본 연구에서는 BEMT(Blade ElementMomentum Theory)에 의해 우선 정격 출력 100 kW인 수평축 조류 발전용 단일 터빈에대한 기본 형상 설계를 진행하고, CFD 해석을 통해 블레이드 주변 유동특성 파악 및 출력 성능 예측을 하였다. 기본적인 에어포일은 FFA-W3-301, DU-93-W210, NACA-63418을 사용하였다. 이를 바탕으로 상반회전 터빈의 특성을 고찰한 결과, 설계 주속비 5.17에서 최대 출력계수는 0.495이며, 터빈의 출력은 101.82 kW를 얻었다.
본 연구에서는 BEMT(Blade Element Momentum Theory)에 의해 우선 정격 출력 100 kW인 수평축 조류 발전용 단일 터빈에대한 기본 형상 설계를 진행하고, CFD 해석을 통해 블레이드 주변 유동특성 파악 및 출력 성능 예측을 하였다. 기본적인 에어포일은 FFA-W3-301, DU-93-W210, NACA-63418을 사용하였다. 이를 바탕으로 상반회전 터빈의 특성을 고찰한 결과, 설계 주속비 5.17에서 최대 출력계수는 0.495이며, 터빈의 출력은 101.82 kW를 얻었다.
This study looks at the design of a 100 kW blade geometry for a horizontal marine current turbine using the Blade Element Momentum Theory (BEMT) and by using (CFD), the power output, performance and characteristics of the the fluid flow over the blade is estimated. Three basic airfoils; FFA-W3-301, ...
This study looks at the design of a 100 kW blade geometry for a horizontal marine current turbine using the Blade Element Momentum Theory (BEMT) and by using (CFD), the power output, performance and characteristics of the the fluid flow over the blade is estimated. Three basic airfoils; FFA-W3-301, DU-93-W210 and NACA-63418, are used along the blade span and The distribution of the chord length and twist angles along the blade are obtained from the hydrodynamic optimization procedure. The power coefficient curve shows maximum peak at the rated tip speed ratio of 5.17, and the maximum power reaches about 101.82 kW at the power coefficient of 0.495.
This study looks at the design of a 100 kW blade geometry for a horizontal marine current turbine using the Blade Element Momentum Theory (BEMT) and by using (CFD), the power output, performance and characteristics of the the fluid flow over the blade is estimated. Three basic airfoils; FFA-W3-301, DU-93-W210 and NACA-63418, are used along the blade span and The distribution of the chord length and twist angles along the blade are obtained from the hydrodynamic optimization procedure. The power coefficient curve shows maximum peak at the rated tip speed ratio of 5.17, and the maximum power reaches about 101.82 kW at the power coefficient of 0.495.
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문제 정의
본 연구는 김문오의 석사학위논문(“수평축 풍력 및 조류발전용 터빈 블레이드 최적설계와 성능해석에 관한 연구”, 한국해양대학교 대학원)의 일부를 개선한 것이다.
본 연구에서 사용된 Solver는 ANSYS CFX 11.0 이며, 유체기계 해석에 최적화된 상용코드인 CFX-TASCflow의 기술과 다상유동해석, 화학반응 해석, 연소해석 등의 목적으로 최적화된 CFX-4를 결합한 형태의 Fully implicit pressure-based coupled solver이다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transportation)모델을 사용하였다(ANSYS Inc,2007).
제안 방법
Fig. 3에서와 같이 주 터빈과 보조터빈의 격자 생성을 원활하게 하기 위해 각각 분할하여 실시하였으며, 수치해석 시 계산의 수렴성을 확보하기 위해 보조터빈과 주 터빈의 거리를 터빈의 반경(R)인 4 m로 정하였다.
격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체 격자계는 정렬 다중 블록 격자계(Structured multi-block grid)로 구성하였다. 또한, 유동해석을 수행할 때 가장 큰 에러의 원인 중의 하나는 난류모델의 부적절한 사용이라 할 수 있으며, 계산격자의 생성은 적용 난류모델의 특성에 따라 원활한 수렴 및 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해 y+, 경계층 격자 밀집도, 격자형태, 벽면 근처의 종횡비(aspect ratio)등을 신중히 고려해야 한다.
따라서 본 연구에서는 해석 결과의 신뢰성을 위해 k-ω SST 난류를 사용하였으며, 해석 정확도를 고려하여 터빈 주위에 격자를 집중 배치하였다.
본 연구에 앞서 정격유속 2 m/s일 때 정격출력이 100 kW인 수평축 조류 발전용 단일 터빈에 대해서 설계하였으며, 제원은 Table 1과 같다(Kim, 2011).
0R에는 NACA 5,6 series의 foil을 주로 사용하며, 그 이하의 구간에는 긴 블레이드의 구조적 강도 및 안정성, 높은 받음각 등을 고려하여 두께가 두꺼운 foil를 주로 사용하게 된다(Kim, 2011). 본 연구에서는 0.75 ~ 1.0 R까지는 NACA-63418를 배치시켰으며, 0.3 ~ 0.7 R까지는 DU-93-W210 foil을 배치시켰다. 그리고 0.
본 연구에서는 단일 터빈과 상반회전 터빈의 기본설계의 데이터를 바탕으로 성능예측과 유동특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 보다 효율적인 계산을 위해 블레이드 주변에는 O-type, 외부에는 H-type 격자로 구성하였다.
본 연구에서는 상반회전 조류 발전용 블레이드 설계에 앞서 BEMT(Blade Element Momentum Theory)에 의한 100 kW 수평축 조류 발전용 단일 터빈에 대한 기본 형상 설계를 진행하였으며, 상반회전 터빈의 유속 변화에 따른 터빈 주변 유동특성 파악 및 출력 성능예측을 수행하였다.
이론/모형
0 이며, 유체기계 해석에 최적화된 상용코드인 CFX-TASCflow의 기술과 다상유동해석, 화학반응 해석, 연소해석 등의 목적으로 최적화된 CFX-4를 결합한 형태의 Fully implicit pressure-based coupled solver이다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transportation)모델을 사용하였다(ANSYS Inc,2007). 이 모델은 k-ε 모델과 k-ω 모델의 장점만을 융합한 모델로써 벽면 근처의 경계층 영역에서는 k-ω 모델이 사용되며 주유동장에 대해서는 k-ε 모델이 사용된다.
전산유체역학(CFD)은 유체역학과 수치해석을 병합시켜 수학적으로 풀기 어려운 비선형 편미분 방정식들의 근사해를 구하는 학문으로 실제 유체 흐름 현상을 수학적으로 묘사하여 편미분 방정식을 컴퓨터를 이용하여 해석하는 것으로 유체의 흐름 특성, 물질전달 등의 유체 현상을 시뮬레이션 하는 것이다. 블레이드 내의 난류 유동장 특성을 파악하기 위해서 연속 방정식과 난류모델 방정식을 이용하여 계산을 하였다(ANSYS Inc, 2007).
이 모델은 k-ε 모델과 k-ω 모델의 장점만을 융합한 모델로써 벽면 근처의 경계층 영역에서는 k-ω 모델이 사용되며 주유동장에 대해서는 k-ε 모델이 사용된다.
성능/효과
1. 상반회전 터빈은 정격출력 조건인 2 m/s일 때 최대 출력계수 0.495를 얻을 수 있었으며, 출력은 101.82 kW를 얻었다. 유속이 증가할수록 상반회전 터빈의 출력은 단일터빈보다 지속적으로 증가하였다.
2. 상반회전 터빈은 단일 터빈보다 출력은 3.7 %, 출력계수는 1.9 % 증가하였다.
3. 보조 터빈의 회전에 의해 발생하는 후류의 영향이 주 터빈의 출력에 상당한 영향을 초래한다는 것을 확인할 수 있었다.
4. 터빈 국부단면 흐름 특성으로부터 표면을 따라 반경반향으로 진행하는 반경류의 형성을 표면 유선으로부터 확인할 수 있으며, 터빈의 회전방향 속도 성분이 지배적임을 알 수 있었다.
수치해석 결과 보조 터빈의 회전에 의해 발생하는 후류의 영향이 조류 발전 시스템의 출력 특성 및 성능에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 확인 할 수 있었다.
82 kW를 얻었다. 유속이 증가할수록 상반회전 터빈의 출력은 단일터빈보다 지속적으로 증가하였다.
후속연구
5. 풍력에서 사용하는 개념을 그대로 사용하고 있는 조류발전용 터빈을 조류의 특성에 맞게 변형시켜 터빈 성능 확인이 필요하며, 시간 및 주변의 환경에 따라 다양하게 변화하는 조류의 흐름을 고려한 터빈 설계 연구의 기초로써 유속변화에 대한 CFD 해석이 필요하다고 판단된다.
6 m/s인 경우의 날개 끝 와류 발생을 나타내고 있다. 날개끝 와류의 발생은 순환분포의 감소에 의한 손실의 형태로 표현되므로 이러한 현상을 줄이기 위하여 다양한 형태의 날개 끝 형상의 변형이나 보조 장치의 장착 등을 고려할 필요가 있으며, 전방의 보조 터빈의 유입각의 변화가 주 터빈의 성능에 미치는 영향에 대해 연구할 필요성이 있다.
본 연구에서는 단일 터빈과 상반회전 터빈의 기본설계 데이터를 바탕으로 유속변화에 따른 기본 특성만을 비교한 것이며, 향후 유입각 등과 같은 추가적인 변수를 고려한 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광이나 풍력의 문제점은 무엇인가?
전 세계적으로 기후변화협약에 따른 이산화탄소 절감 노력이 이루어지고 있는 가운데 우리나라도 최근에 경제성장을 추구하되 화석연료 의존도를 낮추는 ‘저탄소 녹색성장’ 계획을 세우고, 2030년까지 신재생에너지 이용률 목표를 11 %로 확대하는 정책을 추진 중이다. 재생 에너지의 주류로 볼 수 있는 태양광이나 풍력은 기상에 영향을 받아 에너지 생산의 예측이 쉽지 않고 계절에 따라서 발전량이 크게 변하는 문제점을 지닌다. 우리나라는 서해안과 남해안의 조수간만의 차로 인한 해양에너지 자원이 풍부한 천혜의 조건을 갖추고 있다.
수평축 터빈 방식의 장점은 무엇인가?
수평축 터빈 방식은 추진장치인 프로펠러의 역개념으로, 조류의 방향과 평행한 축을 가진 터빈의 날개 각도(blade pitch angle)를 조절하여 발생하는 양력으로 축의 회전을 만들어 내는 개념이다. 풍력발전을 바다라는 환경으로 확장한 개념으로 원리가 단순하다는 장점이 있지만, 조류의 방향이 축과 일치하여야 효율이 보장되고 조류가 역전되면 회전 방향이 바뀌는 단점이 있다. HAT의 효율을 극대화하기 위하여 터빈의 직경, 날개 수, 반경방향 피치분포, 날개 코드길이(혹은 확장면적비) 등이 주어진 제약조건, 즉 조류와 공간의 특성, 목표동력, 캐비테이션 등에 따라 결정되어야 한다(Jung et al.
기후변화협약을 바탕으로 우리나라에서 세운 계획은 무엇인가?
전 세계적으로 기후변화협약에 따른 이산화탄소 절감 노력이 이루어지고 있는 가운데 우리나라도 최근에 경제성장을 추구하되 화석연료 의존도를 낮추는 ‘저탄소 녹색성장’ 계획을 세우고, 2030년까지 신재생에너지 이용률 목표를 11 %로 확대하는 정책을 추진 중이다. 재생 에너지의 주류로 볼 수 있는 태양광이나 풍력은 기상에 영향을 받아 에너지 생산의 예측이 쉽지 않고 계절에 따라서 발전량이 크게 변하는 문제점을 지닌다.
참고문헌 (9)
Jo, C. H.(2007), Ocean Current Power Characteristic and internal-external technology development trend, The Journal of Korean Solar Energy Society, Vol. 6, No. 1, pp. 9-19.
Jung, H. J., S. H. Rhee, M. S. Song and B. S. Hyun(2009), A Numerical Study of Unsteady Flow around a Vertical Axis Turbine for Tidal Current Energy Conversion, Journal of the Korea Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 9-14.
Kim, M. O., C. G. Kim, Y. T. Kim and Y. H. Lee(2010), A Performance Estimate of 5kW HAWTs by CFD, Korea Wind Energy Association, pp. 47-52.
Kim, M. O.(2011), A Study on the Optimum Blade Design and Performance Analysis for Horizontal Axis Wind Turbine & Tidal Current Turbine, Master's thesis, pp. 74-75.
Kim, B. S.(2005), A Study on the Optimun Blade Design and the Aerodynamic Performance Analysis for the Horizontal Axis Wind Turbines, Doctor's thesis, pp. 60-61.
Kim, B. G., C. J. Yang and M. S. Choi(2012), A Study on the Performance of an 100 kW Class Tidal Current Turbine, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, pp. 145-152.
Cho, Y. M., T. S. No, S. N. Jung and J. Y. Kim(2005), Performance Analysis and Pitch Control of Dual-Rotor Wind Turbine Generator System, The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 6, pp. 40-50.
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