[논문]수직축 풍력 터빈 블레이드의 최적화 설계 및 Vortex 구조 분석

나지성; 고승철; 선상규; 방유석; 이준상

doi:10.5407/jksv.2015.13.1.015

수직축 풍력 터빈 블레이드의 최적화 설계 및 Vortex 구조 분석
Optimized blade of small vertical axis wind turbine and its vortex structure analysis 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.13 no.1, 2015년, pp.15 - 20

나지성 (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University) , 고승철 (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University) , 선상규 (Higenpower Co.) , 방유석 (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University) , 이준상 (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University)

Abstract ▼ AI-Helper

Sensitivity studies of blade angle and twisted angle are numerically investigated to optimize the Savonius blade. As blade angle increases, the contact area between blade and wind decreases, showing the suppression of the vortex generation near blade. Compared to the blade angle of 0 degree, the blade angle of 20 degree shows about 2.6% increment of power efficiency. Based on the blade angle of 20 degree, sensitivity studies of the twisted angle are performed. The result indicates that the adjustment of the twisted angle causes the torque of blade to increase. Optimized blade can suppress the formation of the vortex structure in rear region. Also, wind flows without disturbance of vortex when passing through the optimized blade. The 1kw vertical wind turbine system with optimized blade can generate 4442.2kWh per year and have 53% capacity factor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 사보니우스 형태 블레이드의 효율 최적화를 위해, 블레이드가 앞으로 기울어지는 블레이드 각과 윗단과 아랫단의 각도 차이인 비틀림 각을 조정함으로써 최적화를 진행하였다. 블레이드 각만을 독립적으로 실험한 후 가장 좋은 효율 및 유동 특성을 보이는 블레이드 각에서 비틀림 각을 변화시켰다.
본 논문에서는 수직축 풍력터빈에 사용되는 사보니우스 블레이드의 기하학적 설계에 의해 최적화되는 과정을 수치해석 실험을 통하여 수행하였다. 블레이드 각이 커질수록 속도 감소 및 vortex 형성이 억제됨을 관찰할 수 있었으며, 20도에서 가장 높은 토크와 좋은 효율을 보였다.
본 논문에서는 수치 해석 방법을 통해, 사보니우스 형태 블레이드로 구성된 1kw급 수직축 풍력 터빈에 대한 형상설계 및 최적화를 수행하고 최적화된 블레이드의 출력 곡선 및 연간에너지 생산량, 가동률에 대해 논할 것이다. 2장에서는 사용한 수치해석 기법 및 시뮬레이션 계산영역 설정, 경계조건 설정, Grid 설정 방법 등을 논할 것이며 3장에서 비틀림 각과 블레이드 각의 민감도 분석을 통하여 최적화된 사보니우스 형태 블레이드를 설계하고 그 블레이드의 효율 및 특성을 분석할 것이다.

가설 설정

본 절에서는 제시된 최적화 블레이드의 풍속별 출력곡선 및 연간에너지 생산량, 가동률(CF)을 논의한다. 정해진 각속도를 설정하는 시뮬레이션의 한계로 인해 풍속별 출력곡선을 직접 구할 수 없음에 따라 12m/s에서 1016W라는 최대 출력을 기준으로, 출력곡선의 경향이 일반적인 출력곡선과 유사할 것이라는 가정을 통해 출력곡선을 구하였다. Fig.

제안 방법

본 절에서는 제시된 최적화 블레이드의 풍속별 출력곡선 및 연간에너지 생산량, 가동률(CF)을 논의한다. 정해진 각속도를 설정하는 시뮬레이션의 한계로 인해 풍속별 출력곡선을 직접 구할 수 없음에 따라 12m/s에서 1016W라는 최대 출력을 기준으로, 출력곡선의 경향이 일반적인 출력곡선과 유사할 것이라는 가정을 통해 출력곡선을 구하였다.
본 논문에서는 사보니우스 형태 블레이드의 효율 최적화를 위해, 블레이드가 앞으로 기울어지는 블레이드 각과 윗단과 아랫단의 각도 차이인 비틀림 각을 조정함으로써 최적화를 진행하였다. 블레이드 각만을 독립적으로 실험한 후 가장 좋은 효율 및 유동 특성을 보이는 블레이드 각에서 비틀림 각을 변화시켰다. 블레이드 각과 비틀림 각의 조정 범위는 Table 1과 같으며 총 9가지 케이스에 대한 수치해석이 수행되었다.
셀파가 고려됨에 따라서, 본 논문에서는 에너지 밀도를 계산할 때 블레이드의 Swept area가 아닌 셀파에 의해 바람이 집중되는 곳의 면적을 기준으로 하였다. 블레이드 유동을 해석하기 위한 계산영역은 8.4m x 5.6m x 2.8m이며 계산영역의 입구경계조건은 Dirhiclet 경계조건으로 12m/s의 바람을 고려하였으며 출구경계조건은 일정 압력 조건 (p = atmospheric pressure)을 고려하였다. 계산영역의 주변 벽면은 Free-shear조건으로 블레이드 주변 유동에 영향을 주지 않도록 설정하였다.
7 rad/s를 고려하였다. 블레이드에 유동이 들어가기 전, 한 방향으로 바람을 편중시키는 셀파 구조물을 고려하였다. 셀파가 고려됨에 따라서, 본 논문에서는 에너지 밀도를 계산할 때 블레이드의 Swept area가 아닌 셀파에 의해 바람이 집중되는 곳의 면적을 기준으로 하였다.
블레이드에 유동이 들어가기 전, 한 방향으로 바람을 편중시키는 셀파 구조물을 고려하였다. 셀파가 고려됨에 따라서, 본 논문에서는 에너지 밀도를 계산할 때 블레이드의 Swept area가 아닌 셀파에 의해 바람이 집중되는 곳의 면적을 기준으로 하였다. 블레이드 유동을 해석하기 위한 계산영역은 8.
최적화된 블레이드 각 (Case_3)을 기준으로 비틀림 각의 민감도 실험을 진행하였으며 Case_6과 Case_9의 유동 특성 및 압력 분포를 관찰하였다(Fig 4). 블레이드 각에서와 유사하게, 비틀림 각의 변화 또한 속도의 감소 현상과 Vortex 형성에 영향을 주었지만 20도 이상 비틀릴 경우 토크가 오히려 감소하는 경향을 보였다.

대상 데이터

상기 지배방정식을 유한체적법으로 차분화하였으며 블레이드의 회전 운동을 모사하기 위하여 Immersed Boundary Method를 통해 블레이드를 구현하였고 운전상태의 일정한 각속도에 의해 회전하도록 하였다. 격자는 정사면체 격자 약 160만개를 구성하였다.

이론/모형

Vorticity magnitude만으로는 3차원으로 분포하는 vortex 구조를 관찰하기 어려우며 따라서 본 논문에서는 swirling strength method라는 vortex identification 방법을 적용하여 vortex 구조를 관찰하였다^[7]. 속도의 gradient 로 계산된 특성 방정식의 complex eigenvalue 허수부를 통해 얻어지는 swirling strength 방법은 회전하는 물체 주변의 vortex structure를 보기에 적합하다고 알려져있다.
블레이드 주변 유동해석을 풀기 위해 비정상 비압축성 3-D Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)을 지배 방정식으로 고려하였으며, Reynolds stress를 상사하기 위한 난류 모사는 k-w모델을 적용하였다. 아래 (1), (2) 지배 방정식은 유체의 연속방정식과 모멘텀 보존 방정식을 나타낸다.
k-w모델은 난류운동에너지와 와류방정식을 고려함으로써 난류 viscosity를 계산하는 방식으로써 블레이드 주변의 속도 감소 및 와류를 계산하기 적합한 방법이다. 상기 지배방정식을 유한체적법으로 차분화하였으며 블레이드의 회전 운동을 모사하기 위하여 Immersed Boundary Method를 통해 블레이드를 구현하였고 운전상태의 일정한 각속도에 의해 회전하도록 하였다. 격자는 정사면체 격자 약 160만개를 구성하였다.

성능/효과

TSR 범위 내의 효율을 구하기 위해 RPM을 조정하여 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 최적화 블레이드가 기존의 블레이드(Case_1)에 비해 모든 TSR구간에서 높은 효율을 가짐을 관찰할 수 있다. 특히 약 TSR = 0.
블레이드 각이 커질수록 속도 감소 및 vortex 형성이 억제됨을 관찰할 수 있었으며, 20도에서 가장 높은 토크와 좋은 효율을 보였다. 또한 비틀림 각을 조절하는 경우, 셀파에 의해 바뀐 풍향이 크지 않음에 따라 10도 비틀린 경우에서 가장 높은 토크와 좋은 효율이 발생함을 관찰하였다. 최적화 블레이드의 vortex structure를 관찰하였을 때, 블레이드 내부와 뒤편에 발생하는 vortex가 억제됨에 따라 유동의 흐름이 원활하게 되는 것을 볼 수 있었고 이에 따라 효율이 증대됨을 확인하였다.
최적화 블레이드의 vortex structure를 관찰하였을 때, 블레이드 내부와 뒤편에 발생하는 vortex가 억제됨에 따라 유동의 흐름이 원활하게 되는 것을 볼 수 있었고 이에 따라 효율이 증대됨을 확인하였다. 본 논문에서의 블레이드는 연간 4442.2kW의 에너지 생산량를 기대할 수 있으며 풍속의 빈도가 Rayleigh PDF를 따른다고 가정하였을 때 53%의 가동률이 기대된다.
최적화된 블레이드 각 (Case_3)을 기준으로 비틀림 각의 민감도 실험을 진행하였으며 Case_6과 Case_9의 유동 특성 및 압력 분포를 관찰하였다(Fig 4). 블레이드 각에서와 유사하게, 비틀림 각의 변화 또한 속도의 감소 현상과 Vortex 형성에 영향을 주었지만 20도 이상 비틀릴 경우 토크가 오히려 감소하는 경향을 보였다. Case_6의 경우 셀파로 인해 바뀐 바람의 방향과 비틀림 각이 마주보면서 토크가 증가하는 반면, Case_9의 경우 오히려 감소하였다.
본 논문에서는 수직축 풍력터빈에 사용되는 사보니우스 블레이드의 기하학적 설계에 의해 최적화되는 과정을 수치해석 실험을 통하여 수행하였다. 블레이드 각이 커질수록 속도 감소 및 vortex 형성이 억제됨을 관찰할 수 있었으며, 20도에서 가장 높은 토크와 좋은 효율을 보였다. 또한 비틀림 각을 조절하는 경우, 셀파에 의해 바뀐 풍향이 크지 않음에 따라 10도 비틀린 경우에서 가장 높은 토크와 좋은 효율이 발생함을 관찰하였다.
블레이드의 각도가 앞으로 더 기울어질수록 블레이드 내외부의 속도 감소 현상 및 wake가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 블레이드 각이 증가할수록 블레이드 tip에서 발생하는 wake가 감소함으로써 wake의 유동방해효과를 억제한다는 것을 의미한다.이는 블레이드가 기울어짐에 따라 바람이 블레이드에 집중적으로 접촉하는 부분이 형성되며 바람과 블레이드 간의 상대적인 접촉면적을 감소시킴으로써 tip vortice 및 내부의 rotor vortice를 감소시킨 것으로 생각할 수 있다.
또한 비틀림 각을 조절하는 경우, 셀파에 의해 바뀐 풍향이 크지 않음에 따라 10도 비틀린 경우에서 가장 높은 토크와 좋은 효율이 발생함을 관찰하였다. 최적화 블레이드의 vortex structure를 관찰하였을 때, 블레이드 내부와 뒤편에 발생하는 vortex가 억제됨에 따라 유동의 흐름이 원활하게 되는 것을 볼 수 있었고 이에 따라 효율이 증대됨을 확인하였다. 본 논문에서의 블레이드는 연간 4442.

후속연구

. 따라서 사보니우스 터빈의 효율을 증대시키는 방안이 고려된다면, 낮은 풍속에서도 많은 발전량을 기대할 수 있을 것이다. 특히 우리나라의 경우, 평균 풍속이 3~5 m/s정도로써 낮은 편에 속하기 때문에 저풍속에서 가동 가능한 사보니우스 터빈은 국내 소형 풍력발전에 매우 적합하다고 할 수 있다^[4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형풍력발전의 장점은 무엇인가?	최근 화석연료 고갈로 인하여 재생에너지에 관한 관심이 급증하고 있는 가운데, 풍력발전은 크게 주목받고 있는 재생 에너지 분야 중 하나이다. 그 중 소형풍력발전은 도심이나 농촌에서 가정용, 농업용으로 주로 사용되며 낮은 풍속에서도 가동가능하고 풍향에 관계없이 발전이 가능하다는 장점을 가지기에 많은 개발과 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 수직축 풍력터빈의 한 종류인 사보니우스형 풍력터빈은 상당이 낮은 풍속에서도 발전이 가능하다는 점에서 많은 관심을 받고 있다[1, 2].
	사보니우스형 풍력터빈의 특징은 무엇인가?	그 중 소형풍력발전은 도심이나 농촌에서 가정용, 농업용으로 주로 사용되며 낮은 풍속에서도 가동가능하고 풍향에 관계없이 발전이 가능하다는 장점을 가지기에 많은 개발과 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 수직축 풍력터빈의 한 종류인 사보니우스형 풍력터빈은 상당이 낮은 풍속에서도 발전이 가능하다는 점에서 많은 관심을 받고 있다[1, 2].
	기본적인 블레이드의 효율 향상은 형상 설계부터 시작되는 이유는 무엇인가?	기본적인 블레이드의 효율 향상은 형상 설계부터 시작된다. 블레이드의 각도 및 기울기, 그리고 비틀림 각도에 이르기까지 다양한 형상에 따라 블레이드에 작용하는 토크 및 에너지가 다르기 때문이다[5,6].

참고문헌 (7)

Gupta, R., Biswas, A. and Sharma, K. K., 2008, "Comparative study of a three-bucket Savonius rotor with a combined three-bucket Savonius-three-bladed Darrieus rotor," RENEW ENERG., Vol.33(9), pp. 1974-1981.

상세보기
Yoon, D. J. and Yim, H. C., 2012, "Wind Power Generation Market and R&D Trend," ISBN; 979-89-98456-01-6
Savonius, S. J., 1931, "S-Rotor and its Applications," Mech. Eng., Vol.53, pp.333-338.
Kamoji, M. A., Kedare, S. B. and Prabhu, S. V., 2009, "Performance tests on helical Savonius rotors," RENEW ENERG., Vol.34(3), pp.521-529.

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Mohamed, M. H., Janiga, G., Pap, E and Thevenin, D., 2010, "Optimization of Savonius turbines using an obstacle shielding the returning blade," RENEW ENERG., Vol.35, pp.2618-2626.

상세보기
Saha, U. K. and Rajkumar, M. J., 2006, "On the performance analysis of Savoius rotor with twisted blades," RENEW ENERG., Vol.31(11), pp.1776-1788.

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Chakraborty, P., Balachandar, S. and Adrian, J. R., 2005, "On the relationships between local vortex identification schemes," J. Fluid Mech, Vol 535, pp. 189-214

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저자의 다른 논문 :

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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