[논문]도시형 소형 수직축 풍력 발전기의 형태별 성능에 대한 실험적 고찰

강덕훈; 신원식; 이장호

doi:10.5293/kfma.2014.17.6.064

도시형 소형 수직축 풍력 발전기의 형태별 성능에 대한 실험적 고찰
Experimental study on the performance of urban small vertical wind turbine with different types 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.6, 2014년, pp.64 - 68

강덕훈 (군산대학교 일반대학원) , 신원식 (군산대학교 일반대학원) , 이장호 (군산대학교 기계자동차 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is intended to provide experimental data for the design of the small VAWT(vertical axis wind turbine). Three types(lift, drag, and hybrid) of the blade of VAWT are tested with digital wind tunnel in this study. From the test, the relation of power coefficient and tip speed ratio for the blades are evaluated and compared each other depending on the blade type. Especially, the characteristics of hybrid blade which is shown to be expanded in the market without any logical data is proposed in the relation of power coefficient and tip speed ratio. It is shown that the hybrid blade can be used to make higher starting torque with trade off of degradation of power coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수직축 풍력발전기의 대표적인 날개형태인 사보니우스형과 다리우스형, 그리고 이 두 가지 형태를 혼합시킨 혼합형 블레이드에 대한 공력 특성을 실험적인 방법으로 고찰하고자 한다.

제안 방법

블레이드 이외의 조건에서 발생되는 토크를 제거하기 위해 유동이 없는 상태에서 파워 서플라이의 전압 조절을 통하여 일정 회전수로 시험 모델을 회전시켜 주고 이때의 토크 값을 측정 하였다. 그리고 유동이 있는 상태에서 측정된 토크 값을 측정하고 측정된 두 토크 값의 차를 이용하여 블레이드의 발생 토크를 산출 하였으며 이로서 DC모터는 회전수 제어를 위해 사용할 뿐 측정된 토크 값에는 아무런 영향을 미치지 않는다.^(6,7)
본 연구에서는 수직형 소형 풍력발전기의 대표적인 형태인 항력형, 양력형, 혼합형에 대한 공력시험을 수행하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
DC모터는 풍동 외부에 있는 파워서플라이(⑤)에서 전원을 공급하게 되고 공급되는 파워에 의해 시험 모델은 회전을 하게 된다. 블레이드 이외의 조건에서 발생되는 토크를 제거하기 위해 유동이 없는 상태에서 파워 서플라이의 전압 조절을 통하여 일정 회전수로 시험 모델을 회전시켜 주고 이때의 토크 값을 측정 하였다. 그리고 유동이 있는 상태에서 측정된 토크 값을 측정하고 측정된 두 토크 값의 차를 이용하여 블레이드의 발생 토크를 산출 하였으며 이로서 DC모터는 회전수 제어를 위해 사용할 뿐 측정된 토크 값에는 아무런 영향을 미치지 않는다.
제작 모델의 성능 실험은 동일한 풍속에 대해 회전수 변화에 따른 토크를 측정한 뒤 끝단속도비와 출력계수의 관계(λ-Cp)를 도출하는 방식으로 이루어진다.

대상 데이터

본 연구에서 활용된 실험 모델은 Fig. 6과 같이 헬리컬 사보니우스, H-다리우스, 그리고 양항력 혼합형 블레이드 세종류 이며, 풍동에 설치되었을 때 유동 차폐율이 10 % 이하가 되도록, Table 1에 제시된 제원으로 제작되었다.

이론/모형

시험을 수행함에 있어 불확도의 분석은 반드시 필요한 과정중 하나이다. 본 연구에서는 AIAA(American Institute of Aeronautics and Astronautics)의 불확도 분석 방법을 적용 한 식 (4)를 이용하여 불확도를 산출하였다.⁹⁾ 식 (4)의 우측 첫째 항부터 순서대로 토크 측정값에 대한 불확도, 회전수에 대한 불확도, 공기 밀도 값에 대한 불확도, 단면적에 대한 불확도, 풍속에 대한 불확도를 나타내며 이들의 합성 불확도가 날개 의 출력계수에 대한 불확도가 된다.
8과 같다. 성능 측정을 위해 군산대학교 풍력기술 연구센터에서 개발된 디지털 풍동이 사용되었으며, 그 대략 적인 사양은 Table 3에 제시된 바와 같으며 자세한 사양은 참고문헌 (8)에 제시된 바와 같다.

성능/효과

1) 사보니우스 형태의 블레이드는 끝단속도비의 값이 1.5영역 이하에서 작동되며, 최대 출력계수는 이 값(λ)이 약 0.8인 부근에서 약 0.15 정도 되는 것으로 측정되었다.
2) 다리우스 형태의 블레이드는 끝단속도비가 약 1.0∼5.0인 영역에서 작동되며, 이 값(λ)이 약 2.0인 영역에서 약 0.26 정도의 최대 출력계수가 계측되었다.
3) 혼합형 블레이드는 끝단속도비가 약 0.8∼2.4인 영역에서 작동되며, 이 값이 약 1.4 될 때 약 0.22 정도의 최대 출력계수를 나타냈다.
4) 사보니우스 형태와 다리우스 형태의 블레이드는 기존의 참고문헌에서 알려진 특성과 유사한 경향의 실험 결과가 도출되었으며, 혼합형 블레이드가 작동되는 끝단속도비의 영역은 사보니우스 형태와 다리우스 형태의 중간 영역에 해당되는 것으로 나타났다 (Fig. 12참조).
5) 양력 익형에 항력적 요소를 추가한 혼합형 블레이드의 경우, H-다리우스 형의 작은 기동토크를 개선하는 효과가 있는 것으로 확인되었으며, 최대출력계수의 감소가 일정부분 수반되는 것으로 나타났다 (Fig. 12참조).
H-다리우스 모델의 실험 결과는 Fig. 10에서 제시된바와 같이 끝단속도비가 1.0∼5.0 인 영역에서 작동되며, 이 값(λ)이 증가함에 따라 출력 계수가 증가하다가 약 2.0 전후에서 약 0.26 정도의 최대 출력계수를 보이고 그 이후에는 출력 계수가 감소하는 것으로 나타났다.
실험에서 사용된 적절한 실험 범위와 간격은, 예비실험을 통하여 최대 출력계수를 나타내는 끝단속도비(λ)의 값을 사전에 확인한 뒤, 이 점 전후의 실험값 들이 포함될 수 있도록 결정되었으며, 각 측정 포인트에서 3분 동안 측정된 값들의 평균값을 기준으로 출력계수(Cp)등이 산출되었다.
헬리컬 사보니우스 모델의 실험 결과는 Fig. 9에서 제시된바와 같이 끝단속도비가 1.5 이하인 영역에서 작동되며, 이 값(λ)이 증가함에 따라 출력 계수가 증가하다가 약 0.8전후에서 약 0.15 정도의 최대 출력계수를 보이고, 그 이후에는 출력 계수가 감소하는 것으로 나타났다.
혼합형 모델의 실험 결과는 Fig. 11에서 제시된바와 같이 끝단속도비가 0.8∼2.4인 영역 작동되며, 이 값(λ)이 증가 함에 따라 출력 계수가 증가하다가 이 값(λ)이 약 1.4 전후에서 약 0.22의 최대 출력계수를 나타내고 이후에는 출력 계수가 감소하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 풍력 발전은 어떤 장소에 설치되어 활용되고 있는가?	최근 소형 풍력 발전은 가로등, 건물 옥상 등 그 설치 장소나 용도가 다양하게 적용되어 활용되고 있다 이는 대형 풍력터빈과는 다르게 내부 구조나 제품의 설치가 간단하기 때문인데, 최근에는 수직형 풍력 터빈이 도심 환경이나 건물의 구조와 조화롭게 디자인되어 설치되는 사례가 증가하고 있다(Fig. 1).
	소형 수직축 풍력 발전기는 회전력을 발생시키는 원리에 따라 어떻게 구분되는가?	소형 수직축 풍력 발전기는 수평축과 다르게 요잉 제어(바람 방향에 맞추어 회전축의 중심을 움직이는 제어)를 필요로 하지 않는 것이 특징인데, 회전력을 발생시키는 원리에 따라 항력형, 양력형, 그리고 혼합형으로 구분될 수 있다.
	항력형 블레이드와 양력형 블레이드는 정격 운전점에서 발생되는 역토크 때문에 어떤 문제가 발생될 것으로 추정되는가?	두 방식 모두 항력이 작용되도록 구성되었기 때문에 풍속과 회전속도가 낮은 경우에 기동토크가 향상 될 것으로 기대되나, 이와 함께 정격 운전점에서 발생되는 역토크 때문에 출력계수 손실이 일정부분 발생될 것으로 추정된다.

참고문헌 (9)

문창호, 김용이, 2010. 12, "도시의 건축 디자인에서 풍력터빈의 이용에 대한 사례 연구", 대한건축학회지회연합회논문집, Vol. 12, No. 4, pp. 23-30.
Eric Hau, 2005, "Wind Turbines", Springer, p.101.
정진환, 강기원, 김범수, 이장호, 2010. 12, "H-다리우스 블레이드의 형상 변화에 따른 기동특성 해석", 유체기계저널, Vol. 14, No. 3호, pp. 45-49.
DuLian, 석사학위 논문, 2008, "다리우스형 수직풍력터빈의 해석방법에 관한 연구", 군산대학교 일반대학원.
이규용, 이우석, 서영택, 오철수, 2003. 07, "다리우스 풍력터빈 발전기의 기동특성", 대한전기학회 논문집B, pp. 1018-1020.
Buyung Kosasih, Andrea Tondelli, 2012, "Experimental study of shrouded micro-wind turbine", Procedia Engineering 49, pp. 92-98.

상세보기
Carlo L.Bottasso, Filippo Campagnolo, Vlaho Petrovic, 2014. 2, "Wind tunnel testing of scaled wind turbine models: Beyond aerodynamics", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 127, pp. 11-28.

상세보기
강덕훈, 우영진, 이장호, 2012. 10, "디지털 풍동을 활용한 풍력 발전기 날개 단면 형상 개발에 관한 연구", 유체기계저널, Vol. 15, No. 5, pp. 42-47.

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권기정, 2005, "타원 익형 공력 및 유동장 특성에 대한 실험적 연구", KAIST 박사학위 논문.

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