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문제 정의
- 이 연구에서 고려한 터빈은 H형 다리우스(H-type darrieus) 터빈으로 날개 끝단에서의 손실(Tip loss)을 무시하고 최적 주속비 및 출력계수, 그리고 유동과 터빈 간의 상호작용 해석의 적용성 등을 검토하기 위하여 2차원 해석을 수행하였다. 터빈의 제원은 Table 1에서와 같이 기존 연구에서 적용한 터빈의 제원과 유사하게 결정하였으며, 터빈의 직경은 3.
- 이러한 방법은 프로펠러 등에 의하여 발생하는 추력 등을 평가하는 데에도 많이 적용되고 있는 방법으로 상대적으로 계산시간을 줄일 수 있는 방법이지만, 실제 터빈 날개가 가지고 있는 관성 모멘트(Inertial moment)를 표현하지 못하기 때문에 어떤 의미에서는 준정적해석(Quasi static analysis)이라고 할 수 있을 것이다. 이 연구에서는 기존 수치 시뮬레이션 방법을 대신하여 유체와 터빈 간의 상호작용을 고려하여 전체 시스템을 분석함으로써 상대적으로 실제 조류발전 터빈의 동작 메카니즘을 더욱 정확하게 모사하고자 하였다. 또한 실제 발전 시 터빈의 속도를 제어하는 부분을 외부 토크로 고려함으로써 터빈 속도 제어의 한계 등에 대해서도 분석하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 기존 수치 시뮬레이션 방법을 대신하여 유체와 터빈 간의 상호작용을 고려하여 전체 시스템을 분석함으로써 상대적으로 실제 조류발전 터빈의 동작 메카니즘을 더욱 정확하게 모사하고자 하였다. 또한 실제 발전 시 터빈의 속도를 제어하는 부분을 외부 토크로 고려함으로써 터빈 속도 제어의 한계 등에 대해서도 분석하였다. 아울러 동반논문(Yi et al.
- 이 연구에서는 유동에 의하여 발생하는 터빈의 운동을 모사할 수 있는 수치 시뮬레이션 방법을 적용하여, 대표적인 수직축 조류 발전 터빈인 H형 다리우스(Darrieus) 터빈의 발전효율 특성을 평가하였으며, 특히 유입속도에 따른 최적 주속비와 출력계수 등을 분석하였다. 또한 주속비에 따른 각속도와 토크의 변동률을 분석하여 터빈 날개가 가지고 있는 회전 관성 모멘트의 영향을 살펴보았다. NACA0020 익형을 갖고 0.
- 6는 주속비에 따른 토크 변동량을 정리한 결과이다. 유입속도에 따라 토크 및 각속도가 달리 발생하기 때문에 여기서는 각속도는 주속비를 무차원 상수로 변환하였고, 토크 변동량은 토크 평균으로 나누어 무차원화하여 비교하였다. 즉 주속비가 큰 것은 상대적으로 회전이 빠르기 때문에 회전 관성 모멘트가 큰 상태로 볼 수 있으며, 주속비가 작은 상태는 회전 관성 모멘트가 작은 상태라고 할 수 있다.
- 이 연구에서는 유동에 의하여 발생하는 터빈의 운동을 모사할 수 있는 수치 시뮬레이션 방법을 적용하여, 대표적인 수직축 조류 발전 터빈인 H형 다리우스(Darrieus) 터빈의 발전효율 특성을 평가하였으며, 특히 유입속도에 따른 최적 주속비와 출력계수 등을 분석하였다. 또한 주속비에 따른 각속도와 토크의 변동률을 분석하여 터빈 날개가 가지고 있는 회전 관성 모멘트의 영향을 살펴보았다.
- 그리고 r은 터빈 반경이다. 이러한 발전효율 특성곡선을 유입속도가 1m/s, 3m/s, 그리고 5 m/s인 경우에 대하여 각각 분석하였으며, 이를 Fig. 5에서 제시 하였다. 결과를 보면 유입속도가 3m/s와 5m/s인 경우에는 TSR 1.
- 1과 같다. 조류발전 터빈의 해석 영역은 유동방향으로 20D 이상으로, 유동 직각방향으로는 10D 이상으로 고려하여, 각각 80m, 50m로 결정하였으며, 2차원 해석을 위한 두께는 0.01m로 고려하였다. 해석 시 사용된 격자는 다면체 격자(Polyhedral mesh)로서 약 8만 5천개의 격자를 사용하였고, 조류발전 터빈 주위에 대해서는 충분히 조밀한 격자를 갖도록 하였다.
- 해석 시 사용된 격자는 다면체 격자(Polyhedral mesh)로서 약 8만 5천개의 격자를 사용하였고, 조류발전 터빈 주위에 대해서는 충분히 조밀한 격자를 갖도록 하였다. 특히 날개 단면의 모서리 주변은 더욱 조밀한 격자를 사용하여 모서리에서 발생하는 복잡한 유동현상을 잘 모사할 수 있도록 하였다. 한편, 경계조건으로는 일정한 속도로 들어오고(Velocity inlet condition), 일정한 압력 상태로 빠져 나가도록(Pressure outlet condition) 하였으며, 좌우 그리고 상하 경계는 대칭(Symmetry) 조건으로 설정하였다.
- 한편, 경계조건으로는 일정한 속도로 들어오고(Velocity inlet condition), 일정한 압력 상태로 빠져 나가도록(Pressure outlet condition) 하였으며, 좌우 그리고 상하 경계는 대칭(Symmetry) 조건으로 설정하였다. 한편 날개를 포함하여 충분한 영역을 회전 격자로 설정하기 위하여 회전체 경계(Rotating part interface)를 설정하였다.
- 특히 날개 단면의 모서리 주변은 더욱 조밀한 격자를 사용하여 모서리에서 발생하는 복잡한 유동현상을 잘 모사할 수 있도록 하였다. 한편, 경계조건으로는 일정한 속도로 들어오고(Velocity inlet condition), 일정한 압력 상태로 빠져 나가도록(Pressure outlet condition) 하였으며, 좌우 그리고 상하 경계는 대칭(Symmetry) 조건으로 설정하였다. 한편 날개를 포함하여 충분한 영역을 회전 격자로 설정하기 위하여 회전체 경계(Rotating part interface)를 설정하였다.
대상 데이터
- 터빈의 제원은 Table 1에서와 같이 기존 연구에서 적용한 터빈의 제원과 유사하게 결정하였으며, 터빈의 직경은 3.5m, 날개의 형상(Airfoil)은 상하 대칭형의 NACA0020, 날개의 시위 길이(Chord length)는 0.48 m, 그리고 날개 받음각(Angle of attack)은 0°로 고려하였다.
- 01m로 고려하였다. 해석 시 사용된 격자는 다면체 격자(Polyhedral mesh)로서 약 8만 5천개의 격자를 사용하였고, 조류발전 터빈 주위에 대해서는 충분히 조밀한 격자를 갖도록 하였다. 특히 날개 단면의 모서리 주변은 더욱 조밀한 격자를 사용하여 모서리에서 발생하는 복잡한 유동현상을 잘 모사할 수 있도록 하였다.
- 해석을 위한 조류발전 터빈 날개 단면 주위의 격자와 회전축의 격자, 그리고 전체 해석 영역에서의 격자는 다음 Fig. 1과 같다. 조류발전 터빈의 해석 영역은 유동방향으로 20D 이상으로, 유동 직각방향으로는 10D 이상으로 고려하여, 각각 80m, 50m로 결정하였으며, 2차원 해석을 위한 두께는 0.
이론/모형
- 그러나 인위적으로 각속도를 주어 일정한 회전운동을 하는 물체와 달리, 유동에 의하여 회전력이 발생하는 조류발전 터빈 등과 같은 장치들은 강체 회전 운동보다는 이러한 내부 물체의 6 자유도 운동을 유동과 함께 해석함으로써 터빈의 특성과 효율을 보다 실제적이고, 정확하게 예측할 수 있다. 이를 위하여 이 연구에서는 6자유도 운동을 모사할 수 있는 상용 CFD 코드인 Star-CCM+를 사용하여 발전효율을 평가하였다(CDadapco, 2006).
- 한편 유체에 대한 해석을 위하여 사용된 지배 방정식은 연속방정식, 운동량 방정식, 그리고 에너지 방정식이며, 난류 모델로는 Realizable k-ε, Two-layer all y+모델을 사용하였다.
성능/효과
- 또한 주속비에 따른 각속도와 토크의 변동률을 분석하여 터빈 날개가 가지고 있는 회전 관성 모멘트의 영향을 살펴보았다. NACA0020 익형을 갖고 0.131의 솔리디티를 갖는 수직축 터빈의 경우 끝단에서의 손실을 무시할 때 최적 주속비는 1.84이며, 최대 출력계수는 48%로 분석되었다. 또한 각속도가 증가할수록 각속도의 변동은 감소하나 토크의 변동은 줄어드는 것으로 분석되었다.
- 5에서 제시 하였다. 결과를 보면 유입속도가 3m/s와 5m/s인 경우에는 TSR 1.84 부근에서 최대 효율을 얻을 수 있으며, 효율은 각 유속 조건에서 각각 48.84%와 49.27%로 유속이 5m/s일 때 0.4% 정도 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 한편, 유속이 1m/s인 조건에서는 TSR=1.
- 또한 각속도가 증가할수록 각속도의 변동은 감소하나 토크의 변동은 줄어드는 것으로 분석되었다. 그러나 전체적으로 유입속도가 증가하여 터빈이 빨리 회전하는 경우 전체적인 변동량은 각속도와 토크 모두 감소하는 것으로 분석되었다.
- 13인 경우의 다리우스 터빈에 대한 결과이며, 익형이 바뀌거나 솔리디티가 다른 경우에는 최대 효율 및 최적 주속비가 달라진다. 기존 연구 사례를 보면 솔리디티가 커질수록 최적 주속비가 작아지며, 솔리디티가 작을수록 최적 주속비가 커지는 것을 알 수 있다. Han et al.
- 84이며, 최대 출력계수는 48%로 분석되었다. 또한 각속도가 증가할수록 각속도의 변동은 감소하나 토크의 변동은 줄어드는 것으로 분석되었다. 그러나 전체적으로 유입속도가 증가하여 터빈이 빨리 회전하는 경우 전체적인 변동량은 각속도와 토크 모두 감소하는 것으로 분석되었다.
- , 2012)와 비교해 보면 그 폭이 크게 감소하였음을 알 수 있다. 또한 기존 강제 회전에 의하여 해석한 경우는 위상에 따라 음의 토크 또는 음의 출력계수를 갖는 경우가 있는 것으로 분석되었지만 이 연구에서는 음의 토크가 작용하지 않는 것으로 분석되었다. 이는 날개의 관성 모멘트를 고려함으로써 회전 후 회전체의 회전 관성에 의한 효과로 사료된다.
- 2는 유속 5m/s에서의 과도응답(Transient analysis) 해석결과로 터빈 각속도와 축에서의 토크를 제시한 것이다. 유동에 의하여 토크가 발생된 1초 이후 터빈이 회전하기 시작하는 것을 알 수 있으며, 터빈의 회전이 충분히 발생한 1.5초 시점에서는 토크의 평균이 0에 가까워지는 것을 알 수 있다. 이는 정지해 있던 터빈의 관성 모멘트로 인하여 초기에는 유동에 의하여 발생한 토크가 정지 관성 모멘트보다 작아 회전하지 않으나 일단 회전하기 시작하면 회전 관성 모멘트로 인하여 토크가 더이상 걸리지 않게 되는 물리적인 현상으로 설명된다.
- 한편 이 연구에서 얻은 최적 주속비 1.84에서의 최대 효율은 NACA0020 형상을 사용하고, 솔리디티가 0.13인 경우의 다리우스 터빈에 대한 결과이며, 익형이 바뀌거나 솔리디티가 다른 경우에는 최대 효율 및 최적 주속비가 달라진다. 기존 연구 사례를 보면 솔리디티가 커질수록 최적 주속비가 작아지며, 솔리디티가 작을수록 최적 주속비가 커지는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 이러한 해양에너지를 신재생 에너지 자원으로 개발하고자 하는 노력이 오래전부터 지속되었으며 조력 에너지의 경우 지난 2011년 시화호 조력발전소 준공을 계기로 세계에서 가장 큰 규모의 조력발전소를 운용하고 있다. 한편 조류 에너지의 경우 울돌목을 비롯하여 장죽 수도, 맹골수도, 강화수도 등 여러 해역에서 상용 발전이 가능한 정도의 조류가 흐르고 있어 경제성 있는 시스템 기술이 개발된다면 상용화가 가능할 것으로 기대되고 있다. 특히 조류발전의 경우 방조제로 해수 유통을 차단할 필요가 없고 조력발전과 마찬가지로 발전량 예측이 가능하기 때문에 해양 신재생 에너지 개발에 있어 많은 관심을 받고 있다.
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