[논문]사보니우스 소형풍력터빈 수치해석용 격자시스템 평가

김철규; 이상문; 전석윤; 윤준용; 장춘만

doi:10.7316/khnes.2016.27.5.547

사보니우스 소형풍력터빈 수치해석용 격자시스템 평가
Evaluation of a Grid System for Numerical Analysis of a Small Savonius Wind Turbine 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.5, 2016년, pp.547 - 553

김철규 (한국건설기술연구원) , 이상문 (한국건설기술연구원) , 전석윤 (한국건설기술연구원) , 윤준용 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 장춘만 (한국건설기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the effect of a grid system on the performance of a small Savonius wind turbine installed side-by-side. Turbine performance is compared using three different grid systems; tetrahedral grid having a concentrated circular grid around turbine rotors, the tetrahedral grid having a concentrated rectangular grid around turbine rotors and the symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid. The commercial code, SC/Tetra has been used to solve the three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis in the present study. The Savonius turbine rotor has a rotational diameter of 0.226m and an aspect ratio of 1.0. The distance between neighboring rotor tips keeps the same length of the rotor diameter. The variations of pressure and power coefficient are compared with respect to blade rotational angles and rotating frequencies of the turbine blade. Throughout the comparisons of three grid systems, it is noted that the symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid has a stable performance compared to the other ones.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 풍력 단지에서 풍력 터빈 간 배열에 따른 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 선행 연구로서, 세 종류의 격자시스템을 적용하여 풍력터빈이 나란히 배열되어 있는 경우 수치해석을 통한 터빈 성능특성을 평가하였다. 최대 및 최소 압력변화 특성 및 출력계수 특성을 각 격자 시스템과 비교하여 소형 수직축 풍력터빈의 수치해석에 보다 적합한 격자 시스템을 제시하였다.
본 연구에서는 소형 풍력단지 조성을 위한 선행연구로 두 대의 사보니우스형 터빈이 나란히 위치했을 때를 고려하였으며, 풍력터빈 성능특성을 분석하기 위한 기초연구로 수치해석격자에 따른 제반 성능특성을 분석하였다.
본 연구에서는 풍력 단지의 수직형 풍력터빈의 배열에 따른 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 선행 연구단계로 각 격자시스템에서 수치해석 결과에 미치는 영향을 고찰하였다.
각 격자 시스템의 비교는 크게 회전각도에 따른 압력변화와 출력계수 등 두 가지의 해석결과를 이용하였다. 이 두 가지의 결과를 통하여 풍력터빈 배열에 가장 적절한 격자 시스템을 제안 하였다. 압력변화는 풍력터빈의 mid-span의 경계면 90방향 한 포인트에서 고찰하였다.

가설 설정

기본적으로 두 대의 풍력터빈을 바람방향과 수직으로 나란히 배열했을 때로 가정하여 격자 시스템의 영향을 비교하였다. 각 격자 시스템의 비교는 크게 회전각도에 따른 압력변화와 출력계수 등 두 가지의 해석결과를 이용하였다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 본 연구에서는 세 종류의 격자시스템으로 수치해석에 따른 격자성능을 평가하였다. 첫번째 격자는 사면체 격자를 기반으로 하고 터빈날개 주변을 원형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated circular grid around turbine rotors)하였으며, 두 번째 격자는 첫 번째와 같이 사면체 격자를 기반으로 하되 터빈날개 주변을 사각형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated rectangular grid around turbine rotors) 하였다.
기본적으로 두 대의 풍력터빈을 바람방향과 수직으로 나란히 배열했을 때로 가정하여 격자 시스템의 영향을 비교하였다. 각 격자 시스템의 비교는 크게 회전각도에 따른 압력변화와 출력계수 등 두 가지의 해석결과를 이용하였다. 이 두 가지의 결과를 통하여 풍력터빈 배열에 가장 적절한 격자 시스템을 제안 하였다.
첫 번째 격자는 격자생성 시간을 절약되며, 풍력터빈의 로터주변을 조밀하게 생성하였다. 두 번째 격자는 전체 해석 도메인을 사면체격자로 생성하되, 풍력터빈의 로터주변에 사각형의 영역을 추가로 구분하여 그 영역을 보다 조밀한 격자로 생성시켰다.
본 연구는 풍력터빈의 격자 시스템의 영향을 비교 하기 위해 상용 유동해석 프로그램인 SC/Tetra¹²⁾를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 풍력터빈의 회전에 따른 터빈로터 주변의 유동장을 파악하기 위해 비정상 레이놀즈 평균 나비에-스토스(unsteady Reynoldsaveraged Navier- Stokes) 방정식을 적용하였다.
세 번째 격자는 풍력터빈의 로터주변을 조밀한 사각 격자로 생성하고 터빈에서 먼 영역 및 벽 근처는 프리즘 격자를 이용하여 생성하였다. 각각의 격자 시스템의 격자형태, 격자 수, 풍력터빈 운전조건 등에 대해 Table 1에 정리하였다.
첫번째 격자는 사면체 격자를 기반으로 하고 터빈날개 주변을 원형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated circular grid around turbine rotors)하였으며, 두 번째 격자는 첫 번째와 같이 사면체 격자를 기반으로 하되 터빈날개 주변을 사각형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated rectangular grid around turbine rotors) 하였다. 세번째 격자는 육면체 격자를 기반으로 터빈날개 주변을 사각형의 사면체 격자(symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid)로 구성하였다. 각각의 격자 시스템을 생성할 때 좌우가 대칭이 되도록 미러 카피 기법(mirror copy method)을 사용하였다.
이 두 가지의 결과를 통하여 풍력터빈 배열에 가장 적절한 격자 시스템을 제안 하였다. 압력변화는 풍력터빈의 mid-span의 경계면 90방향 한 포인트에서 고찰하였다.
4와 같이 본 연구에서는 세 종류의 격자시스템으로 수치해석에 따른 격자성능을 평가하였다. 첫번째 격자는 사면체 격자를 기반으로 하고 터빈날개 주변을 원형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated circular grid around turbine rotors)하였으며, 두 번째 격자는 첫 번째와 같이 사면체 격자를 기반으로 하되 터빈날개 주변을 사각형으로 격자를 집중(tetrahedral grid having a concentrated rectangular grid around turbine rotors) 하였다. 세번째 격자는 육면체 격자를 기반으로 터빈날개 주변을 사각형의 사면체 격자(symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid)로 구성하였다.
본 연구는 풍력 단지에서 풍력 터빈 간 배열에 따른 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 선행 연구로서, 세 종류의 격자시스템을 적용하여 풍력터빈이 나란히 배열되어 있는 경우 수치해석을 통한 터빈 성능특성을 평가하였다. 최대 및 최소 압력변화 특성 및 출력계수 특성을 각 격자 시스템과 비교하여 소형 수직축 풍력터빈의 수치해석에 보다 적합한 격자 시스템을 제시하였다. 이러한 연구를 통해 바람방향과 수직이며, 나란히 배열된 풍력터빈의 수치해석을 수행 시 풍력터빈의 로터주변을 조밀한 사각 격자로 생성하고 터빈에서 먼 영역 및 벽 근처는 프리즘 격자를 이용하여 생성시킨 격자시스템이 가장 적합하며 적은 수의 격자 생성만으로도 신뢰성 있는 수치 해석 결과를 도출할 수 있었다.
3은 두 대의 사보니우스 풍력터빈을 수평으로 나란히 설치된 모습이며, 풍동실험조건과 동일하게 해석영역을 설정하였다. 풍동실험은 군산대학교에 설치되어 있는 풍력터빈 성능평가용 소형풍동시험장치에서 수행하였다. 소형풍동시험장치의 입구유속은 복수의 소형홴을 입구에 설치하여 조정하였으며, 시험부 단면 폭 및 높이는 각각 1.

대상 데이터

풍동실험은 군산대학교에 설치되어 있는 풍력터빈 성능평가용 소형풍동시험장치에서 수행하였다. 소형풍동시험장치의 입구유속은 복수의 소형홴을 입구에 설치하여 조정하였으며, 시험부 단면 폭 및 높이는 각각 1.45 m 및 0.96 m이다. 시험장치의 공기흐름방향의 전체 길이는 1.

이론/모형

세번째 격자는 육면체 격자를 기반으로 터빈날개 주변을 사각형의 사면체 격자(symmetric grid having a concentrated tetrahedral grid near the turbine rotor blades and a hexahedral grid)로 구성하였다. 각각의 격자 시스템을 생성할 때 좌우가 대칭이 되도록 미러 카피 기법(mirror copy method)을 사용하였다. 첫 번째 격자는 격자생성 시간을 절약되며, 풍력터빈의 로터주변을 조밀하게 생성하였다.
를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 풍력터빈의 회전에 따른 터빈로터 주변의 유동장을 파악하기 위해 비정상 레이놀즈 평균 나비에-스토스(unsteady Reynoldsaveraged Navier- Stokes) 방정식을 적용하였다. 비정상 해석을 위한 Time step은 0.
상, 하면에는 free slip 조건을, 난류 모델은 SST k-ω 모델을 각각 적용하였다.

성능/효과

다시 말해 풍력터빈 로터가 5회전했을 때의 특성 곡선은 390～720도의 전체적인 구간에서 위상이 잘 일치함을 보였다. 그러나 4회전 및 6회전 시 대부분의 영역에서 두 개의 출력계수 특성곡선이 불일치하는 것을 볼 수 있었으며, 사이클 패턴 또한 불안정한 곡선 형태로 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 수치해석 시 두 대의 풍력터빈을 일정한 간격으로 나란히 배열한 해석 도메인에서는 두 대의 터빈이 약 5～10% 정도의 출력계수 차이를 항상 염두에 두어야 한다.
다시 말해 풍력터빈 로터가 5회전했을 때의 특성 곡선은 390～720도의 전체적인 구간에서 위상이 잘 일치함을 보였다. 그러나 4회전 및 6회전 시 대부분의 영역에서 두 개의 출력계수 특성곡선이 불일치하는 것을 볼 수 있었으며, 사이클 패턴 또한 불안정한 곡선 형태로 나타나는 것을 확인하였다.
7에서 나타낸 바와 같이 세 번째 계산격자의경우, 최대 및 최저 압력변화는 일정한 간격 및 동일한 패턴의 사이클 패턴을 보이고 있다. 따라서 풍력터빈의 회전각도가 변화 하더라도 매우 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 검토한 세 종류의 계산격자를 이용하여 터빈성능을 두 대 사이의 평균 출력계수로 검토하였고, Table 2에서와 같이 실험값과 비교한 결과 세번째 격자가 가장 실험값과 유사함을 알 수 있었다.
10은 세 번째 격자시스템의 출력계수 특성을 나타낸다. 세 번째 격자시스템은 이전의 두 경우와 다르게 두 대의 풍력터빈의 출력계수 특성이 1～3%이내로 잘 일치한다. 회전각도에 대한 위상 폭의 차이는 다소 보이지만 전체 회전 사이클에 따른 출력 계수 특성곡선의 형태는 거의 일치하는 것으로 나타난다.
최대 및 최소 압력변화 특성 및 출력계수 특성을 각 격자 시스템과 비교하여 소형 수직축 풍력터빈의 수치해석에 보다 적합한 격자 시스템을 제시하였다. 이러한 연구를 통해 바람방향과 수직이며, 나란히 배열된 풍력터빈의 수치해석을 수행 시 풍력터빈의 로터주변을 조밀한 사각 격자로 생성하고 터빈에서 먼 영역 및 벽 근처는 프리즘 격자를 이용하여 생성시킨 격자시스템이 가장 적합하며 적은 수의 격자 생성만으로도 신뢰성 있는 수치 해석 결과를 도출할 수 있었다. 추후 풍력터빈의 다양한 배열에 따른 유동영향 연구를 통하여 소형 풍력 팜에서 보다 적합한 풍력터빈 배열을 찾는다면 소형풍력터빈도 보다 향상된 성능 및 경제성을 얻을수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

그리고 특성곡선의 형태 또한 사인곡선의 형태로 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 그러므로 수직축 풍력터빈의 경우, 두 대가 나란히 배열되어 있는 소형 풍력 단지에서 다수의 풍력 터빈의 영향을 수치 해석을 통해 보고자 할 때, 세 번째 격자시스템을 적용한다면 보다 정확한 수치해석 결과를 얻을 수 있으며, 미러 카피 기법의 사용으로 격자생성 시간을 보다 줄인다면 보다 경제적인 해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 연구를 통해 바람방향과 수직이며, 나란히 배열된 풍력터빈의 수치해석을 수행 시 풍력터빈의 로터주변을 조밀한 사각 격자로 생성하고 터빈에서 먼 영역 및 벽 근처는 프리즘 격자를 이용하여 생성시킨 격자시스템이 가장 적합하며 적은 수의 격자 생성만으로도 신뢰성 있는 수치 해석 결과를 도출할 수 있었다. 추후 풍력터빈의 다양한 배열에 따른 유동영향 연구를 통하여 소형 풍력 팜에서 보다 적합한 풍력터빈 배열을 찾는다면 소형풍력터빈도 보다 향상된 성능 및 경제성을 얻을수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력에너지의 특징은 무엇이 있는가?	풍력발전은 바람 에너지를 이용하여 블레이드를 회전을 시키고, 이를 전기에너지로 변환시키는 원리를 갖는다. 풍력에너지는 자연에서 얻는 무한에너지라는 장점이 있는 반면, 풍력터빈 설치를 위해서는 풍자원이 풍부해야 한다는 지리적 요인이 요구된다.
	우리나라의 지역에 따른 풍력발전 규모는 어떻게 되는가?	8 GW이며, 2009년 기준으로 전력망에 연계되어 있는 상업용 풍력발전기의 누적 설비용량은 324 MW이다. 지역별 설치규모는 강원도가 150.44 MW(83기) 로 가장 많은 보급량을 갖으며, 다음으로 경상북도가 102.36 MW(67기), 제주도가 77.54 MW(43기) 설치 운전되고 있어, 이 세지역이 국내 전체 보급량의 95%를 차지3)하고 있다. 현재 국내는 주로 육상 풍력 발전 위주로 설치되고 있는 실정이다.
	하이브리드 발전시스템이란 무엇인가?	이에 기존의 기저부하용 디젤 발전기를 대체할 목적으로 친환경 독립전원용 하이브리드 발전시스템에 대한 연구가 수행되고 있다. 하이브리드 발전시스템6)은 풍력, 태양광, 양수발전 및 에너지저장 시스템을 통합 연계하여 하나의 발전시스템으로 전력을 생산하는 시스템을 말한다. 이 때 풍력발전은 제작이 쉽고 신뢰성이 높은 다리우스(Darius) 또는 사보니우스형 (Savonius) 소형 풍력터빈을 적용8-10)하고 있으며, 효과적인 풍력 에너지 이용을 위한 풍력단지 조성 계획11)을 연구하고 있다.

참고문헌 (12)

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K. Matthias, M. Quinn and O. D. John, "Energy Exchange in an Array of Vertical-Axis Wind Turbines", J. Turbulence, Vol. 13, No. 38, 2012, pp. 1-13.

상세보기
한국에너지기술연구원, "국내풍력발전 현황", http://kredc.kier.re.kr/kier/02_energyInfo/Wind_countryin.aspx.
G. S. Park, K. G. Ryu, and H. G. Kim, "Wake Losses and Repositioning of Wind turbines at Wind Farm", J. Korean Solar Energy. Society, Vol. 35, No. 3, 2015, pp. 17-25.
S. H. Lee, H. G. Jeong, and S. D. Kwon, "Effects of Turbulence Intensities on Wake Models of Horizontal Wind Turbine", J. Compt. Struct. Eng. Inst. Korea, Vol. 27, No. 4, 2014, pp. 273-279.

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S. H. Park, K. H. Kim, K.S. Lee, Y. S. Park, H. S. Oh, H. K. Shin, and K. Y. Hong, "Arrangement Design and Performance Evaluation for Multiple Wind Turbines of 10MW Class Floating Wave-Offshore Wind Hybrid Power Generation Systems", J. Korean Society. Maritime Environment. Energy, Vol. 18, No. 2, 2015, pp. 123-132.

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C. M. Jang, S. M. Lee, W. H. Jeon, and T. G. Lim, "Evaluation of Energy Production for a Small Wind Turbine by Considering the Geometric Shape of the Deokjeok-Do Island", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 25, No. 6, 2014, pp. 629-635.

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J. H. Kim, "Modeling & Operating Algorithm of Islanding Microgrid with Wind Turbine, Deisel Generator and BESS", J. Korea Acad.-Indus. Cooper. Society, Vol. 15, No. 9, 2014, pp. 5893-5898.

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Y. T. Lee, and H. C. Lim, "Numerical Study to Determine Optimal Design of 500W Darrieus-type Vertical Axis Wind Turbine", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 8, 2015, pp. 693-702.
S. H. Kim and C. U. Cheong, "Numerical Investigation on the Flow Noise Characteristics of the Hybrid Vertical-axis Wind Turbine", J. Acos. Soc. Korea, Vol. 33, No. 6, 2014, pp. 693-702.
S. M. Lee and C. M. Jang, "Analysis of Annual Energy Production of Vertical Axis Wind Turbine using Experimental and Numerical Simulation", ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference, 2015, pp. 1940-1941.
SC/Tetra 9.0, User Guide, Software Cradle Co. Ltd. (2010).

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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