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수평축 조류발전용 로터 블레이드 형상설계 및 CFD에 의한 출력성능해석
Rotor-Blade Shape Design and Power-Performance Analysis for Horizontal-Axis Tidal Turbine Using CFD 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.8 = no.359, 2015년, pp.661 - 668  

정지현 (제주대학교 기계공학과) ,  김범석 (제주대학교 대학원 풍력공학부)

초록
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본 연구에서는 풍력발전분야의 블레이드 공력설계 및 성능해석에 적용되고 있는 날개요소운동량이론을 이용한 조류터빈 블레이드 형상설계 방법론을 제시하였으며, S814 단일 에어포일로 구성된 2 블레이드 형식의 1MW급 수평축 블레이드 형상설계 결과를 제시하였다. 조류터빈 블레이드는 해양환경에서 운전되는 특성 상 블레이드 팁 근방에서 캐비테이션 발생으로 인한 문제가 상존하므로, 설계초기단계에서 신중히 고려되어야 한다. 본 연구를 통해 설계된 1MW 조류터빈 블레이드의 유동특성분석 및 출력성능해석을 위해 캐비테이션 모델이 고려된 CFD 해석을 수행하였으며, 블레이드 팁 근방 흡입 면 및 압력 면에서 캐비테이션이 발생하고 있음을 확인하였다. 최대 출력계수는 설계 주속비 7의 조건에서 47%로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

We present a design methodology for horizontal-axis tidal turbine blades based on blade element momentum theory, which has been used for aerodynamic design and power-performance analysis in the wind-energy industry. We design a 2-blade-type 1 MW HATT blade, which consists of a single airfoil (S814),...

주제어

#수평축조류터빈   #출력성능   #공동현상   #날개요소운동량이론   #전산유체역학  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 현재의 HATT 기술개발 추세는 경제성 등을 이유로 MW 규모로 점차 대형화되는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 풍력터빈 블레이드 설계에 적용되고 있는 BEM 이론 (8) 을 이용하여 피치제어형 HATT 블레이드 설계방법을 제시하고, 이를 이용한 1MW급 블레이드 형상설계를 수행하고자 한다.
  • 본 연구에서는 BEM 이론과 대형 풍력터빈 블레이드 설계법을 응용한 HATT 블레이드 설계를 수행하였고, 전연부표면 거칠기 변화 민감도가 낮은 NREL S814 에어포일을 이용한 1MW급 블레이드 형상설계 결과를 제시하였다.

가설 설정

  • 설계된 1MW 블레이드의 정격 팁 속도는 15m/s 이며, 팁 부분에서 캐비테이션이 발생할 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 단일 블레이드가 일정한 압력조건에 놓여 있다는 가정 하에 캐비테이션 모델을 적용한 CFD 해석을 수행하였으며, Fig. 10에 해석결과를 나타내었다. 압력면의 경우 TSR이 높은 조건에서 팁 일부 영역의 캐비테이션이 관찰되고 있으며, 흡입면의 경우 전술한 바와 같이 TSR이 낮아질수록 압력저하가 크게 나타나기 때문에 캐비테이션 발생범위가 점차 확대되고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로터 블레이드란? HATT의 작동원리는 근본적으로 수평축 풍력터빈(Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT)과 동일하다. 로터 블레이드는 조류의 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 1차 에너지변환장치로써, 성능, 하중 및 시스템의 동역학적 특성을 결정짓는 중요부품으로 분류된다. 따라서 효율적인 블레이드 설계는 HATT 설계에 매우 중요한 요소 이다.
조류발전이 경제성확보가 기대되는 기술로 평가받는 이유는 무엇인가 조류발전(tidal current power generation)은 에너지 밀도가 높고 예측 가능한 자원변동성 때문에, 경제성확보가 기대되는 기술로 평가받고 있으며, 상업발전단지개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 현재 다양한 실증시험용 조류터빈이 개발되고 있으며, 조류에너지자원이 풍부한 영국과 프랑스 해안지역에서 상용화를 위한 다수의 프로젝트가 진행 중이다.
블레이드에 피치제어방식이 적용되어야 하는 이유는 무엇인가? Ben Whitby 등은 피치제어 및 실속제어형 조류터빈의 성능비교에 관한 연구를 수행하였으며, 1MW급 HATT 설계를 통해 피치제어방식이 실속제어방식에 비해 저 유속영역에서 높은 효율로 운전될 수 있고, 안정적인 출력제어가 가능함을 보였다. 특히 에너지밀도가 높은 해양환경에서 운전되는 조류터빈의 경우 구조안전성에 대한 신뢰성이 매우 중요하며, 정격이상의 높은 유속조건에서는 피치제어를 통해 터빈의 축 추력을 크게 감소시킬 수 있기 때문에 대형 조류터빈 블레이드는 피치제어의 적용이 필요하다.
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참고문헌 (14)

  1. http://www.alstom.com/press-centre/2014/10/alstom-improves-the-performance-of-its-tidal-energy-solutions-with-oceade-18-14mw 

  2. EY, 2013, "Rising tide - Global Trends in the Emerging Ocean Market," EYG no. FW0025. 

  3. Fraenkel, P. L., 2002, "Power from Marine Currents," Proc. of Instn. Mech. Engrs. Part A: J Power and Energy, Vol. 216, pp. 1-14. 

    crossref

  4. Fraenkel, P., 2010, "Practical Tidal Turbine Design Considerations: a Review of Technical Alternatives and Key Design Decisions Leading to the Development of the SeaGen 1.2MW Tidal Turbine," Proc. of Instn. Mech. Engrs. - Fluid Machinery Group, pp. 1-19. 

  5. Bir, G. S., Lawson, M. J. and Li, Y., 2011, "Structural Design of a Horizontal-Axis Tidal Current Turbine Composite Blade," ASME 30th Int. Conf. on Ocean, Offshore, and Arctic Eng., Vol. 5, pp. 797-808. 

  6. Clark, J. A., 2006, "Design and Testing of a Contra-rotating Tidal Current Turbine," Proc. of IMech. Part: J. Power and Energy, Vol. 221, pp. 171-179. 

  7. Faudot, C. and Dahlhaug, Ole G., 2011, "Tidal Turbine Blade: Design and Dynamic Loads Estimation Using CFD and Blade Element Momentum Theory," ASME 30th Int. Conf. on Ocean, Offshore, and Arctic Eng., Vol. 5, pp. 599-608. 

  8. Hansen, M. O. L, 2008, Aerodynamics of Wind Turbines, earthscan, London, pp. 27-57 

  9. Ahmed, M. R., 2012, "Blade Sections for Wind Turbine and Tidal Currrent Turbine Applications- currernt Status and Future Challenges," Int. J. Energy Res., Vol. 36, pp. 829-844. 

    상세보기 crossref

  10. Bak, C., Fuglsang, P., Johansen, J. and Antoniou, I., 2000, "Wind Tunnel Tests of the NACA 63-415 and a Modified NACA 63-415 Airfoil," Riso-R-1193(EN), pp. 1-108. 

  11. Janiszewska, J. M., Ramsay, R. R., Hoffmann, M. J. and Gregorek, G. M., 1999, "Effects of Grit Roughness and Pitch Oscillations on the S814 Airfoil," NREL/TP-442-8161. 

  12. Menter, F. R., Langtry, R. B., Likki, S. R., Suzenx, Y. B., Huang, P. G. and VOLKER, S., 2006, "A Correlation-Based Transition Model Using Local Variables Part I Model formulation," ASME Journal of Turbomachinery, 128:413-422, pp. 413-422. 

    상세보기 crossref

  13. Bahaj, A. S., Molland, A. F., Chaplin, J. R. and Batten, W. M. J., 2007, "Power and Thrust Measurements of Marine Current Turbines under Various Hydro Dynamic Flow Conditions in a Cavitation Tunnel and a Towing Tank," Renewable Energy, Vol. 32, No. 3, pp. 407-426. 

    상세보기 crossref

  14. Burton, T., Jenkins, N., Sharpe, D. and Bossanyi, E., 2011, Wind Energy HandBook 2nd Edition, pp. 42-43. 

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