본 연구에서는 부유식 플랫폼의 6자유도 방향으로의 주기 운동이 로터 공력 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 부유식 해상 풍력터빈에 대한 공력 해석이 수행되었다. 수치 해석을 위해 블레이드 요소 운동량 방법을 이용하였으며, 유동 박리와 후류 영향에 의한 비정상 공력 효과를 포착하기 위해 인디셜 응답 방법에 기반한 동적 실속 모델을 이용하였다. 로터에 의해 유도되는 내리 흐름은 운동량 이론과 난류 후류 상태에 대한 경험적 모델을 연계하여 계산하였다. heave, sway, surge 방향으로의 병진 운동과 roll, pitch, yaw 방향으로의 회전 운동을 포함한 플랫폼 주기 운동을 고려하였으며, 각각의 모션은 사인함수 형태로 적용되었다. 수치해석을 위한 대상 풍력터빈으로는 NREL 5MW 풍력터빈이 사용되었다. 해석 결과로부터 세 방향 병진 운동 모드 중, surge 운동 시 로터 공력 변화가 상대적으로 크게 나타났으며, 회전 운동 모드의 경우, pitch 운동에 의해 로터 공력이 크게 변화됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 부유식 플랫폼의 6자유도 방향으로의 주기 운동이 로터 공력 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 부유식 해상 풍력터빈에 대한 공력 해석이 수행되었다. 수치 해석을 위해 블레이드 요소 운동량 방법을 이용하였으며, 유동 박리와 후류 영향에 의한 비정상 공력 효과를 포착하기 위해 인디셜 응답 방법에 기반한 동적 실속 모델을 이용하였다. 로터에 의해 유도되는 내리 흐름은 운동량 이론과 난류 후류 상태에 대한 경험적 모델을 연계하여 계산하였다. heave, sway, surge 방향으로의 병진 운동과 roll, pitch, yaw 방향으로의 회전 운동을 포함한 플랫폼 주기 운동을 고려하였으며, 각각의 모션은 사인함수 형태로 적용되었다. 수치해석을 위한 대상 풍력터빈으로는 NREL 5MW 풍력터빈이 사용되었다. 해석 결과로부터 세 방향 병진 운동 모드 중, surge 운동 시 로터 공력 변화가 상대적으로 크게 나타났으며, 회전 운동 모드의 경우, pitch 운동에 의해 로터 공력이 크게 변화됨을 확인할 수 있었다.
In the present study, aerodynamic load analysis for a floating off-shore wind turbine was conducted to examine the effect of periodic platform motion in the direction of 6-DOF on rotor aerodynamic performance. Blade-element momentum method(BEM) was used for a numerical simulation, the unsteady airlo...
In the present study, aerodynamic load analysis for a floating off-shore wind turbine was conducted to examine the effect of periodic platform motion in the direction of 6-DOF on rotor aerodynamic performance. Blade-element momentum method(BEM) was used for a numerical simulation, the unsteady airload effects due to the flow separation and the shed wake were considered by adopting a dynamic stall model based on the indicial response method. Rotor induced downwash was estimated using the momentum theory, coupled with empirical corrections for the turbulent wake states. The periodic platform motions including the translational motion in the heave, sway and surge directions and the rotational motion in the roll, pitch and yaw directions were considered, and each platform motion was applied as a sinusoidal function. For the numerical simulation, NREL 5MW reference wind turbine was used as the target wind turbine. The results showed that among the translation modes, the surge motion has the largest influence on changing the rotor airloads, while the effect of pitch motion is predominant for the rotations.
In the present study, aerodynamic load analysis for a floating off-shore wind turbine was conducted to examine the effect of periodic platform motion in the direction of 6-DOF on rotor aerodynamic performance. Blade-element momentum method(BEM) was used for a numerical simulation, the unsteady airload effects due to the flow separation and the shed wake were considered by adopting a dynamic stall model based on the indicial response method. Rotor induced downwash was estimated using the momentum theory, coupled with empirical corrections for the turbulent wake states. The periodic platform motions including the translational motion in the heave, sway and surge directions and the rotational motion in the roll, pitch and yaw directions were considered, and each platform motion was applied as a sinusoidal function. For the numerical simulation, NREL 5MW reference wind turbine was used as the target wind turbine. The results showed that among the translation modes, the surge motion has the largest influence on changing the rotor airloads, while the effect of pitch motion is predominant for the rotations.
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문제 정의
de Vaal et al. [1]은 부유식 풍럭터빈의 Surge 운동이 로터에서 발생하는 공력과 유도속도에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 블레이드 요소 모멘텀 방법을 이용한 해석 결과와 Moving actuator disk model를 이용한 해석 결과를 비교하여 부유식 풍력터빈에 대한 BEM 해석 방법의 타당성을 입증하였다.
본 연구에서는 부유식 해상 풍력터빈의 하부플랫폼이 6자유도 운동을 동반할 때 로터에 의해 발생되는 비정상 공력을 블레이드 요소 모멘텀방법을 이용하여 예측하였다. 수치적 한계를 극복하기 위해 인디셜 응답 방법 및 동적 실속 모델을 포함한 다양한 보정 방법이 적용되었다.
본 연구에서는 풍력터빈을 지탱하는 부유식 플랫폼이 6자유도 방향으로의 주기 운동을 동반할 때 로터에 의해 발생되는 비정상 공력 예측하였다. 수치해석을 위하여 시간 효율이 높은 블레이드 요소 모멘텀 방법을 이용하였다.
가설 설정
정격풍속 조건(V∞=11.2m/s, Ω=1.2671rad/s)에서 모든 수치 해석이 수행되었으며, 로터 회전 속도는 풍력터빈 블레이드의 상대속도와 무관하게 일정하다고 가정하였다.
제안 방법
수치해석을 위하여 시간 효율이 높은 블레이드 요소 모멘텀 방법을 이용하였다. NREL 5MW 풍력터빈[3]을 대상으로 공력 해석이 수행되었으며, 플랫폼의 heave, sway, surge, roll, pitch, yaw 방향으로의 주기 운동에 대한 비정상 로터 공력 특성을 파악하였다.
로터에 의해 유도되는 내리 흐름은 모멘텀 이론을 이용하여 계산되었으며, 블레이드 속도 성분(Vblade)과 내리흐름 속도(Vind), 자유류 속도(V∞)를 이용하여 블레이드 각 섹션에 작용하는 상대속도 성분(UT, TP)과 받음각을 도출하였다. 도출된 상대 속도 성분과 받음각 정보를 2차원 정적에어포일 데이터에 적용하여 최종적으로 로터에서 발생하는 유체력을 계산하였다. 사용된 정적에어포일 데이터는 참고문헌 [3]에서 제공된 DU 에어포일 시리즈와 NACA 64 에어포일 시리즈를 포함한 총 8개 에어포일의 양항력 및 모멘트계수를 이용하였다.
로터에 의해 유도되는 내리 흐름은 모멘텀 이론을 이용하여 계산되었으며, 블레이드 속도 성분(Vblade)과 내리흐름 속도(Vind), 자유류 속도(V∞)를 이용하여 블레이드 각 섹션에 작용하는 상대속도 성분(UT, TP)과 받음각을 도출하였다.
하부 플랫폼이 6 자유도 방향으로 독립적으로 움직일 때 풍력터빈에서 발생하는 공력에 대한 수치 해석을 수행하였다. 병진 운동(heave, sway,surge)과 회전 운동(roll, pitch, yaw) 해석 결과를 상호 비교하여 각각의 움직임이 로터 공력에 미치는 영향을 파악하였다.
블레이드 요소 운동량 방법의 경우, 2차원 정적에어포일 데이터를 이용하여 해를 도출하기 때문에 높은 계산 효율을 갖는 반면 수치적인 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 수치적 한계를 보완하기 위해 다양한 보정 방법을 적용하였다. 블레이드 끝단에서 발생하는 shed vortex에 의해 손실되는 공력을 모델링하기 위해 tip-loss model이 적용되었으며 압축성 효과에 의한 영향을 고려하기 위해 Prandtl-Glauert correction factor가 적용되었다[4].
457rad/s이다. 플랫폼 운동에 따른 공력 특성을 명확히 도출하기 위해 진폭은 임의로 크게 설정되었으며, 풍력터빈이 타워 아랫면의 중앙을 기점으로 병진 및 회전운동 하도록 적용되었다.
하부 플랫폼이 6 자유도 방향으로 독립적으로 움직일 때 풍력터빈에서 발생하는 공력에 대한 수치 해석을 수행하였다. 병진 운동(heave, sway,surge)과 회전 운동(roll, pitch, yaw) 해석 결과를 상호 비교하여 각각의 움직임이 로터 공력에 미치는 영향을 파악하였다.
대상 데이터
도출된 상대 속도 성분과 받음각 정보를 2차원 정적에어포일 데이터에 적용하여 최종적으로 로터에서 발생하는 유체력을 계산하였다. 사용된 정적에어포일 데이터는 참고문헌 [3]에서 제공된 DU 에어포일 시리즈와 NACA 64 에어포일 시리즈를 포함한 총 8개 에어포일의 양항력 및 모멘트계수를 이용하였다. 참고문헌 [3]에 따르면 각각의 에어포일 정보는 –10°～20°의 받음각 구간에서 풍동실험을 통한 실험 데이터를 기반으로 하며 이는 ECN(Energy research Center of The Netherlands)에서 개발된 StC 코드를 이용하여–180°～180° 구간으로 확장되었다.
수치 해석을 위해 NREL 5MW 풍력터빈 형상을 이용하였으며, 해당 풍력터빈의 자세한 사양을 Table 1에 나타내었다. 정격풍속 조건(V∞=11.
데이터처리
Thanh-Toan Tran et al. [2]은 UBEM(Unsteady Blade Element Momentum)과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 코드를 이용하여 부유식풍럭터빈이 Pitch 운동을 동반할 때 로터에서 발생하는 공력을 도출하였으며, 각각의 결과를 상호 비교하였다. CFD 해석 결과와 블레이드 요소 모멘텀 해석 결과가 비교적 일치하였지만 플랫폼 운동이 커질 경우 CFD 해석 결과가 후류 및 BVI(Blade Vortex Interaction)에 의한 효과를 더 정확히 포착할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 개발된 해석자를 검증하기 위해 타 연구자 결과와의 상호 비교를 통한 검증을 수행하였다. 하부 플랫폼이 surge 운동을 할 때의 로터 추력 계수를 도출하였으며 이 결과를 타 연구자에 의해 수행된 BEM 및 Moving actuator disk model 해석 결과와 비교하였다[1].
본 연구에서 개발된 해석자를 검증하기 위해 타 연구자 결과와의 상호 비교를 통한 검증을 수행하였다. 하부 플랫폼이 surge 운동을 할 때의 로터 추력 계수를 도출하였으며 이 결과를 타 연구자에 의해 수행된 BEM 및 Moving actuator disk model 해석 결과와 비교하였다[1]. Moving actuator disk model은 비점성, 비압축성, 축대칭유동을 기반으로 하며 Table look-up을 이용하여 계산된 체적력(Body force)이 포함된 비압축성 Navier-Stoke 방정식을 이용하여 유동장을 계산한다.
이론/모형
하부 플랫폼이 surge 운동을 할 때의 로터 추력 계수를 도출하였으며 이 결과를 타 연구자에 의해 수행된 BEM 및 Moving actuator disk model 해석 결과와 비교하였다[1]. Moving actuator disk model은 비점성, 비압축성, 축대칭유동을 기반으로 하며 Table look-up을 이용하여 계산된 체적력(Body force)이 포함된 비압축성 Navier-Stoke 방정식을 이용하여 유동장을 계산한다. Table look-up에 의존하는 블레이드 요소 운동량 이론에 비해 물리적으로 더 타당한 해를 얻을 수 있지만 축대칭이 아닌 유동을 해석하기에는 한계가 존재한다.
적절한 인디셜 함수가 정해지면 Duhamel‘s integral을 이용한 인디셜함수의 중첩(Superposition)을 통해 받음각 변화에 따른 비정상 공력이 계산된다. 또한 유동박리에 의한 블레이드 실속 효과를 고려하기 위해 Leishman의 동적 실속모델을 도입하였다[7,8].
본 연구에서는 이러한 수치적 한계를 보완하기 위해 다양한 보정 방법을 적용하였다. 블레이드 끝단에서 발생하는 shed vortex에 의해 손실되는 공력을 모델링하기 위해 tip-loss model이 적용되었으며 압축성 효과에 의한 영향을 고려하기 위해 Prandtl-Glauert correction factor가 적용되었다[4]. 비정상 유동의 경우 시간에 따라 블레이드의 받음각이 변화하며 circulatory load 및 impulsive load에 의해 받음각과 공력 사이에 시간 지연(Time lag)이 발생한다.
본 연구에서는 풍력터빈을 지탱하는 부유식 플랫폼이 6자유도 방향으로의 주기 운동을 동반할 때 로터에 의해 발생되는 비정상 공력 예측하였다. 수치해석을 위하여 시간 효율이 높은 블레이드 요소 모멘텀 방법을 이용하였다. NREL 5MW 풍력터빈[3]을 대상으로 공력 해석이 수행되었으며, 플랫폼의 heave, sway, surge, roll, pitch, yaw 방향으로의 주기 운동에 대한 비정상 로터 공력 특성을 파악하였다.
풍력터빈 로터에서 발생하는 공력을 예측하기 위해 본 연구에서는 풍력터빈 공력 해석에 널리 사용되고 있는 블레이드 요소 운동량 방법을 이용하였으며 Figure 1은 전체적인 해석 과정을 보여준다. 하부 플랫폼이 주기 운동을 동반할 때, 로터블레이드의 속도를 계산하기 위해 로터 회전속도(Ω), 플랫폼 운동 성분(xB, yB, zB, θx, θy, θz), 샤프트 경사 각(αs), 블레이드 코닝 각(βp) 등 Figure 2에 나타난 다양한 풍력터빈 형상 인자들이 고려되었다.
성능/효과
[2]은 UBEM(Unsteady Blade Element Momentum)과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석 코드를 이용하여 부유식풍럭터빈이 Pitch 운동을 동반할 때 로터에서 발생하는 공력을 도출하였으며, 각각의 결과를 상호 비교하였다. CFD 해석 결과와 블레이드 요소 모멘텀 해석 결과가 비교적 일치하였지만 플랫폼 운동이 커질 경우 CFD 해석 결과가 후류 및 BVI(Blade Vortex Interaction)에 의한 효과를 더 정확히 포착할 수 있음을 확인하였다.
공력의 경우 로터 추력을 이용하여 해의 수렴성을 판단하였으며, 계산된 RMS 오차가 수렴 기준인 5× 10-5보다 작은 경우 계산이 종료되었다.
로터에서 발생하는 공력 변화의 영향으로 플랫폼에 가해지는 모멘트 또한 크게 변화하게 되는데, pitch 모멘트의 경우 로터 추력에 가장 지배적으로 영향을 받으며, 로터 토크의 변화는 하부플랫폼의 roll 모멘트에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. yaw 모멘트의 경우 하부 플랫폼의 heave 운동 영향이 가장 지배적임을 확인하였다.
246rad/s일 때의 해석 결과이다. 로터에서 발생하는 추력이 surge 운동에 의해 시간에 따라 변화함을 확인할 수 있으며 진동의 진폭이 타 연구자의 블레이드 요소 운동량 방법 및 Moving actuator disk model 결과와 유사한 것으로 보아 해당 해석자는 타당한 해를 도출하는 것으로 판단된다.
하부 플랫폼 병진 운동 중 surge 운동이 로터 공력 변화에 지배적으로 작용하며, 회전 운동의 경우 pitch 운동이 로터 공력에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 변화된 추력과 토크는 하부 플랫폼의 pitch 모멘트와 roll 모멘트에 각각 지배적으로 영향을 주는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 해상 조건에 따른 풍력 터빈의 동적 거동을 파악하고 인장계류식, 반잠수식, 원통식 등해상 풍력터빈 설치 장소에 적합한 풍력발전의 형태가 선정되어야 한다.
[1]은 부유식 풍럭터빈의 Surge 운동이 로터에서 발생하는 공력과 유도속도에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 블레이드 요소 모멘텀 방법을 이용한 해석 결과와 Moving actuator disk model를 이용한 해석 결과를 비교하여 부유식 풍력터빈에 대한 BEM 해석 방법의 타당성을 입증하였다.
Figure 7은 하부 플랫폼이 회전 운동을 할 때 로터에서 발생하는 공력을 보여준다. 세 가지 회전 운동 중 하부 플랫폼이 y축을 기준으로 회전하는 pitch 운동 시 가장 큰 로터 공력 변화가 관찰되었다. 또한 플랫폼 roll 운동에 의한 로터 공력 변화는 다른 회전 운동 결과에 비해 상대적으로 적은 것을 알 수 있다.
플랫폼 병진운동이 일어나는 동안 로터 공력 성능 및 하부 플랫폼에 가해지는 하중이 크게 변화하는 것을 볼 수 있으며, 변화 주기는 하부 플랫폼 운동 주기와 일치한다. 특히, 세가지 병진운동 중 풍력터빈이 surge 운동할 때 추력과 토크의 변화가 가장 크게 나타남을 확인하였다.
하부 플랫폼 병진 운동 중 surge 운동이 로터 공력 변화에 지배적으로 작용하며, 회전 운동의 경우 pitch 운동이 로터 공력에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 변화된 추력과 토크는 하부 플랫폼의 pitch 모멘트와 roll 모멘트에 각각 지배적으로 영향을 주는 것을 확인하였다.
후속연구
그러나 부유식 해상 풍력터빈은 바닥 고정 형태의 풍력터빈과 비교해 공력, 파랑하중 및 플랫폼의 운동 사이에 상호작용이 상당히 크게 나타난다. 이는 풍력터빈에 구조적 진동을 유발할 수 있으며, 이로 인해 구조물의 안정성 및 로터 공력 성능 저하를 유발할 수 있으므로 이에 대한 심도있는 연구가 필요하다. 이에 따라 최근에는 부유식 풍력터빈에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다.
향후 부유식 풍력터빈의 동적 거동을 정확히 해석하기 위해 본 연구에서 개발된 공력해석자와 하부 플랫폼의 거동을 해석하기 위한 수력 해석자와의 결합에 관한 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력 발전 시스템을 해상에 설치할 경우 생기는 문제는 무엇인가?
또한 해상은 육상에 비해 최적입지조건에 풍력터빈을 설치하기용이하며 소음으로 인한 피해, 전자파 장애 등 민원이 발생할 가능성이 적다는 장점이 있다. 그러나 해상에 큰 규모의 기초대 설치 및 계통 연결에 따른 고가의 건설비가 발생하며, 해수에 의한 염분 부식 발생, 해양 생물에 의한 영향 등 해상 설치에 따른 유지보수의 어려움이 존재한다. 최근 풍력터빈의 대형화 추세에 따라 국내외에서 해상 풍력터빈에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이미 유럽의 다수 국가들은 해상 풍력터빈을 통해 많은 전기를 생산하고 있다.
풍력 발전 시스템을 설치 장소에 따라 분류하시오
풍력 발전 시스템은 설치 장소에 따라 크게 육상 풍력발전과 해상 풍력발전으로 나뉜다. 해상의 경우 바람의 진행방향에 따른 장애물이 없기 때문에 육상에 비해 바람의 질이 균일하며 더 높은 속도의 바람을 얻을 수 있다.
풍력 발전 시스템을 해상에 설치할 경우 장점은 무엇인가?
풍력 발전 시스템은 설치 장소에 따라 크게 육상 풍력발전과 해상 풍력발전으로 나뉜다. 해상의 경우 바람의 진행방향에 따른 장애물이 없기 때문에 육상에 비해 바람의 질이 균일하며 더 높은 속도의 바람을 얻을 수 있다. 또한 해상은 육상에 비해 최적입지조건에 풍력터빈을 설치하기용이하며 소음으로 인한 피해, 전자파 장애 등 민원이 발생할 가능성이 적다는 장점이 있다. 그러나 해상에 큰 규모의 기초대 설치 및 계통 연결에 따른 고가의 건설비가 발생하며, 해수에 의한 염분 부식 발생, 해양 생물에 의한 영향 등 해상 설치에 따른 유지보수의 어려움이 존재한다.
참고문헌 (8)
Vaal, J. B., Hansen, M. O. L., and Moan, T., "Effect of wind turbine surge motion on rotor thrust and induced velocity," Wind Energy, 2014, pp. 105-121.
Tran, T. T., and Kim, D. H., "The platform pitching motion of floating offshore wind turbine : A preliminary unsteady aerodynamic analysis," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, pp. 65-81.
Jonkman, J., Butterfield, S., Musial, W., and Scott, G., "Definition of a 5MW reference wind turbine for offshore system development," NREL/TP-500-38060
Johnson, W., "CAMRAD II : Comprehensive Analytical Model of Rotorcraft Aerodynamics and Dynamics," pp. 270-277.
Leishman, J. G., "Modeling of Subsunic Unsteady Aerodynamics for Rotary Wing Applications," Journal of American Helicopter Society, Vol. 35, No. 1, 1998, pp. 29-38.
Leishman, J. G., "Validation of Approximate Indicial Aerodynamic Functions for Two- Dimensional Subsonic Flow," Journal of Aircraft, Vol. 25, No. 7, 1988, pp. 914-922.
Leishman, J. G., and Beddoes, "A Generalized Model for Unsteady Aerodynamic Behavior and Dynamic Stall Using the Indicial Method," American Helicopter Society 42rd Annual Forum, Washington, DC, 1986.
Leishman, J. G., and Beddoes, "A Semi-Empirical Model for Dynamic Stall," Journal of American Helicopter Society, Vol. 34, No. 3, 1989, pp. 3-17.
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