[논문]수직축 풍력발전용 날개의 기동력특성

김성훈; 김영익; 이준민

doi:10.5855/energy.2020.29.1.034

[국내논문] 수직축 풍력발전용 날개의 기동력특성
Self-Starting Characteristics of Blades for Vertical Axis Wind turbine 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.1, 2020년, pp.34 - 43

김성훈 (대구텍) , 김영익 (계명대학교 기계자동차공학전공) , 이준민 ((주)에이엠시스템)

초록
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풍력발전기 로터의 저속운전 가능성에 대해 기동토크를 평가하고자 하였다. 본 연구에서 살펴본 저속시동 가능성의 날개는 초임계에어포일을 보완하여 AMI계열(AMI903 및 AMI904)의 날개를 제안하여 공력성능을 유지하며 제작상 및 유지보수의 어려움을 제거하였다. 따라서 본 연구는 FLUENT를 이용하여 난류유동 해석을 통해 제안된 날개의 받음각(-180°~+180°)에 대한 항력계수와 양력계수를 제시하였으며, 이 값들로부터 정지하고 있는 날개의 회전 위치에 따른 접선방향의 토크계수를 정의하여 제시하였다. 기동력의 크기와 방향을 결정할 토크계수는 대부분 양의 값(반시계방향)으로 나타났으며 특별히 받음각이 0°에서 180° 및 -90°에서 -180°에서 양의 값이며 0°에서 -90°에서 매우 작거나 음의 값을 나타냈다. 한편 기동토크는 두께가 얇은 AMI903보다 두꺼운 AMI904에서 더 큰 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study has been done for self-starting torque of vertical axis wind turbine blade. It is especially concentrated to evaluate the torque coefficient before starting rotation. Two different aerofoils(AMI903 and AMI904) are proposed to benchmark the possible best blade(supercritical airfoil) for self-starting performance. Torque coefficients in the tangential direction of rotation are given with respect to the angle of attack in terms of drag coefficient and lift coefficient. Torque coefficient shows that the effect of Reynolds number is minimal. The thicker blade(AMI904) between two different proposed airfoils has bigger torque coefficient, which is attributed to lower lift coefficient and higher drag coefficient.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. The Comparison of Sectional Shapes of Aerofoils
그림 Fig. 2. Calculation Domain and Grid System
그림 Fig. 3. Illustrations on Rotating Grid System including a Blade
그림 Fig. 4. Comparison of Typical Distributions of Lift and Drag Coefficients for AMI904 Blade resulted from Visualfoil and Fluent Analysis (Re = 1x10⁶)
그림 Fig. 5. Comparison of Lift and Drag coefficients as a function of angle of attack for the benchmarked S1210, Supercritical aerofoil and the revised AMI903 and AMI904 at Re=200000.
그림 Fig. 6. Lift and Drag Coefficients with respect to Angle of Attack with different Reynolds numbers for AMI 903 Blade.
그림 Fig. 7. Lift and Drag Coefficients with respect to Angle of Attack with different Reynolds numbers for AMI 904 Blade.
그림 Fig. 8. Direct Comparison of Lift and Drag Coefficients for AMI903 and AMI904 at Reynolds number of 6x10⁴
그림 Fig. 9. Positions of Aerofoils and the related Angles of Attack under the Freestream.
그림 Fig. 10. Tangential Components(−C_D⋅cosθ와 C_L⋅sinθ) of Lift and Drag Coefficients with respect to Angle of Attack for AMI 903 and AMI904 at Reynolds Number of 6x10⁴ and 3.5x10⁵
그림 Fig. 11. Distributions of Torque Coefficients with respect to Angle of Attack for AMI903 and AMI904 with different Reynolds Numbers (Re = 6x10⁴, 3.5x10⁵, 2x10⁶)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 풍력발전기의 로터를 날개형태로 유지하게 하고 많은 날개형태 중 가장 적합하다고 생각되는 날개를 선택하고 이의 제작의 용이성 및 내구성을 고려한 날개를 추천하여 이에 대한 기본적인 유동 특성을 파악하고 이 특성이 기동토크에 미치는 영향을 제시하고자 한다.
6%이며 trailing edge가 너무 예리하고 얇기 때문에 실제 작동 시 유지관리나 제작에 큰 어려움이 있다. 따라서 이의 단점을 보완하고 새로이 제안된 NASA에서 개발한 초임계에어포일(supercritical aerofoil)(두께 13.9%, camber 2.5%)[11]을 기본으로 저속용으로 AMI903(두께 13%, camber 2.2%)과 AMI904(두께 17%, camber 2.6%)의 새로운 익형을 개발하고 이들의 공기역학적 특성의 해석을 수행하고 이를 바탕으로 기동토크에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 한편 새로운 익형에 대한 데이터는 VisualFoil 소프트웨어[12]를 가지고 구성되었다.
) 변화를 비교[9]하였다. 해석은 일반 벽함수 및 enhanced 벽함수를 이용한 난류의 경우에 대해 수행되었다. 비교 결과는 대체로 받음각이 작은 경우(-8°~19.

가설 설정

이다. 본 연구에서 실제적으로 이보다 넓은 범위의 레이놀즈 수(5 x10⁴~2x10⁶) 다뤄야하므로 유동 전체는 난류로 가정하였다. 따라서 각 보존식들은 다음과 같이 표현할 수 있다.
참고로 어느 위치에서든지 자유유동과 이루는 각에 의해 양력과 항력이 존재한다고 가정하였으며 후방에 있는 날개는 전방에 위치한 날개의 후류부의 영향을 받지 않는다고 가정하였다.

제안 방법

k- ε 모델을 사용한 난류 유동장 해석중 벽에서는 일반적으로 광범위하게 사용되는 벽함수(Wall function) 처리방법을 사용하였다(k-ε 모델은 일반화되어 설명을 생략하였다). 한편 벽함수 처리 방법은 표준 벽함수 방법과 enhanced 벽함수의 2가지 방법을 사용하여 비교하였다. 같은 개념의 벽처리 방법으로서 결과에 상당한 개선을 기대하지 않으나 결과의 정량적 및 정성적 비교 목적으로 2가지 방법을 모두 시도하였다.
한편 벽함수 처리 방법은 표준 벽함수 방법과 enhanced 벽함수의 2가지 방법을 사용하여 비교하였다. 같은 개념의 벽처리 방법으로서 결과에 상당한 개선을 기대하지 않으나 결과의 정량적 및 정성적 비교 목적으로 2가지 방법을 모두 시도하였다.
2(c)은 날개표면에서 해석의 정확도를 증대시키기 위해 날개표면의 경계층을 위한 사각그리드를 20개로 구성하였다. 전체 해석영역은 중앙부의 날개에 의해 상하부의 속도가 크게 변하지 않게 하여 수직방향의 기울기가 영이라는 조건(노이만 조건)을 부가하였으며, 출구 역시 노이만 조건으로 처리하였다. 입구는 속도, 난류강도(I, 5%) 등을 가지고, 각 물리량을 구하여 다음으로 입력하였다.
본 연구에서는 유동장 해석을 위해 유한체적법을 적용한 범용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였으며 대류 항은 upwind scheme, 압력 항 처리를 위해 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 각 보존식의 수렴조건으로 1x10^-5를 각각 적용하였으며, 동시에 연속식의 residual이 1x10^-3을 만족할 경우 수렴을 선언하였다.
해석의 타당성을 얻기 위해 해석결과는 실험결과가 유용한 NACA0018에서 레이놀즈 수가 6x10⁶인 경우 대표적인 받음각에 따른 압력계수(C_p) 변화를 비교[9]하였다. 해석은 일반 벽함수 및 enhanced 벽함수를 이용한 난류의 경우에 대해 수행되었다.
또한 레이놀즈 수가 커질수록 점차적으로 감소한다. 그러나 이는 전체 영역에 대해 일반적으로 언급할 수 있는 사항이 아니므로 영역 중 양력계수와 항력계수를 직접 비교하기 위해 Fig. 8에 2 개의 익형인 AMI903과 AMI904를 레이놀즈 수가 60000인 경우 직접적으로 비교하였다. 양력계수(Fig.
새롭게 고안된 두 가지 날개에 대해 자유유동에 대해 받음각이 –180°에서 +180°까지 변하고 레이놀즈 수가 변할 때 양력계수와 항력계수의 대표적인 결과를 제시하였다.
풍력발전기용 날개에 저속운전의 기동력을 확보하기 위해 S1210을 검토하고 초임계에어포일을 기준으로 제안된 AMI903과 AMI904에 대한 기동토크를 살펴보았다. 해석은 FLUENT를 사용하여 난류유동에 대해 해석하였으며 해석결과는 기존의 실험결과와 비점성유동의 해석 결과와 비교하여 정량적이며 정성적으로 만족한 비교를 얻을 수 있었다.
새롭게 고안된 두 가지 날개에 대해 자유유동에 대해 받음각이 –180°에서 +180°까지 변하고 레이놀즈 수가 변할 때 양력계수와 항력계수의 대표적인 결과를 제시하였다. 각 날개가 회전운동을 가능게 할 기동토크을 구하기 위해 접선방향의 접선성분을 앞서 구한 항력계수와 양력계수의 항으로 토크(토크계수)로 정의하여 이를 받음각은 물론 레이놀즈 수에 대해 정리하였다. 토크계수는 받음각이 –90° ~ -180°에서 양의 값이 가장 크고 0°~180°에서도 대체로 양의 값으로 반시계방향(양의 토크)의 토크를 생성하고 있음을 알 수 있으며, 받음각이 0° ~ 90°사이의 토크계수는 매우 작거나 음의 값을 나타내고 있다.

대상 데이터

9는 자유유동 하에 로터의 궤적(회전 시)과 자유유동의 방향에 대한 날개위치의 받음각이 정의되어 있으며, 각 날개 위치에서 식 (11)과 같이 궤적에 대한 양력계수와 항력계수의 접선성분만을 취한 결과가 토크계수이다. 따라서 토크계수를 계산하기 위한 기본적 자료는 Fig. 6의 AMI903과 Fig. 7의 AMI904의 데이터를 사용한 것이다. 참고로 토크계수가 양이면 반시계방향으로 토크를 정의된다.
본 연구에서 제안된 익형(AMI903과 AMI904)에 대한 해석범위는 받음각이 –180°에서 +180°까지이며, 레이놀즈 수는 6x104에서 2x106까지 수행하였다.

데이터처리

또한 새로운 익형에 대한 정량적 및 정성적 결과의 비교를 위하여 본 난류 수치해석결과와 VisualFoil의 해석결과의 상호 비교가 수행되었다. 날개는 AMI904를 택하였다(AMI903의 비교 역시 매우 비슷한 결과를 나타낸다).

이론/모형

k- ε 모델을 사용한 난류 유동장 해석중 벽에서는 일반적으로 광범위하게 사용되는 벽함수(Wall function) 처리방법을 사용하였다(k-ε 모델은 일반화되어 설명을 생략하였다).
본 연구에서는 유동장 해석을 위해 유한체적법을 적용한 범용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였으며 대류 항은 upwind scheme, 압력 항 처리를 위해 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 각 보존식의 수렴조건으로 1x10^-5를 각각 적용하였으며, 동시에 연속식의 residual이 1x10^-3을 만족할 경우 수렴을 선언하였다.

성능/효과

이는 어느 정도 예상한 결과로서 받음각이 커져 박리가 나타남으로서 정확한 예측이 현재 사용한 난류 모델로서는 한계가 있을 것이라 사료된다. 본 연구에서는 난류 모델에 따른 영향분석을 배제하고 수치결과와 실험결과의 비교 결과는 전체적으로 상당히 잘 일치함으로 본 연구에 사용된 수치해석 모델 및 프로세스의 타당성은 입증되었음을 알 수 있다.
먼저 각 익형의 설계양력계수가 받음각 0°에서 각각 S1210은 CL = 1.0, 초임계에어포일이 CL = 0.24이며 AMI903과 AMI904의 양력계수는 CL = 0.4인 것을 생각할 때 양력계수는 S1210, AMI 계열 및 초임계에어포일의 순으로 분포하는 것을 알 수 있다.
모든 데이터는 AMI903과 AMI904에 대해 정리되어 있으며 각 영역별 토크계수는 그대로 설명되어 질 수 있으나 정량적으로는 AMI904가 훨씬 더 크다라는 것을 알 수 있다. 이는 두께에 의한 항력과 양력에 차이가 나타나므로 이들 값의 변화가 토크계수에 영향을 미쳐 정지상태에서 기동토크에는 오히려 두께가 두꺼운 AMI904가 더 유리하다고 판단된다.
풍력발전기용 날개에 저속운전의 기동력을 확보하기 위해 S1210을 검토하고 초임계에어포일을 기준으로 제안된 AMI903과 AMI904에 대한 기동토크를 살펴보았다. 해석은 FLUENT를 사용하여 난류유동에 대해 해석하였으며 해석결과는 기존의 실험결과와 비점성유동의 해석 결과와 비교하여 정량적이며 정성적으로 만족한 비교를 얻을 수 있었다. 새롭게 고안된 두 가지 날개에 대해 자유유동에 대해 받음각이 –180°에서 +180°까지 변하고 레이놀즈 수가 변할 때 양력계수와 항력계수의 대표적인 결과를 제시하였다.

후속연구

14°로 증가된 경우 압력계수에 차이가 조금씩 나타나기 시작한다. 이는 어느 정도 예상한 결과로서 받음각이 커져 박리가 나타남으로서 정확한 예측이 현재 사용한 난류 모델로서는 한계가 있을 것이라 사료된다. 본 연구에서는 난류 모델에 따른 영향분석을 배제하고 수치결과와 실험결과의 비교 결과는 전체적으로 상당히 잘 일치함으로 본 연구에 사용된 수치해석 모델 및 프로세스의 타당성은 입증되었음을 알 수 있다.
이는 앞서 언급한 두께 21%를 넘지 않는 경우 두꺼운 두께(AMI904: 17%)가 저속에서 self-starting 운전에 더 유리할 것이라는 사실을 뒷받침할 수 있다. 단, 이 비교는 두께가 주어진 두 개의 서로 다른 익형의 날개에서 정지상태의 기동토크이며 회전시의 비교는 추후 상세한 연구가 동반되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전에 핵심이 되는 기술은 무엇인가?	풍력발전은 이러한 청정에너지의 한 축을 차지하고 있으며 세계적으로 연구가 활발히 추진되고 있다. 풍력발전에 핵심이 되는 기술은 풍력 터빈에 사용되는 날개의 형상을 최적화 시키는 문제이다. 풍력터빈은 크게 수평형과 수직형의 두 종류가 있는데, 이 중 수직 형은 저속에서의 시동풍속(cut-in speed)이 작기 때문에 우리나라와 같이 풍속이 작은 환경에서도 작동이 가능하다.
	날개형의 로터에 발생하는 토크에 영향을 미치는 파라미터는 무엇이 있는가?	날개형의 로터는 날개 주위에 형성되는 양력과 항력으로부터 토크가 발생한다. 이에 영향을 미치는 파라메터는 매우 다양하지만 회전하는 로터의 날개의 형상에 따른 압력분포, 실속과 박리 등이 큰 영향을 미친다. 특히 날개의 두께는 매우 민감한 설계요소이다.
	풍력터빈의 종류는 크게 어떻게 있는가?	풍력발전에 핵심이 되는 기술은 풍력 터빈에 사용되는 날개의 형상을 최적화 시키는 문제이다. 풍력터빈은 크게 수평형과 수직형의 두 종류가 있는데, 이 중 수직 형은 저속에서의 시동풍속(cut-in speed)이 작기 때문에 우리나라와 같이 풍속이 작은 환경에서도 작동이 가능하다. 이에 따라 최근 익형을 사용하는 수직형 터빈에 대한 관심과 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoils1210-il
http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoilnasasc2-0714-il
http://www.hanleyinnovations.com/

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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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