10kW 급 풍력 블레이드의 수동형 피치제어 모듈의 설계를 위한 여러가지 익형의 공력 특성에 관한 연구 Aerodynamic Characteristics of Several Airfoils for Design of Passive Pitch Control Module of 10 kW Class원문보기
풍력터빈 블레이드의 가변 피치제어는 풍력발전기의 과풍속 영역 설계에 있어 중요한 요소로 알려져 있으나 원가문제 때문에 소형 풍력터빈에는 적용되지 못하고 실속제어가 많이 적용되고 있다. 하지만, 블레이드 주변의 난류 때문에 설계된 실속이 구현되지 않는 실속지연 현상이 종종 발생되고, 이에 따른 풍력 블레이드의 과회전과 발전기의 과출력 위험이 발생하고 있다. 이에 따라 블레이드에서 발생되는 공력으로 피치가 변하고 스프링의 복원력으로 복귀되는 수동형 피치제어 모듈이 주목 받고 있다. 본 연구에서는 회전하는 블레이드의 익형에서 발생되는 양력과 항력을 이용하여 회전면으로 작용되는 토크와 블레이드의 Flap 방향으로 작용되는 추력을 계산하는 방법을 제시하고, 이러한 힘들의 크기를 여러 가지 익형에 대해 비교하였으며, 블레이드의 피치모멘트를 정량적으로 산출하여 수동 피치제어 모듈의 설계자료로 활용될 수 있도록 하였다.
풍력터빈 블레이드의 가변 피치제어는 풍력발전기의 과풍속 영역 설계에 있어 중요한 요소로 알려져 있으나 원가문제 때문에 소형 풍력터빈에는 적용되지 못하고 실속제어가 많이 적용되고 있다. 하지만, 블레이드 주변의 난류 때문에 설계된 실속이 구현되지 않는 실속지연 현상이 종종 발생되고, 이에 따른 풍력 블레이드의 과회전과 발전기의 과출력 위험이 발생하고 있다. 이에 따라 블레이드에서 발생되는 공력으로 피치가 변하고 스프링의 복원력으로 복귀되는 수동형 피치제어 모듈이 주목 받고 있다. 본 연구에서는 회전하는 블레이드의 익형에서 발생되는 양력과 항력을 이용하여 회전면으로 작용되는 토크와 블레이드의 Flap 방향으로 작용되는 추력을 계산하는 방법을 제시하고, 이러한 힘들의 크기를 여러 가지 익형에 대해 비교하였으며, 블레이드의 피치모멘트를 정량적으로 산출하여 수동 피치제어 모듈의 설계자료로 활용될 수 있도록 하였다.
Even though the variable pitch control of a wind turbine blade is known as an effective component for power control over the rated wind speed, it has limited applicability to small wind turbines because of its relatively high cost on the price of small wind turbine. Instead, stall control is general...
Even though the variable pitch control of a wind turbine blade is known as an effective component for power control over the rated wind speed, it has limited applicability to small wind turbines because of its relatively high cost on the price of small wind turbine. Instead, stall control is generally applied in the blade design without any additional cost. However, stall delay can frequently be caused by high turbulence around the turbine blade, and it can produce control failures through excessive rotational speed and overpowering the electrical generator. Therefore, a passive pitch control module should be considered, where the pitch moves with the aerodynamic forces of the blade and returns by the elastic restoring force. In this study, a method to calculate the pitch moment, torque, and thrust based on the lift and drag of the rotating blade wing was demonstrated, and several effective wing shapes were reviewed based on these forces. Their characteristics will be estimated with variable wind speed and be utilized as basic data for the design of the passive pitch control module.
Even though the variable pitch control of a wind turbine blade is known as an effective component for power control over the rated wind speed, it has limited applicability to small wind turbines because of its relatively high cost on the price of small wind turbine. Instead, stall control is generally applied in the blade design without any additional cost. However, stall delay can frequently be caused by high turbulence around the turbine blade, and it can produce control failures through excessive rotational speed and overpowering the electrical generator. Therefore, a passive pitch control module should be considered, where the pitch moves with the aerodynamic forces of the blade and returns by the elastic restoring force. In this study, a method to calculate the pitch moment, torque, and thrust based on the lift and drag of the rotating blade wing was demonstrated, and several effective wing shapes were reviewed based on these forces. Their characteristics will be estimated with variable wind speed and be utilized as basic data for the design of the passive pitch control module.
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제안 방법
본 연구에서는 블레이드의 발생되는 양력, 항력, 추력, 토크, 피치모멘트의 산출방법 들을 제시하고, 블레이드를 길이방향으로 16 개 요소로 분할한 부분에 대해 제시한 산출방법을 적용하여 힘을 산출하였고 이들의 특성을 상호 비교하였다.
본 연구에서는 피치제어 모듈에 적용될 수 있는 여러 가지 익형에 대해 Schmitz’ theory 를 적용한 블레이드 코드 설계 안을 제시하고, 회전하는 블레이드의 익형에서 발생되는 양력과 항력을 이용하여 추력, 피칭 모멘트, 토크 등을 계산하고 상호 비교하였다.
4m 의 코드길이를 갖는데, 이를 정격풍속 10m/s 에서 상대풍속을 적용하여 Reynolds 수를 계산해보면 60 만 ~ 120 만의 범위에 해당된다. 이에 따라 본 연구에서는 평균 Reynolds 수 90 만에서 11 개 익형의 받음각에 따른 양력계수, 항력계수, 피치모멘트계수의 특성이 서로 비교 검토된다.
대상 데이터
소형풍력 블레이드에 적용 가능한 익형으로, 본 연구팀이 개발한 고유익형 2 개에(2,3) 선행연구를 통해 알려진 익형 9 개가(4~7) 더해져 총 11 개의 익형이 검토된다. 익형의 양력과 항력은 Xfoil 을 이용하여 산출된다.
이론/모형
본 연구에서는 허브와 블레이드 연결의 수월성을 고려하여 Schmitz’ theory 를 기반으로한 코드를 계산에 적용하였다.
성능/효과
(a) 참조), Schmitz’ theory 를 적용한 코드길이는 루트에서 끝단 방향으로 증가하다 17% 지점의 길이에서 최대 값을 가진 후 점차 감소하는 경향을 보인다(Fig.
회전운동량의 변화에 근거하여 산출된 Schmitz 의 코드길이를 적용한 블레이드의 추력, 토크, 모멘트등의 특성을 비교한 결과 추력은 익형과 관계없이 풍속과 끝단속도비에 따라 일정한 값을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 토크는 루트 부분에서는 익형에 관련없이 유사한 값을 보이지만, 끝단으로 갈수록 각 익형 별 양력과 항력의 차이로 인한 영향이 커지는 것으로 확인되었다. 즉, 양력이 크고 항력이 작은 익형이 큰 토크를 만들어 내는 것으로 나타났다. 피치모멘트는 익형에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났으며 약 -37.
피치모멘트는 익형에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났으며 약 -37.8 ~13.0 N• m 정도의 값을 갖는 것으로 계산되었다.
회전운동량의 변화에 근거하여 산출된 Schmitz 의 코드길이를 적용한 블레이드의 추력, 토크, 모멘트등의 특성을 비교한 결과 추력은 익형과 관계없이 풍속과 끝단속도비에 따라 일정한 값을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 토크는 루트 부분에서는 익형에 관련없이 유사한 값을 보이지만, 끝단으로 갈수록 각 익형 별 양력과 항력의 차이로 인한 영향이 커지는 것으로 확인되었다. 즉, 양력이 크고 항력이 작은 익형이 큰 토크를 만들어 내는 것으로 나타났다.
후속연구
본 연구에서 계산된 힘들은 날개 밑단부터 끝단까지 다른 손실의 고려 없이 Betz limitation 만을 적용한 결과이기 때문에 설계 점에 발생할 수 있는 최대 힘을 나타낸다고 볼 수 있으며, 블레이드 구조 설계에 유용한 근거로 활용될 수 있을 것이다. 특히, 본 연구에서 검토된 pitch moment 는 수동형 피치제어 모듈 설계의 작용력을 결정하는 기본 자료로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 피치제어 모듈에 적용될 수 있는 여러 가지 익형에 대해 Schmitz’ theory 를 적용한 블레이드 코드 설계 안을 제시하고, 회전하는 블레이드의 익형에서 발생되는 양력과 항력을 이용하여 추력, 피칭 모멘트, 토크 등을 계산하고 상호 비교하였다. 이와 같은 결과는 수동형 피치제어 모듈 설계의 기본 자료로 활용될 것이다.
본 연구에서 계산된 힘들은 날개 밑단부터 끝단까지 다른 손실의 고려 없이 Betz limitation 만을 적용한 결과이기 때문에 설계 점에 발생할 수 있는 최대 힘을 나타낸다고 볼 수 있으며, 블레이드 구조 설계에 유용한 근거로 활용될 수 있을 것이다. 특히, 본 연구에서 검토된 pitch moment 는 수동형 피치제어 모듈 설계의 작용력을 결정하는 기본 자료로 활용될 수 있을 것이다.
향후, 본 연구의 결과는 실험설계에 활용될 것이며, 16%이상의 강한 난류와 극심한 풍속 변화특성을 보이는 현장 운전 조건에서 시간에 따라 변동하는 여러 가지 힘들의 동 특성을 분석하는 중요한 근거 자료가 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력터빈 블레이드의 가변 피치제어의 특징은?
풍력터빈 블레이드의 가변 피치제어는 풍력발전기의 과풍속 영역 설계에 있어 중요한 요소로 알려져 있으나 원가문제 때문에 소형 풍력터빈에는 적용되지 못하고 실속제어가 많이 적용되고 있다. 하지만, 블레이드 주변의 난류 때문에 설계된 실속이 구현되지 않는 실속지연 현상이 종종 발생되고, 이에 따른 풍력 블레이드의 과회전과 발전기의 과출력 위험이 발생하고 있다.
풍력발전기는 어떻게 제어되어야 하는가?
풍력발전기는 과풍속에서 로터나 발전기가 손상되거나, 파손되는 것을 방지하기 위하여 블레이드의 회전속도를 설계회전수 이하로 유지되도록 제어된다.
풍력터빈 블레이드의 가변 피치제어의 문제점은?
피치제어는 정격풍속 이상에서 터빈 시스템의 추력 부하를 감소시키고 일정한 출력을 얻을 수 있는 제어방법이지만, 실속제어에 비해 장치가 복잡하고 설치비용이 많이 든다는 단점이 있어 소형 풍력시스템에 적용되지 않는 것이 일반적이다. (1)그렇지만, 별도의 구동장치 없이 익형의 받는 힘만을 이용하는 수동형 피치제어 모듈을 활용하면 소형풍력시스템에도 비교적 낮은 가격으로 피치제어 기능을 구현할 수 있다.
참고문헌 (9)
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Woo. Y. J., Son, J. W. and Lee, J. H., 2013, "Study on Aerodynamic Characteristics of the Original Airfoil, KA2. For the Application of Wind Turbine Blade," The 2013 Spring Conference of Korea Wind Energy Association, p. 139.
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Airfoil Tools, http://airfoiltools.com/, accessed on 2013.04.10.
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Burton, T., Jenkins, N., Sharpe, D. and Bossanyi, E., 2011, Wind Energy Handbook Second Edition, WILEY, Croydon, pp.57-66.
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