[논문]수직축 풍력터빈의 유동해석에 관한 연구

이기선; 박정철

doi:10.5370/kieep.2017.66.4.158

[국내논문] 수직축 풍력터빈의 유동해석에 관한 연구
A Study on Air Flow Analysis in Vertical-axis Wind Turbine 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.66 no.4, 2017년, pp.158 - 162

이기선 (Electric & Control Engineering Division, Shinincheon Combined Cycle Power Plant) , 박정철 (Dept. of Electronic Engineering, Gachon University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper did basic study on the vertical-axis wind turbine. Namely, This paper was try to find the optimum conditions by using the ANSYS CFX simulation program through the changes of the main-blade angle and sub-blade angle. Main-blade Shape #4 angle $45^{\circ}$ compared to others Shape angle $0^{\circ}$ was increased by 157.2[%] to 263.2[%] in the power output and was increased by 110[%] to 250[%] in the power coefficient. Also, when the Shape #5 Fin length of main-blade doubles, because the power output was 70.8[%] compared to Shape #1 and 27.5[%] compared to Shape #4, and the power coefficient was 60[%] compared to Shape #1 and 28.6[%] compared to Shape #4, the power output and the power efficiency were rather reduced. The output current of Shape #4 was increased 109.9[%] compared to Shape #1 and increased 250[%] compared to Shape #5, and The output voltage of Shape #4 was increased 22.5[%] compared to Shape #1 and increased 3.7[%] compared to Shape #4.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대상으로 하고 있는 수직축 풍력터빈에 대해 연구하였다. 즉 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도를 변화주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 논문은 수직축 풍력터빈에 대한 기초 연구를 하였으며 즉 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도를 변화 주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 찾고자 하였다.

대상 데이터

그림 6은 주 블레이드와 보조 블레이드 형상이 모두 갖춰진 수직축 풍력터빈의 상태에서 시뮬레이션을 실시하여 토크, 효율, 출력(P), 출력전압(Ep), 출력전류(Ip)의 결과를 나타낸 것이다. 시뮬레이션 대상은 토크가 가장 높았던 Shape #5와 가장 낮았던 Shape #4 그리고 기본형상인 Shape #1 이며, TSR 0.2 ~ 0.5 범위에서 실시하였다.

성능/효과

1. 주 블레이드 형상이 기본형상의 0°각도 보다는 각도 45°로 변경한 Fin Type 블레이드에서 출력 및 효율이 더 상승했다. 즉 주 블레이드 각도를 45°로 변경한 Shape #4가 주 블레이드 각도를 0°로 한 나머지 Shape들 보다 출력은 157.
2. 주 블레이드의 Fin 크기를 기본길이 보다 2배 크게(b →2b) 변경한 Shape #5의 출력은 Shape #1에 비해 70.8%, Shape #4에 비해 27.5% 정도 수준이었으며, 효율은 Shape #1에 비해 60%, Shape #4에 비해 28.6% 정도 수준으로 출력 및 효율이 오히려 감소되었다.
3. 주 블레이드의 Open angle을 90°로 유지한 상태에서 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도가 모두 45°로 동일하게 할 경우, 즉 Shape #4가 Shape #1의 0.96[kW] 및 Shape #5 의 0.68[kW]에 비해 2.47[kW]로 출력이 가장 높았다.
4. Shape #4는 Shape #1과 Shape #5에 비해 출력전류가 각각 109.9%, 250%가 더 증가하였고 출력전압도 각각 22.5%, 3.7%가 더 증가하였다.

후속연구

본 논문에서 제시한 최종 설계 사양의 시뮬레이션 시험 결과를 적용하여 풍력발전시스템을 개발하여 상용화 한다면 최적의 출력과 우수한 효율을 생산할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전자 축의 방향에 따른 방식 중 수직풍 풍력 터빈의 장점은?	수직축 풍력 터빈은 수평축 풍력터빈에 비해 몇가지 장점을 가지고 있다. 수직축 풍력터빈은 바람의 방향에 관계없이 운전 가능하기 때문에 구조적으로 간단하고 설치비용 또한 저렴하다. 또한 수직축 풍력터빈의 경우 낮은 회전속도에서도 정격출력으로 발전하기 때문에 미풍에서도 풍력발전이 가능하며 소음 역시 더 적다는 장점이 있다[3].
	풍력 발전기란?	재생에너지 중 풍력에너지는 무한정, 무공해의 바람을 이용하기 때문에 환경에 미치는 영향이 적고 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 운전중 온실가스 배출 및 미세먼지 등의 유해물질이 없으므로 화석에너지 고갈에 대비한 대체에너지원으로 각광받는 에너지중의 하나이다. 풍력 발전기는 공기의 운동 에너지를 회전자의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 회전운동에너지로 변환시키는 역할을 하는 것으로서, 회전자 축의 방향에 따라 수평축 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine : HAWT) 방식과 수직축 터빈(Vertical Axis Wind Turbine : VAWT) 방식으로 나 눌 수 있다[2].
	회전자 축의 방향에 따라 풍력 발전기를 어떻게 분류할 수 있는가?	재생에너지 중 풍력에너지는 무한정, 무공해의 바람을 이용하기 때문에 환경에 미치는 영향이 적고 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 운전중 온실가스 배출 및 미세먼지 등의 유해물질이 없으므로 화석에너지 고갈에 대비한 대체에너지원으로 각광받는 에너지중의 하나이다. 풍력 발전기는 공기의 운동 에너지를 회전자의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 회전운동에너지로 변환시키는 역할을 하는 것으로서, 회전자 축의 방향에 따라 수평축 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine : HAWT) 방식과 수직축 터빈(Vertical Axis Wind Turbine : VAWT) 방식으로 나 눌 수 있다[2].

참고문헌 (4)

Sooyoung Jun, Sangwon Park, Hojun Song, "Assessment of GHG Emission Reduction Potential in Extension of Nuclear and Renewable Energy Electricity Energy Electricity Generation," Journal of Energy Engineering, vol. 18, no. 3, pp. 191-202, 2009.
Shin, J. Y., Son, Y. S., Cha, D. G., Lee, C. H., Hwang, I. C., "Aerodynamic characteristics of a vertical axis wind turbine blade," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 30, no. 8, pp. 877-884 Procedia 61, pp. 1275-1278. 2006.
Kim, D. K., Kim, M. K., Cha, D. K., Yoon, S. H., Yang, C. J., "Design of Drag-type Vertical Axis Miniature Wind Turbine Using Arc Shaped Blade," The KSFM Journal of Fluid Machinery, vol. 9, no. 2, pp. 7-12, 2006.
Kim, J. H., Kim, J. B., Oh, Y. L., "Performance Prediction of Wind Power Turbine by CFD Analysis," Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 37, no. 4, pp. 423-429, 2013.

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