을 계산하였다.
풍속에 따른 발전기 제어 등의 상세설계가 필요한 경우에 추가적인 해석이 필요할 것이다. 풍속이 5 m/s인 경우에는 터빈의 회전속도를 50, 75, 100, 125, 150 rpm으로 설정하고 해석을 수행하였고, 풍속이 12.5 m/s인 경우에는 터빈의 회전속도를 50, 100, 150, 200, 250 rpm으로 설정하고 해석을 수행하였다.
실제 풍력발전기에서는 바람이 불면 발전기 토크와 바람에 의한 토크가 평형을 이루는 속도로 블레이드가 회전한다. 해석에서 이와 같은 현상을 구현하는데 어려움이 있어, 블레이드의 속도를 고정하고 그 속도에서 블레이드를 회전시키는 반력의 개념으로 토크를 구하였다. 이렇게 해석할 경우, 반력으로 계산된 값의 토크를 가지는 발전기를 사용하면 그 때 지정해준 속도록 회전한다고 분석할 수 있다.
터빈의 회전속도별 발전 토크를 계산하여 발전되는 전력을 계산하였다. 해석은 날개의 수와 터빈 내부에 바람의 관통 경로 유무에 대해서 수행하였다. 또한 실물을 제작하여 풍동에서 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서는 수직축 풍력 터빈의 날개의 개수와 터빈 내부에 바람의 관통 경로의 유무에 따른 유동해석을 수행하여 그 효과를 분석하였다. 안내익(Inlet Guide Vane)의 형상과 날개의 형상은 고정하였다. 또한 실험을 수행하여 해석의 결과와 비교하였다.

데이터처리

안내익(Inlet Guide Vane)의 형상과 날개의 형상은 고정하였다. 또한 실험을 수행하여 해석의 결과와 비교하였다. 해석과 실험을 통해 CFD 해석으로 풍력 터빈의 효율을 비교적 잘 예측할 수 있음을 알 수 있었다.

이론/모형

해석은 Fluent로 수행하였고, 난류 모델로는 standard k-ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

(2) 터빈 내부에 바람이 관통할 수 있는 경로가 있는 것이 발전 전력이 큼을 보였다. 바람의 관통 경로가 없는 경우 바람이 터빈 내에 적체되어 전방 날개을 회전시키려는 모멘트 외에 후방 날개를 뒤로 밀어서 회전 모멘트를 감소시키기 때문이다.
(3) 풍속이 5 m/s인 경우에는 기계적 손실과 발전기의 전기적 손실이 발전 전력과 비슷한 수준이어서 해석 오차가 크게 관찰되었다. 하지만, 풍속이 12.
8) 두 결과의 경향은 비슷함을 알 수 있다. 이상의 결과로 볼 때, 기계적 손실과 전기적 발전 효율을 알 수 있다면, 전산유체역학 해석을 통해서 풍력 발전기의 효율을 잘 예측할 수 있음을 알 수 있다.
또한 실험을 수행하여 해석의 결과와 비교하였다. 해석과 실험을 통해 CFD 해석으로 풍력 터빈의 효율을 비교적 잘 예측할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문은 개념설계 단계에서 발전 성능에 대한 예측 수준이기 때문에 이 정도 해석으로 검토가 가능하다고 판단된다. 풍속에 따른 발전기 제어 등의 상세설계가 필요한 경우에 추가적인 해석이 필요할 것이다. 풍속이 5 m/s인 경우에는 터빈의 회전속도를 50, 75, 100, 125, 150 rpm으로 설정하고 해석을 수행하였고, 풍속이 12.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 에너지원에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	최근 선진국을 중심으로 화석 에너지의 고갈과 환경 문제로 인해 친환경 에너지원원에 대한 관심이 크게 증가하였다. 친환경 대체 에너지로 풍력, 수력, 태양열 에너지가 대표적으로 연구되고 있다.
	항력을 활용하는 수직축 풍력 터빈에 관한 연구에는 무엇이 있는가?	소형에서 보다 효율이 좋은 풍력 터빈을 개발하기 위해 여러 가지가 시도되고 있는데, 항력을 활용하는 수직축 풍력 터빈이 그 중 하나이다. 금종윤(1)은 수직축 풍력 터빈에서 효율에 영향을 주는 인자를 찾고 최대 효율을 얻을 수 있는 터빈의 날개 수, 날개폭 비, 날개의 각도 등을 제시하였다. 강원태와 신병록(2)은 수직축 터빈에 대하여 풍동실험 및 수치해석을 통한 에너지 변화 효율과 성능평가에 관하여 검토하고 풍속에 따른 최적 운전 조건에 대하여 검토하였다. 박준용 등(3)은 바람을 터빈 안쪽으로 유도해 주는 안내익(Guide Vane)의 입출구 면적비와 로터의 날개 받 음각(Angle of Attack)의 효과를 실험적으로 분석 하여 최적의 형상을 제안하였다. 류경중과 김동현(4)은 실험과 해석을 병행하여 해석 방법에 대한 검증을 수행하고, 자체 개발한 에어포일을 사용하여 풍력발전 시스템을 제작하여 그 효용성을 연구하였다.
	대표적으로 연구되고 있는 친환경 대체 에너지에는 무엇이 있는가?	최근 선진국을 중심으로 화석 에너지의 고갈과 환경 문제로 인해 친환경 에너지원원에 대한 관심이 크게 증가하였다. 친환경 대체 에너지로 풍력, 수력, 태양열 에너지가 대표적으로 연구되고 있다. 본 연구는 이 중에서 풍력에너지의 에너지 변환 효율의 예측에 관한 것이다.

참고문헌 (13)

Kum, J.-Y., 2005, Structure Design and Experimental Appraisal of the Drag Force Type Vertical Axis Wind Turbine, Busan National University, M. S. Thesis.
Kang, W. T. and Shin, B. R., 2010, "A Study on the Evaluation of Performance of Vertical Axial Type Wind Turbine," Proceedings of the KSME fall Annual Meeting, pp. 3397-3400.
Park, J.-Y., Lee, M.-J., Lee, S.-J., Lee and Lee, S., 2009, "An Experimental Study on the Aerodynamic Performance of High-efficient, Small-Scale, Vertical-Axis Wind Turbine," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No. 8, pp. 580-588.

원문보기 상세보기
Ryu, K. J. and Kim, D. H., 2011, "CFD Analysis and Experiment of a Ciromill Type Vertical-Axis Wind Turbine," Proceedings of the KSCFE fall conference, pp. 207-213.
Kim, B.-S., Kim, M.-E. and Lee, Y.-H., 2008, "Predicting the Aerodynamic Characteristics of 2D Airfoil and the Performance of 3D Wind Turbine using a CFD Code," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 32, No. 7, pp. 549-557

원문보기 상세보기
Kim, H. K., Kim, T. S., Lee, J. H., Moon, B. Y. and Kang, K. W., 2011, "Full Scale Structural Testing of Small Wind Turbine Composite Blade," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 35, No. 11, pp. 1407-1413.

원문보기 상세보기
Kim, D. S., Jung, W. Y. and Jung, J., 2012, "Stress Analysis of the Blade Joint for a Small Wind Turbine," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 1, pp. 117-124.

원문보기 상세보기
Maheri, A., Noroozi, S. and Vinney, J., 2007, "Combined Analytical/FEA-Based Coupled Aero Structure Simulation of a Wind Turbine with Bend-Twist Adaptive Blades," Renweable Energy, Vol. 32, pp. 916-930.

상세보기
Nam, Y. S., Park, M. Y. and Yoo, N. S., 2006, "A Calibration and Uncertainty Analysis on the Load Monitoring System for a Low Speed Shaft and Rotor Blade of a Wind Turbine," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 5, pp. 560-567.

원문보기 상세보기
Nam, Y. S., Yoon, T. J. and Yoo, N. S., 2009, "Dynamic Characteristic Analysis of a Wind Turbine Depending on Varying Operational Conditions," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 33, No. 1, pp. 42-48.

원문보기 상세보기
Moon, C.-J., Cheang, E.-H., Shim, K.-S., Jung, K.-S. and Chang, Y.-H., 2008, "Feasibility Study of Wind Power Generation Considering the Topographical Characteristics of Korea," J. of the Korean Solar Energy Society, Vol. 28, No. 6, pp. 24-32.
Lee, M. S., Lee, S. H. and Hur, N. K., 2010, "A Numerical Study on the Effect of Mountainous Terrain and Turbine Arrangement on the Performance of Wind Power Generation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 34, No. 10, pp. 901-906.

원문보기 상세보기
Kim, B. T., 2011, "Efficiency Improvement Technology of Home Appliance Motor", J. of the Korean Institute of Power Electronics, Vo. 16, No. 6, pp. 39-44.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증