다수 풍력터빈의 후류영향 최소화 및 연간발전량 극대화를 위한 부유식 파력-해상풍력 플랫폼 최적배치 Optimal arrangement of multiple wind turbines on an offshore wind-wave floating platform for reducing wake effects and maximizing annual energy production원문보기
대형 부유식 파력-해상풍력 복합발전시스템은 정 사각형(폭 150m) 부유식 플랫폼 컬럼 상부에 4기의 3MW 풍력터빈이 설치된다. 전방 풍력터빈으로부터 발생되는 후류는 터빈배치에 따라 후방 풍력터빈의 출력성능과 하중특성에 불리한 영향을 미치므로 후류간섭에 대한 유동해석을 통해 최적배치설계가 실시되어야 한다. 본 논문에서는 플랫폼 배치조건($0^{\circ}$, $22.5^{\circ}$, $45^{\circ}$) 변화에 따른 개별 풍력터빈의 출력특성 및 연간에너지생산량을 확인하기 위해 풍속변화(8m/s, 11.7m/s, 19m/s 25m/s)에 대한 비정상상태 CFD 해석을 실시하였다. 레일리분포를 적용한 연간에너지생산량 계산결과는 각 배치조건에 따라 다르게 나타났으며, 해석결과에 근거하여 후류손실이 최소화 될 수 있는 최적 배치설계를 제안하였다.
대형 부유식 파력-해상풍력 복합발전시스템은 정 사각형(폭 150m) 부유식 플랫폼 컬럼 상부에 4기의 3MW 풍력터빈이 설치된다. 전방 풍력터빈으로부터 발생되는 후류는 터빈배치에 따라 후방 풍력터빈의 출력성능과 하중특성에 불리한 영향을 미치므로 후류간섭에 대한 유동해석을 통해 최적배치설계가 실시되어야 한다. 본 논문에서는 플랫폼 배치조건($0^{\circ}$, $22.5^{\circ}$, $45^{\circ}$) 변화에 따른 개별 풍력터빈의 출력특성 및 연간에너지생산량을 확인하기 위해 풍속변화(8m/s, 11.7m/s, 19m/s 25m/s)에 대한 비정상상태 CFD 해석을 실시하였다. 레일리분포를 적용한 연간에너지생산량 계산결과는 각 배치조건에 따라 다르게 나타났으며, 해석결과에 근거하여 후류손실이 최소화 될 수 있는 최적 배치설계를 제안하였다.
A large floating offshore wind-wave hybrid power generation system with an area of 150 m2 and four 3 MW class wind turbine generators was installed at each column top. In accordance with the wind turbine arrangement, the wake generated from upstream turbines can adversely affect the power performanc...
A large floating offshore wind-wave hybrid power generation system with an area of 150 m2 and four 3 MW class wind turbine generators was installed at each column top. In accordance with the wind turbine arrangement, the wake generated from upstream turbines can adversely affect the power performance and load characteristics of downstream turbines. Therefore, an optimal arrangement design, obtained through a detailed flow analysis focusing on wake interference, is necessary. In this study, to determine the power characteristics and annual energy production (AEP) of individual wind turbines, transient computational fluid dynamics, considering wind velocity variation (8 m/s, 11.7 m/s, 19 m/s, and 25 m/s), was conducted under different platform conditions ($0^{\circ}$, $22.5^{\circ}$, and $45^{\circ}$). The AEP was calculated using a Rayleigh distribution, depending on the wind turbine arrangement. In addition, we suggested an optimal arrangement design to minimize wake losses, based on the AEP.
A large floating offshore wind-wave hybrid power generation system with an area of 150 m2 and four 3 MW class wind turbine generators was installed at each column top. In accordance with the wind turbine arrangement, the wake generated from upstream turbines can adversely affect the power performance and load characteristics of downstream turbines. Therefore, an optimal arrangement design, obtained through a detailed flow analysis focusing on wake interference, is necessary. In this study, to determine the power characteristics and annual energy production (AEP) of individual wind turbines, transient computational fluid dynamics, considering wind velocity variation (8 m/s, 11.7 m/s, 19 m/s, and 25 m/s), was conducted under different platform conditions ($0^{\circ}$, $22.5^{\circ}$, and $45^{\circ}$). The AEP was calculated using a Rayleigh distribution, depending on the wind turbine arrangement. In addition, we suggested an optimal arrangement design to minimize wake losses, based on the AEP.
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문제 정의
본 연구는 비정상 CFD 해석을 통해 다수 풍력터빈들의 배치조건변화에 따른 출력 및 연간발전량 분석을 수행하였고 주 풍향에 대한 최적 플랫폼 배치각도를 제안하였다.
본 연구에서는 KRISO에서 설계된 부유식 복합발전단지 플랫폼 최적배치를 위해 총 4기의 풍력터빈 로터형상을 모델링하여 비정상 CFD 해석을 수행하였고, 근접후류영향을 받는 풍력터빈들의 연간에너지발전량감소율을 분석・제시하였다. 또한 상업풍력단지에서 측정된 데이터와의 비교를 통해 CFD 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하였다.
가설 설정
P(V)와 f(v)는 각각 비정상 CFD 해석결과의 평균출력과 레일리확률밀도함수를 이용하여 산정하였으며, 공기밀도는 1.225kg/m³, 가동율(availability)은 100%로 가정하였다.
각각의 풍력터빈 배치조건에 대한 AEP 계산을 위해 식 (1)의 레일리분포(Rayleigh distribution)를 확률밀도함수로 사용하였다. 레일리확률밀도함수는 척도계수(k)를 2로 가정한 후, 평균풍속만을 이용하여 풍속의 발생빈도를 추정한다. 여기서 f는 풍속(v)의 발생빈도 \(\bar{v}\)는 평균풍속을 의미 한다[13].
제안 방법
로터도메인의 회전경계조건으로써 MRF(Moving Reference Frame)와 SMM(Sliding Moving Mesh)기법을 적용하였다. SMM 기법을 이용할 경우 정확한 후류유동해석이 가능하지만, 오랜 수렴시간이 필요하기 때문에 MRF 기법을 적용한 정상상태 유동해석을 통해 충분히 안정화된 유동장 정보를 초기조건으로 사용하였다[11]. 비정상상태 유동해석은 총 115s 동안 진행되었으며, 최종 시간간격은 0.
격자생성과정에서 모든 벽면으로부터 첫 번째 격자점을 점성저층영역에 위치시켰으며(y+<1) 경계층영역의 충분한 공간해상도 확보를 위해 약 10개의 프리즘격자를 배치하였다.
다수 풍력터빈조건에서의 유동해석에 필요한 후방터빈의 운전조건을 결정하기 위해 단일 풍력터빈 유동해석을 선행하였다. 유동해석 결과로부터 조건 별(Case-A, B, C) 후류거리 및 로터가 차지하는 면적에 대한 평균풍속을 구하였으며, Figure 4의 운전정보를 이용하여 로터회전속도와 피치각도를 계산하였다.
Figure 3에서 후방에 위치한 풍력터빈의 로터회전속도와 피치각도는 후류영향으로 인해 감소된 유입풍속의 영향으로 Table 1에 나타낸 값과 다르게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 더욱 현실적인 외부환경조건의 적용을 위해 단일 풍력터빈을 이용한 CFD 해석을 수행하였으며, Figure 3에 초록색으로 표현된 WT3 또는 WT4의 로터회전면 좌표 지점에서의 평균 풍속 값을 획득하였다. 이상과 같은 단일 풍력터빈 해석결과를 이용하여 Figure 4로부터 후방 풍력 터빈들의 로터회전속도와 피치각도 값을 얻었으며, Case-A(WT3, WT4), Case-B(WT3, WT4), Case-C(WT3)에 적용하여 다수풍력터빈 배치에 따른 비정상 상태 CFD 해석을 수행하였다.
로터면적의 약 50%가 전방터빈의 후류영향을 받는 Case B-2 WT3, WT4 출력손실율이 전방풍력터빈 대비 최대 16.4 %로 낮은 변화율을 보임에 따라, 유사조건에서의 실측데이터와의 비교를 통해 해석결과의 타당성을 확인하고자 한다. Jeon et al.
따라서 본 연구에서는 더욱 현실적인 외부환경조건의 적용을 위해 단일 풍력터빈을 이용한 CFD 해석을 수행하였으며, Figure 3에 초록색으로 표현된 WT3 또는 WT4의 로터회전면 좌표 지점에서의 평균 풍속 값을 획득하였다. 이상과 같은 단일 풍력터빈 해석결과를 이용하여 Figure 4로부터 후방 풍력 터빈들의 로터회전속도와 피치각도 값을 얻었으며, Case-A(WT3, WT4), Case-B(WT3, WT4), Case-C(WT3)에 적용하여 다수풍력터빈 배치에 따른 비정상 상태 CFD 해석을 수행하였다.
단일 및 다수 풍력터빈의 해석도메인은 로터중심으로부터 입구경계면까지 로터직경의 5배, 출구경계면까지 10배, 반경방향으로 14배의 거리를 확보하였으며, Figure 6에 나타내었다. 입구경계조건으로써 10%의 난류강도를 갖는 균일한 유입풍속을 적용하였고, 출구경계조건은 대기압 출구 조건, 반경방향 경계면에 노슬립(no-slip)조건을 부여하였다. 로터도메인의 회전경계조건으로써 MRF(Moving Reference Frame)와 SMM(Sliding Moving Mesh)기법을 적용하였다.
전술한 바와 같이, 단일터빈 유동해석을 통해 결정된 후방터빈의 풍속 및 운전조건을 적용하여, 다수 풍력터빈이 설치된 플랫폼 배치조건변화(Figure 2)에 따른 유동해석을 수행하였다. WT1은 모든 조건에서 후류영향을 전혀 받지 않기 때문에 이를 기준으로 Table 3에 개별 풍력터빈들(WT2 ~ WT4)의 상대적 출력비 해석결과를 나타내었다.
대상 데이터
단일 및 다수 풍력터빈의 계산격자 생성을 위해 trimmed mesh를 사용하였으며 각각 약 1.9×107 cell과 8.1×107cell의 격자점을 생성하였다.
SMM 기법을 이용할 경우 정확한 후류유동해석이 가능하지만, 오랜 수렴시간이 필요하기 때문에 MRF 기법을 적용한 정상상태 유동해석을 통해 충분히 안정화된 유동장 정보를 초기조건으로 사용하였다[11]. 비정상상태 유동해석은 총 115s 동안 진행되었으며, 최종 시간간격은 0.025s 이다.
데이터처리
단일 풍력터빈 및 다수 풍력터빈에 대한 CFD 해석을 위해 STAR-CCM+ v10.04를 사용하였다. 대다수의 CFD 코드에서 기본 난류모델로 선택하고 있는 standard k - ∊ 모델의 경우, 실속지연, 박리지점 및 와류발생 크기 예측실패 등의 원인으로 특히 실속 후 영역에 대한 공력성능의 예측정확도가 낮으며, 풍력터빈 블레이드에 작용하는 토크 값을 과도하게 예측하는 결과를 보인다는 연구결과가 발표된 바 있다[6]-[9].
5D의 이격 거리를 갖는 풍력터빈 2기(7-8호기)에 대한 출력감소율 비교분석에 관한 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서는 후류영향을 받는 후방터빈의 로터면적변화와 출력성능의 상관관계를 얻기 위해 Figure 9의 운전 조건에서 측정된 장기간 SCADA 데이터 분석을 실시하였다. Figure 9(b)에 나타낸 바와 같이 후방터빈이 전방터빈 후류중심선과 수직 정렬되는 상태를 100% 후류영향을 받는 조건으로 정의하였으며, Figure 9(a), (c)와 같이 r/D = ±1.
다수 풍력터빈조건에서의 유동해석에 필요한 후방터빈의 운전조건을 결정하기 위해 단일 풍력터빈 유동해석을 선행하였다. 유동해석 결과로부터 조건 별(Case-A, B, C) 후류거리 및 로터가 차지하는 면적에 대한 평균풍속을 구하였으며, Figure 4의 운전정보를 이용하여 로터회전속도와 피치각도를 계산하였다. 단일풍력터빈 유동해석을 통해 정의된 후방터빈 운전조건정보(회전속도 및 피치각도)를 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
입구경계조건으로써 10%의 난류강도를 갖는 균일한 유입풍속을 적용하였고, 출구경계조건은 대기압 출구 조건, 반경방향 경계면에 노슬립(no-slip)조건을 부여하였다. 로터도메인의 회전경계조건으로써 MRF(Moving Reference Frame)와 SMM(Sliding Moving Mesh)기법을 적용하였다. SMM 기법을 이용할 경우 정확한 후류유동해석이 가능하지만, 오랜 수렴시간이 필요하기 때문에 MRF 기법을 적용한 정상상태 유동해석을 통해 충분히 안정화된 유동장 정보를 초기조건으로 사용하였다[11].
서 본 연구에서는 특히 유체기계분야에서 강한 역 압력구배에 의한 유동박리의 예측성이 우수한 것으로 잘 알려진 Menter[10]의 SST k - ω 모델을 적용하였다.
유입풍속변화에 따른 3MW 풍력터빈의 로터속도와 블레이드 피치각도 정보는 풍력터빈시스템 공-탄성시뮬레이션 (aero-elastic simulation) 도구인 BLADED를 이용하여 계산 되었다. Figure 4는 BLADED를 이용하여 계산된 3MW급 가변 속도형 풍력터빈의 풍속별 로터속도 및 블레이드 피치 각도 변화를 나타낸다.
성능/효과
3D)를 갖기 때문에 측정데이터에 비해 다소 높은 출력감소율을 보인다. Case B-2 WT4의 출력은 전방터빈 대비 14% 감소되었으며, 유사한 조건의 성산풍력단지에서 측정된 후방터빈 출력감소율은 7% 수준으로 나타났다. 즉, 매우 가까운 이격 거리를 갖는 터빈배치조건에서도 로터의 50% 미만 영역이 후류영향에 노출될 경우에는 후방터빈의 출력감소율이 크지 않음을 확인하였다.
3% 수준의 출력상승효과를 보인다. Case-B의 후방터빈들은 Case-A에 비해 상대적으로 후류영향을 덜 받기 때문에 후방터빈의 출력감소율이 최대 3.3% ~ 45.2% 수준으로 나타났으며, 동일조건에서의 Case-A 플랫폼 배치에 비해 발전량 측면에서 우수한 것으로 판단된다. 다만, 불 균일 풍속 조건에 노출된 로터에 작용하는 부가적 주기하중의 영향으로 피로수명 감소에 대한 우려가 있다.
RMS 잔차를 기준으로 10-3 이하의 조건을 1차적인 수렴 판정기준으로 하였고, 목표 유동변수(추력, 토크) 값의 변화를 확인하여 반복계산 과정에서 모니터링 중인 유동변수값의 변화가 없거나 특정 값을 기준으로 주기적인 변화를 보이는 경우에 한해 해가 완전히 수렴되었다고 판단하였다.
풍력터빈 플랫폼 배치조건 별 출력성능 해석결과와 레일리분포를 이용하여 AEP를 계산하였으며 Case-B에서 가장 우수한 성능이 나타났다. 따라서 본 연구에서의 부유식 플랫폼은 북향(N)을 기준으로 22.5º의 각도로 설치되는 것이 AEP 측면에서 가장 적정한 배치안인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 KRISO에서 설계된 부유식 복합발전단지 플랫폼 최적배치를 위해 총 4기의 풍력터빈 로터형상을 모델링하여 비정상 CFD 해석을 수행하였고, 근접후류영향을 받는 풍력터빈들의 연간에너지발전량감소율을 분석・제시하였다. 또한 상업풍력단지에서 측정된 데이터와의 비교를 통해 CFD 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하였다.
정격이전 풍속조건의 경우, 전방터빈의 후류중심선에 위치하는 후방터빈(Case A-WT3, WT4, Case C-WT3)들의 출력이 85% 이상 감소하였고, 약 50%의 전방터빈 후류영향을 받는 후방터빈들(Case B-WT3, WT4)의 출력손실은 약 45% 수준으로 감소하였다. 정격풍속이후에서는 후방터빈 로터면적의 100%가 후류영향을 받는 조건에서 출력손실이 최대 15%로 나타났으나, 50%의 후류영향을 받는 조건에서는 최대 6% 수준의 비교적 낮은 출력손실을 보였다. 즉, 전후방터빈의 간격이 매우 좁은 플랫폼배치조건에서는 후방터빈 로터 50% 이상의 면적이 후류영향에 노출되지 않도록 하여야 한다.
Case B-2 WT4의 출력은 전방터빈 대비 14% 감소되었으며, 유사한 조건의 성산풍력단지에서 측정된 후방터빈 출력감소율은 7% 수준으로 나타났다. 즉, 매우 가까운 이격 거리를 갖는 터빈배치조건에서도 로터의 50% 미만 영역이 후류영향에 노출될 경우에는 후방터빈의 출력감소율이 크지 않음을 확인하였다.
풍력터빈 플랫폼 배치조건 별 출력성능 해석결과와 레일리분포를 이용하여 AEP를 계산하였으며 Case-B에서 가장 우수한 성능이 나타났다. 따라서 본 연구에서의 부유식 플랫폼은 북향(N)을 기준으로 22.
허브 중심단면에서의 속도 장(velocity contour) 분석결과, Case B-2 조건에서 후방터빈(WT4) 로터면적이 후류영역 50%(r/D = ±1.0)에 위치하는 것으로 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력터빈 후류는 어떻게 구분할 수 있는가?
풍력터빈 후류는 거리에 따라 근거리후류(near-wake)와 원거리후류(far-wake)로 구분된다[1]. 근거리후류는 로터 후방으로 약 1.
원거리후류란 무엇인가?
25D 이후라고 제시한바 있다. 일반적으로는 로터후방 2.5D 단면을 기준으로 그 이상의 영역에서 발달하는 후류를 원거리후류라 하며 단면에서의 속도분포는 포물선 형태를 보인다. 육·해상 풍력단지는 제한된 부지면적 내에서 연간발전량 극대화를 위해 다수 풍력터빈의 최적배치설계를 실시하는데, 이때 전・후방터빈들의 상호 후류영향 최소화를 위해 최소 2.
부유식 플랫폼의 최적 플랫폼 배치각도는 얼마인가?
풍력터빈 플랫폼 배치조건 별 출력성능 해석결과와 레일리분포를 이용하여 AEP를 계산하였으며 Case-B에서 가장 우수한 성능이 나타났다. 따라서 본 연구에서의 부유식 플랫폼은 북향(N)을 기준으로 22.5º의 각도로 설치되는 것이 AEP 측면에서 가장 적정한 배치안인 것으로 판단된다.
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