[논문]저속 회전형 소형 수직축 풍력발전기의 공기역학적 출력에 대한 CFD 및 실험적 검증

허영근; 최경호; 김경천

doi:10.5916/jkosme.2016.40.4.330

저속 회전형 소형 수직축 풍력발전기의 공기역학적 출력에 대한 CFD 및 실험적 검증
CFD and experiment validation on aerodynamic power output of small VAWT with low tip speed ratio 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.40 no.4, 2016년, pp.330 - 335

허영근 (Department of Mechanical Engineering, Pusan National University and DNDE Inc.) , 최경호 (DNDE Inc.) , 김경천 (Department of Mechanical Engineering, Pusan National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 설계된 100 W급 헬리컬 수직축 풍력발전기의 공기 역학적 출력 및 유동 특성에 관하여 연구하였다. 이를 위하여 100 W급 헬리컬 수직축 풍력발전기 로터를 설계하였고 풍동 시험과 동일한 환경을 적용한 3차원 전산유동해석을 수행하였다. 전산유동해석 결과를 통하여 공기 역학적 출력과 헬리컬 유동 특성을 확인하였다. 마지막으로 실제 크기의 수직축 풍력발전기에 대한 풍동 시험을 수행하여 전산유동해석에서 예측한 공기역학적 출력과 비교 검증하여 전산유동해석 기법의 타당성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, aerodynamic characteristics of the blades of a helical-type vertical axis wind turbine(VAWT) have been investigated. For this purpose, a 100-W helical-type vertical axis wind turbine was designed using a design formulae, and a 3D computational fluid dynamics analysis was performed considering wind tunnel test conditions. Through the results of the analysis, the aerodynamic power output and flow characteristics of a helical blade were confirmed. In order to validate the aerodynamic power output obtained through the analysis, a wind tunnel test was performed by using a full-scale helical-type vertical axis wind turbine. The 3D analysis technique was validated by comparing its results with those obtained from the wind tunnel test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 100 W급 헬리컬 수직축 풍력터빈을 설계하였으며 설계된 로터에 대한 3차원 전산유동해석에서 얻은 출력 결과와 풍동 시험에서 얻은 출력 결과를 비교하여 설계 및 해석 기법의 타당성을 확인하였다.
이 같은 사회적 분위기에서 풍력발전에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔으나 소음 및 고속 회전으로 인한 시각적 위협감 등의 문제로 사회적 인식이 나빠지고 있는 실정이다[4]. 이러한 배경을 통하여 본 연구에서는 출력 중심의 고속 회전형 로터가 아닌 보다 저속으로 회전하는 소형 풍력발전기를 설계하여 해안가, 해안 관광지 또는 크루즈선 등 친인화적으로 설치가 가능하도록 하는 것이 목적이다.

제안 방법

과도해석 조건으로 해석을 수행하였으며 시간 간격은 회전각도 1°에 해당하는 9.8e-4 sec를 적용하였다.
7 W의 출력을 얻었으며 풍동 시험 결과와 비교하였을 때 11 % 정도 큰 출력 결과를 획득하였고 부차 손실 및 동력 전달 효율을 감안한다면 충분한 타당성을 확보할 수 있었다. 그리고 유동해석을 통하여 헬리컬 형상이 가지는 공력 특성을 분석하였다. 출력에 기여하는 토크를 형성하는 회전 범위에 진입할 때 꼬여있는 블레이드 형상은 연속적인 토크를 발생하여 출력 변동이 낮아짐을 확인하였다.
해석을 위한 유한 요소 모델은 Figure 5와 같으며 사면체 격자계를 사용하였다. 또한 블레이드 주변의 유동 특성을 고려하여 보다 조밀한 격자계를 구성하였다. 블레이드를 포함한 모든 구조물과 벽면에는 벽면 점성 효과를 고려하여 프리즘 격자계를 배치하였다.
마지막으로 회전수는 주속비 1.1의 저속회전을 목표로 하였으며 반경과 유입 풍속을 반영하여 170 rpm의 로터 회전수를 설정하였다.
본 연구에서는 헬리컬 형상의 블레이드를 가진 수직축 풍력발전기를 설계하여 3차원 CFD해석을 수행하여 출력 및 헬리컬 형상의 공력 특성을 분석하고 실제 크기의 로터를 이용하여 풍동시험을 수행하였으며 CFD 해석 결과의 신뢰성을 확인하였다. 이를 통하여 보다 다양한 형태의 수직축 풍력발전기 연구에 대한 절차를 확립할 수 있을 것으로 판단된다.
Figure 3은 풍동 시험에 사용된 실험 장비 구성을 나타내고 있다. 유입 풍속은 풍동 시험기에 설치된 풍속계를 통하여 획득하였으며 전류계 및 전압계를 사용하여 전력을 획득하였다. 그리고 발전기에서 생산된 전력을 흡수하기 위하여 파워싱커를 사용하였다.
풍동 시험은 5 m/s에서 11 m/s까지 풍속을 변화하며 각각의 풍속에서 회전수에 따른 출력을 획득하였다. 로터 회전수는 제어기에서 가변 부하 제어를 통하여 변경하였다.
Figure 4는 해석에 사용된 유동장을 나타내고 있다. 해석 영역은 풍력발전기 로터를 포함한 회전영역과 비회전 영역으로 분할하였다.

대상 데이터

풍동 시험은 전북대학교 대형풍동실험센터에서 진행하였으며 풍동 시험기의 내부 구성도는 Figure 2와 같다. 너비 5 m, 높이 2.5 m 그리고 길이 20 m의 대형 풍동 시험기이다. 풍동 시험기의 사양은 Table 2에 나타내고 있다.
유동해석에 사용될 유동장은 풍동시험기의 너비 5 m, 높이 2.5 m를 적용하였으며 길이 방향으로는 후류 영향에 의한 해석 안정성을 위하여 31 m로 확장하였다. Figure 4는 해석에 사용된 유동장을 나타내고 있다.
풍동 시험은 전북대학교 대형풍동실험센터에서 진행하였으며 풍동 시험기의 내부 구성도는 Figure 2와 같다. 너비 5 m, 높이 2.
블레이드를 포함한 모든 구조물과 벽면에는 벽면 점성 효과를 고려하여 프리즘 격자계를 배치하였다. 해석 격자계의 총 노드수는 10,425,181개 이며 이 중에서 회전 영역의 노드수는 9,813,123개 이다. Table 3은 해석에 사용된 격자계의 정보를 나타낸다.

이론/모형

5%로 적용하였다. 난류 모델은 RANS 계열의 SST(Shear Stress Transport) 난류 모델을 적용하였다. Table 4에서는 경계조건에 대한 자세한 정보를 나타내고 있다[14].

성능/효과

또한 풍동 시험 조건을 반영한 3차원 전산유동해석을 통하여 127.7 W의 출력을 얻었으며 풍동 시험 결과와 비교하였을 때 11 % 정도 큰 출력 결과를 획득하였고 부차 손실 및 동력 전달 효율을 감안한다면 충분한 타당성을 확보할 수 있었다. 그리고 유동해석을 통하여 헬리컬 형상이 가지는 공력 특성을 분석하였다.
Figure 10은 로터 회전각도 –10°, 0° 10°에서의 단면 위치 별 압력 분포를 나타내고 있다. 로터가 회전함에 따라 중심단면에서 발생되는 압력분포와 동일한 로터 회전각도에서 높이방향으로 다른 위치에 있는 단면의 압력 분포가 동일하다는 것을 확인 할 수 있다. 이는 출력에 기여하는 토크 발생 범위에 블레이드가 진입할 때 헬리컬 형상에 의하여 높이 방향으로 연속적인 토크가 형성된다고 분석할 수 있다.
본 연구에서 설계한 풍력발전기는 수직축 풍력발전기이며 바람의 방향과 무관하게 구동이 가능하며 요잉장치, 너셀 등의 장치가 필요 없어 설치 장소의 제한이 적으며 큰 정격출력보다는 꾸준히 높은 출력을 가져야 하는 소형 풍력발전기로 적합하다.
5 m/s에서 기동을 시작하여 설계 풍속 9 m/s에서는 최대 160 W를 보이고 있다. 제어기의 제어를 통하여 회전수를 170 rpm으로 제어한 결과 114.7 W로 정격 출력 보다 약 14 % 높은 출력을 보이고 있다. 풍동시험기의 폐쇠효과를 고려했을 때 정격 출력을 충분히 만족한다고 판단된다.
그리고 유동해석을 통하여 헬리컬 형상이 가지는 공력 특성을 분석하였다. 출력에 기여하는 토크를 형성하는 회전 범위에 진입할 때 꼬여있는 블레이드 형상은 연속적인 토크를 발생하여 출력 변동이 낮아짐을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서는 헬리컬 형상의 블레이드를 가진 수직축 풍력발전기를 설계하여 3차원 CFD해석을 수행하여 출력 및 헬리컬 형상의 공력 특성을 분석하고 실제 크기의 로터를 이용하여 풍동시험을 수행하였으며 CFD 해석 결과의 신뢰성을 확인하였다. 이를 통하여 보다 다양한 형태의 수직축 풍력발전기 연구에 대한 절차를 확립할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많은 국가가 산업화에 따른 기후변화 문제를 공감하고 이를 해결하기 위한 최적의 발전시스템으로 평가하는 것은 무엇인가?	최근 신재생에너지에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 신재생에너지원 중에서 풍력에너지는 환경오염을 유발하지 않는 친환경 재생에너지로, 세계적으로 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다[1][2]. 1997년 쿄토협약에서부터 2015년 파리기후협약에 이르면서 보다 많은 국가에서 산업화에 따른 기후변화 문제를 공감하고 있으며 이를 해결하기 위하여 풍력발전은 최적의 발전시스템으로 평가되고 있다[3]. 이 같은 사회적 분위기에서 풍력발전에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔으나 소음 및 고속 회전으로 인한 시각적 위협감 등의 문제로 사회적 인식이 나빠지고 있는 실정이다[4].
	본 연구에서 고속 회전형 로터가 아닌 저속으로 회전하는 소형 풍력발전기를 설계한 배경은 무엇인가?	1997년 쿄토협약에서부터 2015년 파리기후협약에 이르면서 보다 많은 국가에서 산업화에 따른 기후변화 문제를 공감하고 있으며 이를 해결하기 위하여 풍력발전은 최적의 발전시스템으로 평가되고 있다[3]. 이 같은 사회적 분위기에서 풍력발전에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔으나 소음 및 고속 회전으로 인한 시각적 위협감 등의 문제로 사회적 인식이 나빠지고 있는 실정이다[4]. 이러한 배경을 통하여 본 연구에서는 출력 중심의 고속 회전형 로터가 아닌 보다 저속으로 회전하는 소형 풍력발전기를 설계하여 해안가, 해안 관광지 또는 크루즈선 등 친인화적으로 설치가 가능하도록 하는 것이 목적이다.
	2D CFD의 단점은 무엇인가?	[13]은 CFD를 통하여 동실속에 대한 접근은 SST 난류 모델이 예측성이 우수하다는 결론을 제시하였다. 하지만 2D CFD의 경우, 직선형 블레이드 형상에만 적용 될 수 있으며 블레이드 끝단에서 발생되는 유동 특성 등이 반영되지 않아 출력을 과도하게 예측하는 단점이 있다.

참고문헌 (14)

K. C. Tong, "Technical and economic aspects of a floating offshore wind farm," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 74-76, pp. 399-410, 1998.

상세보기
A. S. A. Shata and R. Hanitsch, "Evaluation of wind energy potential and electricity generation on the coast of mediterranean sea in Egypt," Renewable Energy, vol. 31, no. 8, pp. 1183-1202, 2006.

상세보기
Small and Medium Business Administration, Technology Road Map for SME, 2015-2017, 2015
B. Greening and A. Azapagic, "Environmental impacts of micro-wind turbines and their potential to contribute to UK climate change targets," Energy, vol 59, pp. 454-466, 2013.

상세보기
G. Darrieus, "Turbine having its rotating shaft transvers to the flow of the current," U.S. Patent 1835018, Dec. 8, 1931.
R. J. Templin, Aerodynamic Performance Theory for the NRC Vertical-axis Wind Turbine, Laboratory Technical Report LTR-LA-160, National Research Council, Canada, 1974.
J. H. Strickland, The Darrieus Turbine : A Performance Prediction Model Using Multiple Streamtubes, Laboratory Technical Report SAND74-0431, USA, 1975.
M. Islam, D. S. K. Ting, and A. Fartaj, "Aerodynamic models for darrieus-type straight-bladed vertical asix wind turbines," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, no. 4, pp. 1087-1109, 2008.

상세보기
I. Paraschivoiu, "Double-multiple streamtube model for studying vertical-axis wind turbines," Journal of Propulsion and Power, vol. 4, no. 4, pp. 370-377, 1988.

상세보기
R. E. Sheldahl, "Comparison of field and wind tunnel darrieus wind turbine data," Journal of Energy, vol. 5, no. 4, pp. 254-256, 1981.

상세보기
G. Bedon, M. R. Castelli, and E. Benini, "Experimental tests of a vertical-axis wind turbine with twisted blades," ICMIME 2013, pp. 384-387, 2013.
T. J. Carrigan, B. H. Dennis, Z. X. han, and B. P. Wang, "Aerodynamic shape optimization of a vertical- axis wind turbine using differential evolution," ISRN Renewable Energy, vol. 2012, Article ID 528418, 2012,

상세보기
J. A. Ekaterinaris and M. F. Platzer, "Computational prediction of airfoil dynamic stall," Progress in Aerospace Sciences, vol. 33, no. 11-12, pp. 759-846, 1998.
F. R. Menter, "ZONAL TWO EQUATION k- ${\omega}$ TURBULENCE MODELS FORAERODYNAMIC FLOWS," AIAA Fluid Dynamics Conference, 1993.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증