[논문]10kW급 상반전 풍력터빈 로터의 설계와 성능 평가에 관한 연구

황안둥; 양창조

doi:10.7837/kosomes.2014.20.1.104

초록
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상반전 풍력터빈은 설계와 성능 관점에서 최근 각광을 받기 시작하고 있다. 본 논문은 NREL S822, S823을 이용하여 설계 및 모델링한 상반전 풍력터빈에 대해 연구를 수행하였다. 본 논문은 수치해석 기법을 통하여 단일 풍력터빈과 상반전 풍력터빈을 각각 설계하고, 그 성능을 다양한 조건에서 비교하고자 하였다. 그 결과 상반전 풍력터빈은 단일 풍력 터빈에 비해 TSR 3~5 영역에서 보다 높은 성능계수를 나타냈으며, 그 보다 더 높은 TSR 영역에서는 낮은 성능계수를 나타내었다. 이것은 로터 상 하류의 간섭의 간섭 때문이며, 또한 본 연구에서는 낮은 영역의 TSR에서 운전되는 상반전 풍력터빈의 유효성을 함께 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The counter-rotating approach on wind turbine has been recently put in interest for its certain advantages in both design and performance. This paper introduces a study on a counter-rotating wind turbine designed and modeled using NREL airfoils S822 and S823. The aims of the study is to evaluate and...

The counter-rotating approach on wind turbine has been recently put in interest for its certain advantages in both design and performance. This paper introduces a study on a counter-rotating wind turbine designed and modeled using NREL airfoils S822 and S823. The aims of the study is to evaluate and discover the performance of the counter-rotating system, and compares to that of single rotor turbine of same design using numerical simulation. The results show higher performance of the counter-rotating system compared with single rotor case at TSR 3 to 5 but lower performance at higher TSR. This is due to the interaction between upstream and downstream rotors. Thus, the counter-rotating turbine is more efficient at low rotor rotational speed.

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1) In CRWT, each individual rotor has lower efficiency compared with single rotor turbine performance. This is due to the interaction between rotors themselves when operating in counter-rotating assembly.
2) The added counter-rotated rotor shows much lower performance than the initial rotor. This is reasonable as it is influenced by wake from the upstream rotor.

제안 방법

In summary, this studies provide an evidence to look closer at the concept of counter-rotating system to eventually produce quantitative comparison to single-rotor turbine. Energy capture in the rotor holds greate potential as its maximum overall power coefficient reaches 39 %.

대상 데이터

The constraints on the pitching moments and airfoil thicknesses have been satisfied. As the chosen turbine is a 10kW scale, considered as small wind turbine, it is suitable to apply the S822 and S823 airfoils in this study. The original airfoil profiles (Fig.
In this study, our model is a 10kW CRWT equipped with two rotors which rotate in opposite direction. The two rotors are designed with the same sizing and uses the same airfoil section.
NREL airfoils are specially designed for HAWT because of their ability that minimizes the energy loss due to roughness effects. In this study, the designed blade consists of root airfoil (S823) and tip airfoil (S822) which are specialized for small turbine rated at 2-20kW scale. The simulation results show an improvement in power coefficient of the counter-rotating design compared with conventional single rotor design, which proves the dominance of CRWT in terms of performance with regard to sizing and wind condition.
3. Profiles of S822 and S823.

성능/효과

3) Single rotor turbine reaches maximum power coefficient up to 37 % at TSR 6, while CRWT shows maximum total power coefficient of 39 % at TSR 5. The improvement of power coefficient is significant at low TSR region.
In this study, the designed blade consists of root airfoil (S823) and tip airfoil (S822) which are specialized for small turbine rated at 2-20kW scale. The simulation results show an improvement in power coefficient of the counter-rotating design compared with conventional single rotor design, which proves the dominance of CRWT in terms of performance with regard to sizing and wind condition. This design is suitable for small applications as households, small buildings, etc.

참고문헌 (10)

Betz, A.(1919), Schraubenpropeller mit Geringstem Energieverlust, Nach.der Kgl. Gesellschaft der Wiss. Zu Gottingen, Math-Phys. Klasse, pp. 193-217.
Burton, T., D. Sharpe, N. Jenkins and E. Bossanyi(2011), Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons Ltd, ISBN 13:978-0-471-48997-9 (H/B), pp. 42-46.
Chantharasenawong C., B. Suwantragul and A. Ruangwiset (2008), Axial Momentum Theory for Turbines with Co-axial Counter Rotating Rotors, Commemorative International Conference of the Occasion of the 4th Cycle Anniversary of KMUTT, SDSE2008, pp. 2-5.
Hartwanger, D. and A. Horvat(2008), 3D Modelling of a Wind Turbine Using CFD, NAFEMS Conference 2008, UK, pp. 6-7.
Herzog, R., A. P. Schaffarczyk, A. Wacinski and O. Zurcher(2010), Performance and stability of a counter rotating windmill using a planetary gearing: Measurements and Simulation, In proceeding of: European Wind Energy Conference EWEC 2010, pp. 1-7.
Ingram, G.(2011), Wind Turbine Blade Analysis Using the Blade Element Momentum Method, Version 1.1, pp. 5-15.
Kumar, P. S., R. J. Bensinh, A. Abraham and S. Ilangovan (2013), Computational and Experimental Analysis of a Counter-Rotating Wind System, Iournal of Scientific & Industrial Research, Vol. 72, pp. 300-306.
Newman, B. G.(1986), Multiple Actuator-Disc Theory for Wind Turbine, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 24, pp. 215-225.

상세보기
Somers, D. M.(2005), The S822 and S823 Airfoils, National Renewable Energy Laboratory (NREL), US, NREL/SR-500-36342, pp. 2-3.
Tangler, J. L. and D. M. Somers(1995), NREL Airfoil Families for HAWTs, National Renewable Energy Laboratory (NREL), US, AWEA 1995, pp. 3-5.

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