풍력 발전기 블레이드 공력 설계 프로세스를 정리하고 자체 개발한 프로그램을 이용하여 10kw 블레이드 공력 형상 설계를 진행하였다. 개념설계, 기본 형상 설계, 최적화 설계, 설계 검증 및 성능 해석순으로 진행하였으며, 각 설계 단계에서 중요한 설계 인자에 대해서 정리하였다. 또한 블레이드를 구성하는 단면 익형의 배치에 대한 가이드를 제시하였으며, 공력 설계를 검증하는 방법으로 stall margin 확인의 중요성에 대해서 정리하였다. 자체 개발한 설계 프로그램의 결과를 BEMT 기반의 전문 프로그램 DNVGL Bladed의 성능 해석 결과와 비교하여 제시하였다.
풍력 발전기 블레이드 공력 설계 프로세스를 정리하고 자체 개발한 프로그램을 이용하여 10kw 블레이드 공력 형상 설계를 진행하였다. 개념설계, 기본 형상 설계, 최적화 설계, 설계 검증 및 성능 해석순으로 진행하였으며, 각 설계 단계에서 중요한 설계 인자에 대해서 정리하였다. 또한 블레이드를 구성하는 단면 익형의 배치에 대한 가이드를 제시하였으며, 공력 설계를 검증하는 방법으로 stall margin 확인의 중요성에 대해서 정리하였다. 자체 개발한 설계 프로그램의 결과를 BEMT 기반의 전문 프로그램 DNVGL Bladed의 성능 해석 결과와 비교하여 제시하였다.
A 10kw wind turbine blade aerodynamic design was carried out using the self-developed program AeroDA. The concept, basic shape, and optimization were designed and verified. A performance analysis was carried out and the key factors in each design stage are summarized. In addition, a guide for the pl...
A 10kw wind turbine blade aerodynamic design was carried out using the self-developed program AeroDA. The concept, basic shape, and optimization were designed and verified. A performance analysis was carried out and the key factors in each design stage are summarized. In addition, a guide for the placement of cross-section airfoils constituting the blades is presented, and the importance of the stall margin test as a method of verifying aerodynamic design is summarized. In order to verify the design program AeroDA, we compared the results of the performance analysis with a specialized program DNVGL_Bladed.
A 10kw wind turbine blade aerodynamic design was carried out using the self-developed program AeroDA. The concept, basic shape, and optimization were designed and verified. A performance analysis was carried out and the key factors in each design stage are summarized. In addition, a guide for the placement of cross-section airfoils constituting the blades is presented, and the importance of the stall margin test as a method of verifying aerodynamic design is summarized. In order to verify the design program AeroDA, we compared the results of the performance analysis with a specialized program DNVGL_Bladed.
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문제 정의
BEMT 관련하여 여러 참고 문헌이 있으나[2-4], 이론 위주의 단순한 기본 형상 생성 방법에 대한 언급에 국한되기 때문에 블레이드 설계에 바로 적용하기 어려운 한계를 갖는다. 본 논문에서는 BEMT의 이론적 설명보다는 블레이드 공력 설계 절차 및 최적화 기법에 대하여 10kW 블레이드 공력 설계를 진행하면서 상세히 정리 하였다. BEMT에 기반을 둔 전체적인 블레이드 공력 설계 프로세스는 Fig.
BEMT를 풍력 발전기 블레이드 설계에 적용하는 많은 참고문헌들이 존재하나, 이론 설명 위주의 1개 익형만을 사용한 단순 형상 설계 방법에 대한 언급에 국한되기 때문에, 다수의 익형 조합을 사용하는 실질적인 블레이드 설계에 바로 적용하기 어려운 한계를 갖는다. 본 논문에서는 자체 개발한 설계 프로세스 및 최적화 프로그램을 사용하여 10kW 풍력발전기 블레이드 공력 설계를 단계별로 진행하면서 설계 방법에 대하여 자세히 기술하였다. 또한 설계 프로그램 AeroDA의 결과를 풍력 분야에서 가장 널리 사용되어지는 상용 프로그램 Bladed 성능 해석 결과와 비교한 결과 그 유용성을 확인할 수 있었다.
제안 방법
NREL(미)에서 공개한 5MW 블레이드[10] 자료와 2.3MW, 2.7MW 및 해상용 7MW 블레이드 설계를 진행하면서 습득한 노하우 및 자료를 분석하여 무차원 단면 위치에 따른 두께비 분포를 Fig. 8와 같이 정리하여, 초기 익형 배치의 참고 자료로 제시하였다. 이에 따른 10kW 블레이드 초기 두께비 분포는 Fig.
단면 시위 길이 분포 변화에 따른 성능 및 공력 하중 해석을 수행하고, 개발 목표 성능을 만족하는 최적 형상을 도출한다. 최적화 연구는 개발된 AeroDA의 최적화 모듈을 사용하였다.
익형의 개발 및 검증은 많은 시간이 필요하다. 따라서 초기의 풍력 블레이드는 오랜 기간 검증이 완료된 NACA 익형을 사용하여 설계를 진행하였다. 풍력 블레이드의 저속 운전 특성에 적합한 NACA 63 개열의 18%~15% 두께비 익형이 주로 사용되었고[5], 블레이드 루트 부 설계에 필요한 두꺼운 익형은 얇은 익형의 두께를 단순히 증가시켜 사용하였다.
추가적으로 블레이드 팁 부분에 사용하기 위한 18%, 15%의 얇은 DU 익형도 공개되었으나, 아직까진 두꺼운 DU 익형과 얇은 NACA 익형의 조합이 가장 널리 사용되고 있다[8-9]. 본 논문에서는 Fig.6과 같이 DU계열 익형과 NACA-63 계열 익형을 조합하여 공력 설계를 진행하였다.
따라서 터빈 사양 및 개발 목표 등에 따라서 다양한 최적 공력 형상이 도출된다. 본 논문은 블레이드 설계기법에 대한 연구이므로, 10kW 터빈 조사를 통하여 표준 사양을 Fig.7에 정의하고, 정의된 시스템에 최적화된 블레이드 공력 설계를 진행하였다. 성능 목표는 Cp =0.
6 에서 최대화 된다. 블레이드 설계 최종 목표는 전력 생산량 최대화이기 때문에 주속비를 7.6를 1차 선정하고, 블레이드 루트 하중 특성을 비교하였다. 공력 하중은 주속비가 증가함에 따라서 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
최적 주속비를 찾기 위해서 주속비를 4~10 사이에서 1간격으로 수행하여 최적점이 6~8 사이임을 확인 하였다. 이후에 Fig.12와 같이 주속비를 6~8 사이에서 0.2 간격으로 세분화하여 형상 설계 및 성능 해석을 수행하였다.
대상 데이터
15-17과 같이 상세 형상 설계를 진행하였다. 3차원 형상은 AeroDA 3D 형상 설계 모듈을 사용하여 생성 하였다.
3개의 블레이드를 가지는 수평축 풍력발전기(Horizontal Axis Wind Turbines)가 일반적이었으며, 평균 로터 직경은 8m이다. AeroDA 개념 설계 모듈을 이용하여 Fig.3과 같이 경쟁사 터빈의 성능을 예측 평가하고, 성능 경쟁력을 확보 가능한 목표 출력 곡선을 Fig.4와 같이 도출하여 이후 설계 단계의 참고 자료로 사용 하였다.
AeroDA 와 Bladed 결과가 모든 조건에서 1% 이내로 정확히 일치하는 것을 확인하였다. 대상 터빈 정격 용량은 10kW, 허브를 포함한 로터 직경은 7.9m, 정격 로터 회전속도는 150rpm 이다. 개념 설계 단계에서 경쟁사 터빈 성능 분석을 통하여 도출한 개발 목표 출력 곡선과 비교하여 모든 풍속에서 동등 이상으로 목표를 만족했음을 Fig.
7에 정의하고, 정의된 시스템에 최적화된 블레이드 공력 설계를 진행하였다. 성능 목표는 Cp =0.47 이상, 정격 출력 도달 풍속은 10m/s 이내로 선정 하였다.
최종 선정된 주속비 7.8 기준으로 Fig.15-17과 같이 상세 형상 설계를 진행하였다. 3차원 형상은 AeroDA 3D 형상 설계 모듈을 사용하여 생성 하였다.
2). 프로그램 구성은 개념설계 ConD 모듈 , 전처리 PreP 모듈, 공력 설계 AeroD 모듈, 성능 해석 AeroA 모듈로 구성 된다.
데이터처리
최종 선정된 블레이드 형상에 대하여, AeroDA 성능 해석 모듈과 상용 전문 프로그램 Bladed를 이용하여 성능 해석을 각각 수행하고 결과를 비교 하였다.
이론/모형
공력 설계는 자체 개발한 통합 설계 및 성능 해석 프로그램 AeroDA를 사용하여 진행하였다(Fig.2). 프로그램 구성은 개념설계 ConD 모듈 , 전처리 PreP 모듈, 공력 설계 AeroD 모듈, 성능 해석 AeroA 모듈로 구성 된다.
단면 시위 길이 분포 변화에 따른 성능 및 공력 하중 해석을 수행하고, 개발 목표 성능을 만족하는 최적 형상을 도출한다. 최적화 연구는 개발된 AeroDA의 최적화 모듈을 사용하였다. 블레이드 형상을 대표하는 주된 설계 인자는 주속비(TSR, Tip Speed Ratio)이다.
풍력 발전기 블레이드 형상 설계는 항공 회전익 분야에서 개발된 BEMT를 이론적 기반으로 한다. BEMT를 풍력 발전기 블레이드 설계에 적용하는 많은 참고문헌들이 존재하나, 이론 설명 위주의 1개 익형만을 사용한 단순 형상 설계 방법에 대한 언급에 국한되기 때문에, 다수의 익형 조합을 사용하는 실질적인 블레이드 설계에 바로 적용하기 어려운 한계를 갖는다.
성능/효과
21-22에 표시하였다. AeroDA 와 Bladed 결과가 모든 조건에서 1% 이내로 정확히 일치하는 것을 확인하였다. 대상 터빈 정격 용량은 10kW, 허브를 포함한 로터 직경은 7.
본 논문에서는 자체 개발한 설계 프로세스 및 최적화 프로그램을 사용하여 10kW 풍력발전기 블레이드 공력 설계를 단계별로 진행하면서 설계 방법에 대하여 자세히 기술하였다. 또한 설계 프로그램 AeroDA의 결과를 풍력 분야에서 가장 널리 사용되어지는 상용 프로그램 Bladed 성능 해석 결과와 비교한 결과 그 유용성을 확인할 수 있었다.
풍속이 증가함에 따라 로터 회전 속도가 같이 증가하는 8m/s 풍속 이하에서는 모든 단면에서 설계 받음각으로 일정하게 유지된다. 블레이드 끝단속도 제한으로 블레이드 회전 속도가 고정되는 8.5m/s 이후 단면 받음각은 점차 증가하다가 정격 풍속 9.5m/s 이후 피치 제어기의 작동으로 받음각이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 받음각이 가장 크게 발생하는 정격 출력 이전을 포함해서 모든 구간에서 실속 받음각 보다 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
공력 하중은 주속비가 증가함에 따라서 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 주속비 7.6과 7.8을 비교하여, AEP 감소량은 0.1% 이내이지만, 블레이드 루트 공력 하중 감소량은 3% 정도 크게 발생하기 때문에 시스템에 가해지는 하중을 최소화하기 위해서 주속비를 7.8로 최종 결정 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
블레이드의 공력 설계 순서는 어떻게 이루어지는가?
공력 설계 순서는 단면 익형의 선정, 각 단면의 설계 받음각(α) 설정, 설계 주속비(λ, tip speed ratio) 결정, flow induction factor (a, a’) 계산, 시위 길이(c, chord length) 계산, 비틀림 각(β, twist angle) 계산 및 성능 해석 순으로 이루어진다. 관련 수식은 Eq.
블레이드 형상 설계 및 성능 해석은 무엇에 기반을 두고있는가?
핵심 부품을 해외 업체에 의존하고, 시스템 최적화 설계의 자립도가 낮은 지금까지의 방식으로는 더 이상 기술 및 가격 경쟁력을 확보할 수 없는 상황에 이미 도달하였으므로, 자체 개발 역량 확보를 위한 연구 노력이 시급한 상황이다. 블레이드 형상 설계 및 성능 해석은 항공기 회전익 분야에서 개발되었으나, 풍력 분야에서도 오랜 기간 적용되면서 유효성이 입증된 BEMT(Blade Element Momentum Theory)에 이론적 기반을 갖는다. BEMT 관련하여 여러 참고 문헌이 있으나[2-4], 이론 위주의 단순한 기본 형상 생성 방법에 대한 언급에 국한되기 때문에 블레이드 설계에 바로 적용하기 어려운 한계를 갖는다.
우리나라에서 풍력 발전 기술의 경쟁력이 떨어진 배경은?
전 세계적으로 지구 온난화 및 원전 사고 위험에 대한 위기의식이 점차 고조되어 신재생 에너지에 대한 관심이 증가하고 있는 상황에서, 상대적으로 발전 시스템의 경제성이 우수하고, 대용량 발전이 가능한 풍력 발전에 대한 투자가 점차 확대되고 있다. 그러나 바람 자원이 우수한 지역의 육상 풍력 시장은 점차 포화 상태에 근접하고 있고, 중국 저가 터빈의 공격적인 시장 진입이 격화됨에 따라서, 시스템 업체 간이 생존을 위한 과다 경쟁이 발생하여 터빈 판매 가격은 지속적인 하락 하고 있다[1]. 해외 선진 업체 대비 핵심부품에 대한 독자 기술력이 부족하고, 중국 업체 대비해서 가격 경쟁력이 열세인 국내 시스템 업체의 어려움이 지속적으로 커지는 이유이다. 핵심 부품을 해외 업체에 의존하고, 시스템 최적화 설계의 자립도가 낮은 지금까지의 방식으로는 더 이상 기술 및 가격 경쟁력을 확보할 수 없는 상황에 이미 도달하였으므로, 자체 개발 역량 확보를 위한 연구 노력이 시급한 상황이다.
참고문헌 (10)
Wiser, R. ,Bolinger, M. , "2015 Wind Technologies Market Report, p.51-52, U.S. Department of Energy, 2015.
T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, E. Bossanyi. Wind energy handbook. p.39-65, Wiley, 2011.
Moriarty, P. J. and Hansen, A. C., AeroDyn Theory Manual, National Renewable Energy Laboratory, 2005.
K.J. Jackson, M.D. Zuteck, C.P. van Dam, K.J. Standish, D. Berry, Innovative design approaches for large wind turbine blades, Wind Energy volume 8, p.141-171. John Wiley & Sons, 2005.
W. A. Timer, "An overview of NACA 6-digit airfoil series characteristics with reference to airfoils for large wind turbine blades," AIAA Paper No. 2009-268, 2009
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G., Definition of 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development, NREL/TP-500-38060, 2009.
Resor, B. R., "Definition of a 5MW/61.5m Wind Turbine Blade Reference Model," Sandia National Laboratories: SAND2013-2569, 2013.
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