[논문]부유식 가변 피치형 수직축 풍력발전기의 발전효율에 관한 실험 연구

김재희; 조효제; 황재혁; 장민석; 이병성

doi:10.26748/ksoe.2018.6.32.3.202

[국내논문] 부유식 가변 피치형 수직축 풍력발전기의 발전효율에 관한 실험 연구
Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.32 no.3, 2018년, pp.202 - 207

김재희 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 조효제 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 황재혁 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 장민석 (한국해양대학교 해양과학기술전문대학원) , 이병성 (중소조선연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the efficiency of a floating vertical axis wind turbine with variable-pitch. A model was designed to use the lift force and drag force for blades with various pitch angles. The blade's pitch angle is controlled by the stopper. To validate the efficiency of the wind turbine discussed in this paper, a model test was carried out through a single model efficiency experiment and wave tank experiment. The parameters of the single model efficiency experiment were the wind speed, electronic load, and pitch angle. The wave tank experiment was performed using the most efficient pitch angle from the results of the single model efficiency experiment. According to the results of the wave tank experiment, the surge and pitch motion of a structure slightly affect the efficiency of a wind turbine, but the heave motion has a large effect because the heights of the wind turbine and wind generator are almost the same.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가변 피치형 수직축 풍력발전기에 대해 실험을 통하여 단독 발전 효율을 파악하고, 파랑 및 바람 중 부유체 동적거동과 RPM운동응답을 비교하였다. 각각의 실험을 통하여 얻은 결론은 아래와 같다.

제안 방법

본 연구에서는 자체 개발한 가변 피치형 수직축 풍력발전기의 단독 발전효율 성능을 파악하기 위해 풍동실험을 실시하였고, 원형실린더 형태의 부유체와 결합 후 파랑과 바람 중 부유체의 운동에 따른 발전효율 성능을 수조실험을 통해 파악하였다. 단독 발전효율 실험에선 블레이드의 피치 가변 범위에 따른 분당회전수(Revolutions per minute, RPM)와 기계적 출력(Power) 을 비교⋅분석하였다.
단독 발전효율 실험에선 블레이드의 피치 가변 범위에 따른 분당회전수(Revolutions per minute, RPM)와 기계적 출력(Power) 을 비교⋅분석하였다. 부유식 풍력발전 실험에서는 단독효율 실험결과 중 가장 우수한 발전 성능의 피치 가변 범위에 대해 파랑과 바람 중 부유체 운동이 발전효율에 미치는 영향을 비교 ⋅ 분석 하였다.

대상 데이터

096m이다. 블레이드는 알루미늄(Aluminium)재질로 블레이드 상⋅하판은 충격강도가 크고 가벼운 폴리카보네이트(Polycarbonate)재질로 제작하였다. 또한 블 레이드의 피치 가변 범위를 제어하기 위해 블레이드 상판에 고정나사를 삽입한 스토퍼(Stopper)를 설치하였다.
실험 모델의 블레이드 길이는 0.28m, 폭은 0.225m이고 블레이드의 형상은 Fig. 1과 같다. 블레이드 상⋅하판(Top and bottom plates)의 지름은 0.

성능/효과

(1) 단독 발전 효율 실험 결과 모든 피치 가변 범위에서 풍동 시스템의 최저 풍속인 3m/s에서 기동이 일어남을 확인하였고, 피치 가변 범위 -10°~ +105°에서 최고 효율을 나타내었다.
(2) 부유식 풍력발전 실험결과 Surge와 Pitch 운동이 가장 큰 3.0sec의 규칙파에 대한 RPM응답은, 파가 없는 경우의 RPM 응답과 큰 차이를 보이지 않았다.
(3) 반면, Heave운동이 가장 큰 2.4sec의 규칙파에 대한 RPM 응답은 모든 실험 case 중 가장 낮게 나타났다. 이는 부유체 Heave운동으로 인해 풍력발전기의 유효 바람 면적을 벗어났기 때문으로 보여진다.

후속연구

추후 풍력발전기 블레이드 형상 및 크기에 따른 발전효율에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전의 원리는?	풍력발전의 원리는 바람이 갖는 운동에너지(Wind kinetic energy) 를 터빈을 통해 기계적 에너지로 변환시키고, 변환된 기계적 에너지를 다시 전기에너지로 변환시키는 것이다. 일반적으로 풍력발전기는 기동풍속(Cut-in wind speed)과 정격풍속(Rated wind speed) 사이에서 풍속의 세제곱과 터빈의 면적에 비례하는 에너지를 생성하고, 정지풍속(Cut-out wind speed)까지 일정한 출력이 유지되다가 그 이상이 되면 시스템의 안전을 위하여 멈추도록 설계된다.
	자체 개발한 가변 피치형 수직축 풍력발전기의 설계 방향은?	일반적으로 항력을 이용하는 수직축 풍력발전기는 토크가 큰 반면 발전 효율이 매우 낮고 양력을 이용하는 수직축 풍력발전기는 높은 풍속에서는 발전 효율이 좋으나 낮은 풍속에서는 기동이 어렵고 효율이 매우 낮은 단점이 있다. 본 연구에서 사용 한 가변 피치형 수직축 풍력발전기는 블레이드에 대한 바람의 방향과 로터의 회전에 따른 원심력에 의하여 블레이드의 피치 각이 시시각각 자율적으로 조정됨에 따라, 양력과 항력 모두를 회전력으로 전환시켜 발전효율이 증가하도록 설계하였다.
	수직축 풍력발전기의 장점은?	수평축 풍력발 전기는 수직축 풍력발전기에 비해 풍속 대비 효율은 높으나, 바람의 방향과 각도에 따라 그 효율이 크게 좌우되어 요 시스템 (Yaw system) 혹은 꼬리날개가 필요하기 때문에 구조적으로 복 잡해지는 단점이 있다. 수직축 풍력발전기는 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요 시스템이 필요하지 않고 비교적 낮은 풍속의 바람과 풍향에 관계없이 발전이 가능하다는 장점이 있다. 특 히 우리나라와 같이 기후변화가 심하고 계절풍의 영향을 받는 지역은 수직축 풍력발전기가 수평축 풍력발전기에 비해 더 유용하다(Sim, 2013).

참고문헌 (7)

Hwang, B.S., 2014. Introduction to Wind Energy and Technology. A-JIN, Korea.
Kim, M.S., Lee, M.S., Kim, M.W., Shin, H.G., 2011. Motion Analysis of 5MW Spar Type Floating Offshore Wind Turbine. The Proceedings of the Society of Naval Architects of Korea, 804-808.
Lee, K.J., 2014. A Study on Characteristics of Electrical and Mechanical Properties for Small-Scaled Wind Turbines (M.S. Thesis). Changwon National University, Korea.
Martin, H.R., 2011. Development of a Scale Model Wind Turbine for Testing of Offshore Floating Wind Turbine Systems. Electronic Theses and Dissertations, The Graduate School of the University of Maine, 1578.
Oh, M.W., Kim, D.H., 2012. Design and Computational Analysis of Small Vertical-Axis Wind Turbine for Ocean Buoy System. Journal of the Wind Engineering Institute of Korea, 16(2), 58-64.
Sheldahl, R.E., Klimas, P.C., 1981. Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetrical Airfoil Sections Through Aairfoil Sections Through 180-Degree Angle of Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines. Sandia National Laboratories Energy Report, SAND-80-2114.
Sim, J.P., 2013. Experimental and CFD Analysis of V-Shape Vetrical Axis Wind Turbine (M.Sc. thesis). Gyeongsang National University, Korea.

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