[논문]상용 CFD 프로그램을 이용한 풍력터빈 축소모델 출력계수 검증 및 후류 해석

김병수; 백인수; 유능수

doi:10.7836/kses.2015.35.1.035

상용 CFD 프로그램을 이용한 풍력터빈 축소모델 출력계수 검증 및 후류 해석
Validation of Power Coefficient and Wake Analysis of Scaled Wind Turbine using Commercial CFD Program 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.35 no.1, 2015년, pp.35 - 43

김병수 (강원대학교 융합시스템공학과) , 백인수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) , 유능수 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical simulation on the wake flow of a wind turbine which is a scaled version of a multi-megawatt wind turbine has been performed. Two different inlet conditions of averaged wind speed including one below and one above the rated wind speed were used in the simulation. Steady-state pitch angles of the blade associated with the two averaged wind speeds were imposed for the simulation. The steady state analysis based on the Reynolds averaged Navier-Stokes equations with the method of frame motion were used for the simulation to find the torque of the rotor and the wake field behind the wind turbine. The simulation results were compared with the results obtained from the wind tunnel testing. From comparisons, it was found that the simulation results on the turbine power are pretty close to the experimental values. Also, the wake results were relatively close to the experimental results but there existed some discrepancy in the shape of velocity deficit. The reason for the discrepancy is considered due to the steady state solution with the frame motion method used in the simulation. However, the method is considered useful for solutions with much reduced calculation time and reasonably good accuracy compared to the transient analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 실제 대형 MW 풍력터빈과 유사한 Active Pitch 제어방식의 풍력터빈을 대상으로 출력 및 후류 예측을 위해 수치해석 프로그램의 적용 타당성을 알아보는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 실제 MW 풍력터빈과 공기역학적 상사성을 갖는 축소형 풍력터빈을 대상으로 정격 이전과 정격 이후의 두가지 평균풍속에 대하여 Frame Motion(프레임 운동)기법을 이용한 정상상태 전산유동해석을 수행하고, 이를 동일한 축소모델을 이용한 풍동실험 결과와 비교 검증하였다⁴⁾.

가설 설정

5°를 각각 적용하였다. 또한 출구 조건은 축소모델에서 하류방향으로 로터직경의 12배에 해당하는 출구에서의 압력을 대기압으로 가정하였고, 양쪽 벽면과 윗면, 아랫면 모두 풍동의 벽면과 같은 No slip 조건을 부여하였다. 난류 모델의 경우 앞서 언급했던 것과 같이 Transition SST을 사용하였고, 정상상태 해석을 하였다.

제안 방법

또한 출구 조건은 축소모델에서 하류방향으로 로터직경의 12배에 해당하는 출구에서의 압력을 대기압으로 가정하였고, 양쪽 벽면과 윗면, 아랫면 모두 풍동의 벽면과 같은 No slip 조건을 부여하였다. 난류 모델의 경우 앞서 언급했던 것과 같이 Transition SST을 사용하였고, 정상상태 해석을 하였다. 정지영역과 회전영역사이의 interface는 Frame motion조건을 부여하였다.
6RD(24m)로 입구와 출구의 경계조건이 풍력터빈 주변의 유동해석 결과에 직접적인 영향을 주지 않도록 하였다. 또한 격자생성과 경계조건의 대입의 편의성을 위하여 해석영역을 로터회전영역(Rotor Rotation Region), 근접영역(Near Field Region), 원거리영역(Far Field Region) 등 3가지 영역으로 분할하였다.
또한 풍력터빈의 피치각은 정격풍속보다 낮은 입력풍속인 4.78 m/s의 경우 대상 풍력터빈 축소모델의 우수피치인 –1.75°, 정격풍속보다 높은 6.35m/s의 입력풍속의 경우 정상상태 피치제어 피치각인 6.5°를 각각 적용하였다.
해석영역은 그림 3과 같이 실제 풍동의 폭과 높이를 반영하여 모델링 하였다. 로터직경 약 1.9m를 기준으로 유동장 폭은 7.2RD (Rotor Diameter)인 13.8m, 높이는 2RD(3.8m)이고, 로터를 중심으로 상류 6.3RD(12m), 하류 12.6RD(24m)로 입구와 출구의 경계조건이 풍력터빈 주변의 유동해석 결과에 직접적인 영향을 주지 않도록 하였다. 또한 격자생성과 경계조건의 대입의 편의성을 위하여 해석영역을 로터회전영역(Rotor Rotation Region), 근접영역(Near Field Region), 원거리영역(Far Field Region) 등 3가지 영역으로 분할하였다.
본 연구에서는 실제 Active Pitch 제어 블레이드를 갖는 풍력터빈 축소모델과 풍동을 실사이즈로 모델링하고 상용 CFD프로그램을 이용하여 피치각 변화에 따라 출력과 후류를 풍동결과와 비교 검증하였다.
본 연구에서는 풍력터빈 축소모델을 정격이전과 이후의 두가지 다른 평균풍속에 대하여 피치각을 변화시켜 모델링을 하고, 풍력터빈 주변 유동장 해석을 수행하였다.
분할된 3격자는 격자전용 생성 프로그램인 ICEM CFD를 이용하여 전 해석 영역을 Hexa type의 격자로 제작하였고 이를 그림 4에 나타내었다.
따라서, 본 논문에서는 실제 대형 MW 풍력터빈과 유사한 Active Pitch 제어방식의 풍력터빈을 대상으로 출력 및 후류 예측을 위해 수치해석 프로그램의 적용 타당성을 알아보는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 실제 MW 풍력터빈과 공기역학적 상사성을 갖는 축소형 풍력터빈을 대상으로 정격 이전과 정격 이후의 두가지 평균풍속에 대하여 Frame Motion(프레임 운동)기법을 이용한 정상상태 전산유동해석을 수행하고, 이를 동일한 축소모델을 이용한 풍동실험 결과와 비교 검증하였다⁴⁾.
축소형 풍력터빈을 이용한 풍동실험과 동일한 실험환경에 대한 유동장 해석을 위해 풍동실험에 사용된 터빈을 실제 사이즈로 모델링하고, 주변 유동장에 정렬 격자를 생성하였다.
풍동실험결과와 해석결과를 비교하기 위하여 각 영역 별 경계조건은 그림 5에 제시된 것과 같이, 입구 풍속은 허브 높이 기준으로 정격이전 4.78m/s, 정격이후 6.35m/s로서, 바닥면으로부터 높이에 따른 풍속 변화를 나타내는 윈드 쉬어(Wind Shear) 효과를 고려하여 적용하였다. 윈드 쉬어 계수는 풍동에서의 높이별 측정값을 통해 얻어진 0.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 대상 터빈은 MW급 대형 풍력터빈의 공기역학적 상사성을 고려하여 축소한 모델이고, 그림 1에 실제 모델의 모습과 3D CAD 모델을 제시하였다. 또한 표 1은 축소형 풍력터빈의 주요사양을 나타낸 것으로, 직경은 약 1.

데이터처리

유동장 해석 결과 얻어진 로터의 회전방향 토크와 로터의 회전각속도를 이용하여, 축소형 풍력터빈의 출력을 계산하고, 출력과 함께 로터 평면으로 들어오는 풍속의 평균 및 공기 밀도를 이용하여, 축소형 풍력터빈의 출력계수 (Cp: Power coefficient)를 계산하였다.
표 3은 정격 전후의 두가지 다른 풍속에 대해 유동해석에서 얻어진 축소형 풍력터빈의 출력계수와 풍동실험의 결과 얻어진 출력계수를 비교하였다. 표 3에서 살펴보면 정격 이전 및 이후의 두가지 다른 풍속에 대해 유동해석 결과와 풍동실험결과의 오차가 3% 이내인 것으로 보아 CFD 해석이 풍동실험의 결과를 잘 추종하는 것을 알 수 있다.

성능/효과

따라서 천이 난류 모델인 Transition SST 난류모델을 선택하였고, Transition SST 난류 모델의 경우 y+ ≤1를 만족시키는 적절한 격자를 생성하여야 공력해석의 정확도를 높일 수 있다7)8).
따라서 프레임운동 기법으로 비정상상태 해석의 시간 평균 후류 데이터와 비교하기 위해서는 초기 블레이드 위치를 변화시켜 해석한 결과들의 평균을 취해야 할 것으로 판단되지만, 이 경우 수십 배에 이르는 계산시간을 고려해야 한다. 따라서, 풍력터빈의 출력이나, 풍력터빈하류에 있어서의 후류의 정확한 형상이 아닌, 후류의 평균풍속등의 유사해를 얻기 위해서는 프레임 운동기법을 적용하는 것이 충분히 가능할 것으로 판단된다.
따라서 정격이전의 풍속인 경우 보다 정격이후의 경우 유입되는 바람의 에너지를 충분히 회수하지 않고 하류로 흘려보내기 때문에 유입풍속대비 후류풍속의 비가 큰 것을 알 수 있다. 또한 정격이후 풍속의 경우 전반적으로 CFD 해석의 결과가 풍속의 감소량을 저예측 하였고, 하류방향으로 갈수록 풍동실험 결과와 오차가 줄어드는 것을 알 수 있으며, 정격이하에서는 풍속에 감소가 더 많고, 회복이 빠른 것을 알 수 있다. 그림에서 살펴보면 정격이전의 경우 하류방향으로 약 1.
7%를 보였다. 또한 터빈 하류방향으로 허브 높이에서 거리에 따른 후류의 형상을 확인 한 결과 로터 직경 영역의 평균 풍속은 풍동실험 결과와 유사하지만, 후류의 형상에서는 차이를 보이는 것을 알 수 있었다. 후류 형상에서 해석결과와 실험결과가 차이를 보이는 이유는 본 연구에서 적용한 프레임 운동 기법에 있으며, 프레임 운동기법의 경우 해석 시 회전영역을 벗어난 후류의 형상은 정지영역의 Frame에 맞추어지고 후류가 고정된 블레이드 위치에 의해 발생된 형상을 가지고 하류로 흘러가기 때문에, 실제 로터가 회전하면서 발생하는 후류 풍속을 일정시간 평균한 결과와 다소 차이를 보이는 것을 알 수 있었다.
수치해석 방법으로 프레임 운동(Fr.ame motion) 기법과 RANS 수식을 이용한 정상상태 해석을 수행하였으며, 정격이전 정격이후 두 풍속에 대해 풍력터빈의 출력을 풍동실험과 비교한 결과 정격 이전 출력계수의 오차율은 2.1%, 정격이후의 오차율은 1.7%를 보였다. 또한 터빈 하류방향으로 허브 높이에서 거리에 따른 후류의 형상을 확인 한 결과 로터 직경 영역의 평균 풍속은 풍동실험 결과와 유사하지만, 후류의 형상에서는 차이를 보이는 것을 알 수 있었다.
표 3은 정격 전후의 두가지 다른 풍속에 대해 유동해석에서 얻어진 축소형 풍력터빈의 출력계수와 풍동실험의 결과 얻어진 출력계수를 비교하였다. 표 3에서 살펴보면 정격 이전 및 이후의 두가지 다른 풍속에 대해 유동해석 결과와 풍동실험결과의 오차가 3% 이내인 것으로 보아 CFD 해석이 풍동실험의 결과를 잘 추종하는 것을 알 수 있다.
또한 터빈 하류방향으로 허브 높이에서 거리에 따른 후류의 형상을 확인 한 결과 로터 직경 영역의 평균 풍속은 풍동실험 결과와 유사하지만, 후류의 형상에서는 차이를 보이는 것을 알 수 있었다. 후류 형상에서 해석결과와 실험결과가 차이를 보이는 이유는 본 연구에서 적용한 프레임 운동 기법에 있으며, 프레임 운동기법의 경우 해석 시 회전영역을 벗어난 후류의 형상은 정지영역의 Frame에 맞추어지고 후류가 고정된 블레이드 위치에 의해 발생된 형상을 가지고 하류로 흘러가기 때문에, 실제 로터가 회전하면서 발생하는 후류 풍속을 일정시간 평균한 결과와 다소 차이를 보이는 것을 알 수 있었다. 따라서 프레임운동 기법으로 비정상상태 해석의 시간 평균 후류 데이터와 비교하기 위해서는 초기 블레이드 위치를 변화시켜 해석한 결과들의 평균을 취해야 할 것으로 판단되지만, 이 경우 수십 배에 이르는 계산시간을 고려해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상풍력이 유상풍력에 비해 발전단가가 높은 이유는?	해상풍력의 경우 육상풍력에 비해 터빈을 해상에 설치하기 위하여 지지구조물을 추가로 설치해야 하고, 이외에도 해상 변전소, 단지 내부/외부 해저 케이블 설치 등으로 인해 발전단가가 육상풍력보다 수배 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 발전 단가를 줄이기 위하여 일반적으로 육상풍력보다 대규모 풍력단지로 구성한다.
	해상풍력의 특징은?	따라서 발전 단가를 줄이기 위하여 일반적으로 육상풍력보다 대규모 풍력단지로 구성한다. 또한 해상풍력의 경우 육상과 달리 지형에 따른 풍속변화 및 설치지점의 제한이 없어, 육상풍력보다 규칙적인 배열로 설치되는 특성을 갖는다. 이와 같은 대규모 해상 풍력발전단지의 경우 상류에 있는 터빈에 의해서 생긴 후류로 인하여 단지의 전체 발전량의 10-20% 정도의 손실이 야기된다고 알려져 있다.
	해상 풍력발전단지에서 후류로 인한 손실은 어느 정도인가?	또한 해상풍력의 경우 육상과 달리 지형에 따른 풍속변화 및 설치지점의 제한이 없어, 육상풍력보다 규칙적인 배열로 설치되는 특성을 갖는다. 이와 같은 대규모 해상 풍력발전단지의 경우 상류에 있는 터빈에 의해서 생긴 후류로 인하여 단지의 전체 발전량의 10-20% 정도의 손실이 야기된다고 알려져 있다. 따라서, 이와 같은 후류로 인한 손실을 줄이기 위하여 일반적으로 주풍방향과 나란히 설치되는 풍력터빈의 경우 터빈 직경의 7배 이상의 이격거리를 두고 설치하는 것으로 알려져 있다1).

참고문헌 (8)

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상세보기
Jang-Oh Mo, Amanullah Choudhry, Maziar Arjomandi, Young-Ho Lee, Large eddy simulation of the wind turbine wake characteristics in the numerical wind tunnel model, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 112, pp. 11-24, 2013

상세보기
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상세보기
B. S. Kim, I. S. Paek, N, S, Yoo, Scaled Wind Turbine modeling and CFD analysis, Proceedings of KSPE 2014 Autumn conference, Vol. 10, pp. 842 ,2014
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R. B. Langtry, J. Gola, F. R. Menter., Predicting 2D Airfoil and 3D Wind Turbine Rotor Performance using a Transition Model for General CFD Codes, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno 2006
F. R. Menter, R. Langtry, S. Volker, Transition Modelling for General Purpose CFD Codes, Flow Turbulence Combust, Vol.77, pp.277-303, 2006

상세보기
T. H. Lee, C. W. Kim, Sensitivity Study of Turbulence Models and Mesh Resolutions for the Airfoil of a Wind Turbine Blade, Korean Society for Aeronautical and Space Sciences fall conference, pp. 1166-1171, 2011.11.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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