[논문]풍력 발전 터빈 후류의 동적 분석

엄용한; 김윤구; 박성군

doi:10.5407/jksv.2020.18.2.059

풍력 발전 터빈 후류의 동적 분석
Dynamic analysis of wind turbine wake 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.2, 2020년, pp.59 - 65

엄용한 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 김윤구 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 박성군 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Vertical axis wind energy systems including 3 and 4 blades are numerically investigated in a two-dimensional (2D) computational domain. The power coefficient (Cp) is adopted to measure the efficiency of the system and the effect of the rotating velocity on the power coefficient is analyzed for the two different systems. The rotating velocity varies from 30 rad/s to 90 rad/s, which corresponds to the tip speed ratio (T.S.R) of 0.5 to 1.5. The torque exerted on the blades is mainly determined by the aerodynamic force in the x-direction and maximized when the blade is positioned at around θ = 186°. The efficiency of the 4-blade system is higher than that of the 3-blade system within the tip speed ratio range between 0.5 and 0.67, besides where the 3-blade system shows a better performance. For the 3-blade system, the maximum efficiency is reached to 0.082 at the tip speed ratio of 1.083. The maximum efficiency of the 4-blade system is 0.071 at T.S.R. = 0.92. The velocity fields in the x-direction, pressure fields, and the vorticity magnitude are analyzed in detail for the optimal cases of the 3- and 4-blades systems, respectively.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams and grids generated for 3-blades (a, b) and 4-blades systems (c, d).
그림 Fig. 2. Time histories of the horizontal force of blade 1 (F_x1) for different gird resolutions.
그림 Fig. 3. Time histories of F_x for three blades rotating at ω = 65 rad/s.
그림 Fig. 4. Time histories of F_y for three blades rotating at ω = 65 rad/s.
그림 Fig. 5. Time histories of torque for three blades rotating at ω = 65 rad/s.
그림 Fig. 6. Velocity fields in the x-direction at the instants of A-D in Fig. 3-5.
그림 Fig. 7. Pressure fields at the instants of A-D in Fig. 3-5.
그림 Fig. 8. Contour of vorticity magnitude at the instants of A-D in Fig. 3-5.
그림 Fig. 9. T.S.R(Tip Speed Ratio) vs power coefficient (Cp) with 3 and 4 blades systems.
그림 Fig. 10. Time histories of the x-axis force of blade-1 when each turbine has optimal efficiency.
그림 Fig. 11. Time histories of the torque of blade-1 when each turbine has optimal efficiency.
그림 Fig. 12. Velocity field in the x-direction, pressure field, and vorticity magnitude at the instant of A in Fig. 10 and 11 (T.S.R. = 0.92).

AI 본문요약
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문제 정의

풍력발전 시스템을 구성하는 블레이드 숫자가 출력 계수 및 후류에 미치는 영향에 대한 분석은 비교적 적게 수행되어 왔다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 3개 및 4개의 블레이드로 구성된 수직축 풍력발전터빈에 대해 2차원 해석을 진행하였으며, 끝단속도비에 따른 출력 계수 값 및 풍력발전 터빈 후류를 비교, 분석하고자 한다.
풍력발전기는 크게 수평축 풍력발전기(HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine)와 수직축 풍력발전기(VAWT, Vertical Aaxis Wind Turbine)로 분류되며, 수직축 풍력발전기는 바람의 방향과 무관하게 에너지 생산이 가능하고 소형으로 제작했을 시에는 발전기가 차지하는 체적과 무게가 줄어들어 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 각속도에 따른 소형 수직축 풍력발전 시스템의 출력 계수(Cp, Power Coefficient)를 계산하고, 풍력 발전기 후류의 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

3-블레이드 시스템에 대해 격자테스트를 진행하였으며, 결과는 Fig. 2에 도시하였다. 약 3만, 4만, 5만개의 격자를 생성하여 1번 블레이드의 x 방향 힘(F_x1)을 비교하였다.
블레이드에 작용되는 토크는 주로 x-방향의 힘에 의해 결정되었으며, θ = 186° 부근에서 토크의 최대값을 도출하였다. 각 시스템의 최적의 성능을 보이는 경우들에 대해 유동장을 분석하였다. 유체-구조 상호작용에 의해 유체는 모멘텀을 잃으며 이는 풍력 발전 터빈 주위의 x-방향으로의 감소된 유속으로 나타났다.
67의 값을 가질 때에는 4-블레이드 시스템의 출력 값이 3-블레이드 시스템의 값보다 더 크게 나타났으나 그 외의 경우에는 3-블레이드 시스템이 더 높은 값을 보였다. 끝단속도비가 0.92일 때 4-블레이드 시스템에서 1번 블레이드의 x방향 힘과 토크 값을 그래프로 도시하고, 유동장을 확인하여 4-블레이드 시스템에서 최대 효율을 보일 때와 3-블레이드 시스템이 최대 효율을 가질 때의 값을 비교하였다.
본 연구에서는 3-블레이드 및 4-블레이드를 포함하는 수직축 풍력터빈의 끝단속도비에 따른 출력 계수를 수치적으로 비교 및 분석하였다. 끝단속도비가 0.
2에 도시하였다. 약 3만, 4만, 5만개의 격자를 생성하여 1번 블레이드의 x 방향 힘(F_x1)을 비교하였다. Fig.
1(b, d)는 각각 블레이드 주변을 확대한 그림이다. 유동의 변화가 심한 블레이드 주변 영역은 격자를 조밀하게 설정하였으며, 블레이드에서 멀어질수록 격자의 크기가 증가하도록 설정하였다.
2 에서 확인할 수 있듯이, 3-블레이드 시스템의 경우 3만 개 이상의 격자를 사용하는 경우 계산 결과가 격자 수에 거의 영향을 받지 않음을 보였다. 이에 3-블레이드 시스템에서는 5만개의 격자를 사용하여 해석을 진행하였으며, 4-블레이드 시스템에서는 블레이드 주변으로부터 먼 영역까지 격자가 증가하는 비율을 3-블레이드 시스템과 같게 설정하였으며, 약 6만개의 격자로 해석을 진행하였다.

데이터처리

은 블레이드가 3개인 수직축 풍력발전터빈에 대해 시뮬레이션을 수행하였으며, 익형의 두께비, 피치각 및 비틀림각이 출력 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다. 정광열 등⁽⁴⁾은 블레이드가 3개인 500W의 어선용 수직축 풍력터빈을 전산유체역학을 이용하여 분석하였으며, 끝단속도비(T.S.R, Tip Speed Ratio)에 따른 최적의 출력 계수 값을 도출하였다. 정호윤 등⁽⁵⁾은 블레이드 5개를 포함하는 수직축 풍력발전 시스템에 대한 실험을 수행하였으며, 서로 다른 두 가지 블레이드 형상을 사용하여 블레이드의 각도에 따른 토크를 계산하였다.

이론/모형

3-블레이드 및 4-블레이드 수직축 풍력발전터빈의 유동 해석을 위해 Ansys Fluent 18.1을 사용하였으며, k-ε 난류 모델을 적용하였다.

성능/효과

1, 2, 3번 각 블레이드의 x 방향 및 y방향 힘과 토크의 경향을 비교할 때, 토크는 주로 x방향의 힘에 지배적으로 영향을 받음을 알 수 있으며, x 방향의 힘이 최대값(θ = 180°)을 보인 직후 θ = 186.9° 부근에서 토크가 최대 값을 보임을 확인하였다.
1번 블레이드가 약 268° ~ 28̊, 122°~ 132°의 영역에서 역방향 토크가 생성됨을 확인하였으며 이는 블레이드가 위의 영역에 위치할 때, 에너지 생성에 기여할 수 없음을 의미한다.
3-블레이드 시스템과 마찬가지로, x방향 힘이 최대 값인 지점 부근에서 최대 토크가 생성됨을 알 수 있으며, 각 블레이드가 θ = 180° 부근에 위치할 때 유체로부터 받는 x 방향으로의 힘이 전체 시스템의 토크에 지배적인 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.
67의 영역에서는 4-블레이드 시스템의 효율이 더 높게 나타났으며, 나머지 영역에서는 3-블레이드 시스템이 더 좋은 성능을 도출하였다. 3-블레이드 시스템의 경우 끝단속도 비가 1.083일 때, 약 0.082의 출력 계수 값으로 최적의 성능을 보였으며, 4-블레이드 시스템의 경우 0.92일 때, 0.07의 최적의 출력 계수 값을 도출하였다. 블레이드에 작용되는 토크는 주로 x-방향의 힘에 의해 결정되었으며, θ = 186° 부근에서 토크의 최대값을 도출하였다.
6에서 확인할 수 있듯이 유체-블레이드 상호작용에 의해 유체는 모멘텀을 잃게 되며, 풍력발전 터빈을 지난 이후 유속이 크게 감소함을 알 수 있다. 3개 블레이드의 사이 영역에서 유속이 국소적으로 감소하며, 블레이드를 지난 후 후류의 구불거림 현상을 확인 할 수 있다. A 지점에서 1번 블레이드의 뒤쪽 영역에서는 역방향 유동이 생성됨을 볼 수 있으며, F_x1및 ω의 값이 크게 작용하였다 (Fig.
3-블레이드 시스템과 마찬가지로, x방향 힘이 최대 값인 지점 부근에서 최대 토크가 생성됨을 알 수 있으며, 각 블레이드가 θ = 180° 부근에 위치할 때 유체로부터 받는 x 방향으로의 힘이 전체 시스템의 토크에 지배적인 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다. 4-블레이드 시스템의 경우 3-블레이드 시스템에 비해 x방향의 힘 및 토크 값이 더 낮게 작용됨을 확인할 수 있으며, 이로 인해 더 낮은 출력 계수 값을 보였다.
본 연구에서는 3-블레이드 및 4-블레이드를 포함하는 수직축 풍력터빈의 끝단속도비에 따른 출력 계수를 수치적으로 비교 및 분석하였다. 끝단속도비가 0.5 ~ 0.67의 영역에서는 4-블레이드 시스템의 효율이 더 높게 나타났으며, 나머지 영역에서는 3-블레이드 시스템이 더 좋은 성능을 도출하였다. 3-블레이드 시스템의 경우 끝단속도 비가 1.
블레이드가 θ = 180° ~270° 위치를 지나는 동안 형성된 와류 구조는 중심축 방향으로 굴절됨을 확인할 수 있으며, 270° ~ 0° 및 0° ~ 90° 사이의 범위에서 형성된 와류 구조는 x축을 기준으로 각각 아래 및 윗 영역에서 후류로 흘러감을 확인할 수 있다.
3). 움직이는 물체의 앞쪽 영역에 높은 압력이 생성되며, 각 블레이드의 접선 방향으로의 앞쪽 영역에 높은 압력 값이 생성됨을 확인할 수 있다.

후속연구

4-블레이드 시스템의 경우 3-블레이드 시스템에 비해 블레이드 간 거리가 줄어듦에 따라 앞의 블레이드가 뒤쪽의 블레이드에 미치는 영향이 증가하였으며, 유체로부터 받는 힘 및 토크를 감소시키는 결과를 초래하였다. 4-블레이드 시스템의 효율을 보다 높이기 위해서는 위치에 따른 적절한 블레이드 피치각 제어가 필요할 것으로 예상되며, 본 연구 결과를 토대로 추가적인 연구를 진행하여 4-블레이드 시스템의 출력 계수 향상을 도모하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전기는 어떻게 분류되는가?	정부의 정책에 힘입어 재생에너지부문은 급속도로 성장하고 있으며, 그 중에서도 풍력발전은 물의 사용을 요구하지 않고,(1) 이산화탄소 배출량이 적어(2) 각광받는 에너지원들 중 하나이다. 풍력발전기는 크게 수평축 풍력발전기(HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine)와 수직축 풍력발전기(VAWT, Vertical Aaxis Wind Turbine)로 분류되며, 수직축 풍력발전기는 바람의 방향과 무관하게 에너지 생산이 가능하고 소형으로 제작했을 시에는 발전기가 차지하는 체적과 무게가 줄어들어 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 각속도에 따른 소형 수직축 풍력발전 시스템의 출력 계수(Cp, Power Coefficient)를 계산하고, 풍력 발전기 후류의 특성을 분석하고자 한다.
	3-블레이드 및 4-블레이드를 포함하는 수직축 풍력터빈의 끝단속도비에 따른 출력 계수를 수치적으로 비교 및 분석한 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 3-블레이드 및 4-블레이드를 포함하는 수직축 풍력터빈의 끝단속도비에 따른 출력 계수를 수치적으로 비교 및 분석하였다. 끝단속도비가 0.5 ~ 0.67의 영역에서는 4-블레이드 시스템의 효율이 더 높게 나타났으며, 나머지 영역에서는 3-블레이드 시스템이 더 좋은 성능을 도출하였다. 3-블레이드 시스템의 경우 끝단속도 비가 1.083일 때, 약 0.082의 출력 계수 값으로 최적의 성능을 보였으며, 4-블레이드 시스템의 경우 0.92일 때, 0.07의 최적의 출력 계수 값을 도출하였다. 블레이드에 작용되는 토크는 주로 x-방향의 힘에 의해 결정되었으며, θ = 186° 부근에서 토크의 최대값을 도출하였다. 각 시스템의 최적의 성능을 보이는 경우들에 대해 유동장을 분석하였다. 유체-구조 상호작용에 의해 유체는 모멘텀을 잃으며 이는 풍력 발전 터빈 주위의 x-방향으로의 감소된 유속으로 나타났다. 또한 시스템 후류에서는 구불거림 현상을 확인하였다. 4-블레이드 시스템의 경우 3-블레이드 시스템에 비해 블레이드 간 거리가 줄어듦에 따라 앞의 블레이드가 뒤쪽의 블레이드에 미치는 영향이 증가하였으며, 유체로부터 받는 힘 및 토크를 감소시키는 결과를 초래하였다. 4-블레이드 시스템의 효율을 보다 높이기 위해서는 위치에 따른 적절한 블레이드 피치각 제어가 필요할 것으로 예상되며, 본 연구 결과를 토대로 추가적인 연구를 진행하여 4-블레이드 시스템의 출력 계수 향상을 도모하고자 한다.
	수직축 풍력발전기의 장점은 무엇인가?	정부의 정책에 힘입어 재생에너지부문은 급속도로 성장하고 있으며, 그 중에서도 풍력발전은 물의 사용을 요구하지 않고,(1) 이산화탄소 배출량이 적어(2) 각광받는 에너지원들 중 하나이다. 풍력발전기는 크게 수평축 풍력발전기(HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine)와 수직축 풍력발전기(VAWT, Vertical Aaxis Wind Turbine)로 분류되며, 수직축 풍력발전기는 바람의 방향과 무관하게 에너지 생산이 가능하고 소형으로 제작했을 시에는 발전기가 차지하는 체적과 무게가 줄어들어 효율적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 각속도에 따른 소형 수직축 풍력발전 시스템의 출력 계수(Cp, Power Coefficient)를 계산하고, 풍력 발전기 후류의 특성을 분석하고자 한다.

참고문헌 (6)

Meldrum, J., Nettles-Anderson, S., Heath, G., Macknick, J., 2013, "Life cycle water use for electricity generation: a review and harmonization of literature estimates," Environment Research Letters, 8(1).
Weisser, D., 2007, "A guide to life-cycle greenhouse gas (GHG) emissions from electric supply technologies," Energy, 32(9), 1543-1559.

상세보기
Lee, Y. T., Lim, H. C., 2013, "Flow Characteristics around Vertical Axis Darrius Blades," The Korean Society of Mechanical Engineers., pp 1205-1210.
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Jung, H. Y., Lee, Y. W., Kim, Y. D., 2008, "Numerical Study on the Starting Characteristics of Vertical Axis Wind Turbine," The Korean Society of Marine Engineering., pp 297-298.
Heo, Y. G., Choi, K. H., Kim, K. C., 2016, "CFD and experiment validation on aerodynamic power output of small VAWT with low tip speed ratio," Journal of the Society of Marine Engineering., Vol. 40(4), pp 330 - 335.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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