본 논문은 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도를 변화 주어서 ANSYS 유동해석시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 찾고자 하였다. $45^{\circ}$로 주 블레이드 각도를 변경한 Shape 4는 주 블레이드 각도를 $0^{\circ}$로 한 Shape들 보다 효율은 110% ~ 250% 증가하고, 출력은 157.2% ~ 263.2% 증가했다. 그리고 주 블레이드의 Fin 크기를 2배 크게 변경한 Shape 5의 출력은 Shape 4에 비해 27.5%, Shape 1에 비해 70.8% 증가하였다. Case 구조에서 주 블레이드 형상이 Shape 1로서 동일한 경우에는 Case 1은 Case 2보다 효율은 15.4%, 출력은 13.3% 증가하였다. 그리고 $45^{\circ}$로 보조 블레이드 각도를 한 경우, 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 우수하였다. Case 4는 Case 1보다 47%, Case 3보다 13.6% 출력이 증가하였고, 효율은 Case 1보다 46.7%, Case 3보다 15.8% 증가하였다.
본 논문은 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도를 변화 주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 찾고자 하였다. $45^{\circ}$로 주 블레이드 각도를 변경한 Shape 4는 주 블레이드 각도를 $0^{\circ}$로 한 Shape들 보다 효율은 110% ~ 250% 증가하고, 출력은 157.2% ~ 263.2% 증가했다. 그리고 주 블레이드의 Fin 크기를 2배 크게 변경한 Shape 5의 출력은 Shape 4에 비해 27.5%, Shape 1에 비해 70.8% 증가하였다. Case 구조에서 주 블레이드 형상이 Shape 1로서 동일한 경우에는 Case 1은 Case 2보다 효율은 15.4%, 출력은 13.3% 증가하였다. 그리고 $45^{\circ}$로 보조 블레이드 각도를 한 경우, 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 우수하였다. Case 4는 Case 1보다 47%, Case 3보다 13.6% 출력이 증가하였고, 효율은 Case 1보다 46.7%, Case 3보다 15.8% 증가하였다.
This paper showed the difference in the optimum conditions by using the ANSYS CFX simulation program with the changes of the main-blade angle and sub-blade angle. Main-blade Shape 4,which had angle $45^{\circ}$ while other Shapes with angle $0^{\circ}$, was increased to 157.2[%...
This paper showed the difference in the optimum conditions by using the ANSYS CFX simulation program with the changes of the main-blade angle and sub-blade angle. Main-blade Shape 4,which had angle $45^{\circ}$ while other Shapes with angle $0^{\circ}$, was increased to 157.2[%] to 263.2[%] in the power and was increased to 110[%] to 250[%] in the power coefficient. Moreover, when the Shape 5 Fin length of main-blade doubled, the power was 70.8[%] when compared with Shape 1 and 27.5[%] with shape 4.If the main-blade geometry equals shape 1 in the case structure, The power of Case1 was increased to 13.3[%] when compared with Case2. Also, the power coefficient was increased to 15.4[%]. When sub-blade angle was $45^{\circ}$, main-blade was better than the Fin type than the Bended type. The power of Case4 was increased to 47[%] when compared with Csae1 and increased to 13.6[%] with Case 3. Also, the power coefficient was 46.7[%] when compared with Case 1 and 15.8[%] with Case 3.
This paper showed the difference in the optimum conditions by using the ANSYS CFX simulation program with the changes of the main-blade angle and sub-blade angle. Main-blade Shape 4,which had angle $45^{\circ}$ while other Shapes with angle $0^{\circ}$, was increased to 157.2[%] to 263.2[%] in the power and was increased to 110[%] to 250[%] in the power coefficient. Moreover, when the Shape 5 Fin length of main-blade doubled, the power was 70.8[%] when compared with Shape 1 and 27.5[%] with shape 4.If the main-blade geometry equals shape 1 in the case structure, The power of Case1 was increased to 13.3[%] when compared with Case2. Also, the power coefficient was increased to 15.4[%]. When sub-blade angle was $45^{\circ}$, main-blade was better than the Fin type than the Bended type. The power of Case4 was increased to 47[%] when compared with Csae1 and increased to 13.6[%] with Case 3. Also, the power coefficient was 46.7[%] when compared with Case 1 and 15.8[%] with Case 3.
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문제 정의
본 논문은 수직축 풍력터빈에 대해 기초 연구하였으며 즉 주 블레이드 각도와 Fin 길이를 변화 주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 찾고자 하였다.
또한 수직축 풍력터빈의 경우 낮은 회전속도에서도 정격출력으로 발전하기 때문에 미풍에서도 풍력발전이 가능하며 소음 역시 더 적다는 장점이 있다[3]. 현재까지 수직축 풍력터빈의 출력상승을 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며 아크형 날개를 이용한 항력식 수직축 소형 풍력터빈 발전 형상 변화 및 피치각 변화에 따른 유동해석을 통해 최적 설계에 대한 방향을 제시했다[4,5] 본 논문에서는 주 블레이드 각도와 핀 길이 및 보조 블레이드각도를 변화주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 제시하고자 한다.
제안 방법
위 결과를 바탕으로 풍속 및 보조 블레이트 각도를 변화시켜서 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션의 설계 적용값에 대한 내용은 표 4에 나타내었다.
터빈 직경(D)은 7[m]이고 Open angle은 90°이며 핀 크기는 0.2[m]로 설계하였다.
2[m]로 설계하였다. 표 1에 나타낸 것과 같이 주, 보조 블레이드의 설계값을 토대로 시뮬레이션을 하였다.
성능/효과
1. 주 블레이드 각도가 45°인 Shape 4는 주 블레이드 각도를 0°로 한 Shape들 보다 효율은 110% ~ 250%, 출력은 157.2% ~ 263.2%로 증가했다.
2. 주 블레이드 Open angle를 90°, 주 블레이드 각도와 보조 블레이드 각도를 각각 45°로 한 경우, Shape 4는 2.47[kW]로 출력이 가장 높았다.
3. Case 구조에서 주 블레이드 형상이 Shape 1과 동일한 경우에는 보조 블레이드 각도 45°일 때가 60°보다 출력 및 효율에서 더 우수하였다.
4. Case 구조에서 보조 블레이드 각도를 45°로 하였을때 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 성능이 우수하였다.
5. Case 4는 효율이 Case 1보다 46.7%, Case 3보다 15.8% 증가하였고, 출력은 Case 1보다 47%, Case 3보다 13.6%로 증가하였다.
그리고 입구 측과 출구 측 주 블레이드에서 난기류가 발생되어 공기역학적 손실이 발생된 것이다고 할 수 있다. Case 3과 Case 4는 유동해석 패턴이 아주 유사한 것으로 관찰되었고 회절 없이 회전자를 부드럽게 안정적으로 통과되고 입구 측 및 출구 측 주 블레이드에서 손실은 있지만 양호한 유동 패턴으로 나타났다. 그러나 Case 4는 공기역학적 손실이 적고 안정적으로 출구 측 주 블레이드와 보조 블레이드를 통과한 것을 알 수 있었다.
결론적으로 주 블레이드 형상이 기본형상의 각도 0° 보다는 각도 45°로 변경한 핀 형태 블레이드에서 효율과 출력이 더 상승했다.
Shape 1, Shape 2, Shape 3, Shape 5는 입구 측 주 블레이드 후단부에서 공기 방향이 위로 진행하였으나, Shape 4의 경우는 주 블레이드 후단부에서 공기 방향이 아래로 진행하는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 토크값이 가장 높은 것은 Shape 5 이며 가장 낮은 것은 Shape 4 이다. 즉 Shape 4는 블레이드에 힘이 전달하고 통과되는 것을 알 수 있으나, Shape 5는 블레이드에 힘이 전달하는 것을 확인 할 수 있다.
이때, 최저값은 0이며, 속도값에 대하여는 음의 값이 존재하지 않는다. 결론적으로, 높은 속도는 높은 에너지를 전달하므로 주 블레이드와 보조 블레이드에 풍속이 증가되면 높은 에너지를 전달할 수 있다. 그림 3에서 속도변화가 유사하여 차이를 구별하기가 쉽지 않다.
그리고 보조 블레이드 각도를 45°로 변경하였을 때, 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 우수하였다.
2% 증가되었다. 그리고 주 블레이드 핀 크기를 기본 길이보다 2배 크게 변경하여도 출력은 Shape 1의 70.8%이고 Shape 4의 27.5%이며, 효율은 Shape 1의 60%, Shape 4의 28.6%로 출력 및 효율이 감소되었다.
2%로 증가했다. 그리고 주 블레이드의 핀 크기를 기본길이 보다 2배 크게 변경하여도 효율은 Shape 1보다 60%, Shape 4보다 28.6%로 감소되었고 출력은 Shape 1보다 70.8%, Shape 4보다 27.5% 감소되었다.
그리고 보조 블레이드 각도를 45°로 변경하였을 때, 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 우수하였다. 즉 Case 4는 Case 1보다 47%, Case 3보다 13.6%로 출력이 증가되었고, 효율은 Case 1보다 46.7%, Case 3보다 15.8% 증가되었다.
즉 주 블레이드 각도를 45°로 변경된 Shape 4는 주 블레이드 각도를 0°로 한 Shape들 보다 효율은 110% ~ 250%, 출력은 157.2% ~ 263.2% 증가되었다.
후속연구
본 논문에서 제시한 최종 설계 사양의 시뮬레이션 시험 결과를 풍력발전시스템을 개발하는데 기초 연구로써 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
본 논문에서 주 블레이드 형상이 핀 형태보다 벤디드 형태가 우수하다는 것을 알 수 있었는데 시뮬레이션에서는 벤디드 형태를 다양한 형태로 설계할 수 있으나 실제 현장에서는 제작하는 것은 쉽지 않고 경제성이 떨어지므로 이를 대체할 수 있는 방안이 필요하다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수직축 풍력터빈이 미풍에서도 풍력발전이 가능하며 소음이 더 적은 이유는 무엇인가?
수직축 풍력터빈은 바람의 방향과 무관하게 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]. 현재까지 수직축 풍력터빈의 출력상승을 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며 아크형 날개를 이용한 항력식 수직축 소형 풍력터빈 발전 형상 변화 및 피치각 변화에 따른 유동해석을 통해 최적 설계에 대한 방향을 제시했다[4,5] 본 논문에서는 주 블레이드 각도와 핀 길이 및 보조 블레이드각도를 변화주어서 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 최적의 조건을 제시하고자 한다.
풍력 발전기의 역할은 무엇인가?
또한, 풍력에너지는 유해물질이 발생되지 않으므로 대체에너지원으로 주목받는 에너지 중의 하나이다. 풍력 발전기는 공기의 운동에너지를 이용하여 회전자를 회전시켜 회전운동에너지로 변환시키는 역할을 하는 것이다. 회전자 축의 방향에 따라 수직축 터빈(Vertical Axis Wind Turbine : VAWT) 방식과 수평축 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine : HAWT) 방식으로 나눌 수 있다[1,2].
풍력 발전기는 회전자 축의 방향에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?
풍력 발전기는 공기의 운동에너지를 이용하여 회전자를 회전시켜 회전운동에너지로 변환시키는 역할을 하는 것이다. 회전자 축의 방향에 따라 수직축 터빈(Vertical Axis Wind Turbine : VAWT) 방식과 수평축 터빈(Horizontal Axis Wind Turbine : HAWT) 방식으로 나눌 수 있다[1,2].
참고문헌 (7)
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
Park,C.,Park,G,S.,W.G.,S.H.,"Numerical Analysis of Wind Turbine of Drag Force Type with chang of Blade Number and Pitch Angle"Journal of the Koera Society of Computational Fluids Engineering Vol.10, pp. 61-64, 2004
Ryu I.H,Kim J.H,Kim B.G., LeeK. S., Yang. C.J,"A Study on Vertical Axis Wind Turbine Performance in Different Blade Shapes, Korean Society for Fluid Mchinery, summer symposium, pp.29-33, 2016
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
Magdi Ragheb and Adam M. Ragheb, "Wind Turbines Theory The Betz Equation and Optimal Rotor Tip Speed Ratio", Fundamental and Advanced Topics in Wind Power, pp.27-33, 20, June, 2011.
Ministry of Trade, Industry and Energy, "Development and Implementation of Optimal Design System for Electric Machines and Power Apparatus. (400kVA power transformer, 500kW wind generator, 5MW PM type electric machine)", Dong-A University, Korea Electrical Engineering & Science Research Institute, R-2007-2-060, pp.75-82, 3,2010
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