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문제 정의
- 실제 풍력발전용 로터 블레이드의 In—board section 은 전체적인 시스템의 출력특성에 큰 영향을 미치지 않으므로, 수치적 방법을 이용한 출력 특성을 예측하는 부분에 있어서는 고려대상이 되지 않는 것이 일반적이다. 하지만, 보다 정확한 풍력발전 시스템의 출력특성을 예측하고, 블레이드 전체에 걸쳐 작용하는 복잡한 구조의 3차원 유동 현상을 정확하게 예측하기 위하여 본 연구에서는 In-board section을 포함한 전체 블레이드에 대한 수치해석을 수행하였다. 블레이드를 구성하는 익형의 형태는 블레이드의 In-board section의 허브 부분으로부터 팁 부분까지 DU-91-W-250, DU-93- W-210, NACA 63618 등의 익형으로 구성돠어 있다.
제안 방법
- 생성하는 과정에서 복잡한 형상에 대하여 상당히 우수한 3차원 정렬 격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 이용하였다. 격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체도메인을 56 블록으로 나누었으며, 해석결과의 신뢰성을 고려하여 블레이드 주위에 격자를 집중 배치하였다. 전체 도메인의 격자수는 약 800, 000 cell 이며, Fig.
- 정상 상태계산은 모두 Iteration이 200 번 정도일 때 수렴하였으며, 계산'소요시간은 각 케이스별로 최소 8시간에서 최대 12 시간이 소요되었다. 계산을 수행하기에 앞서 원활한 해의 수렴성과 안정성을 확보하기 위하여, 초기에 약 120, 000 Cell의 격자 수를 가지는 도메인을 가지고 계산을 수행한 후 U, V, W 방향의 속도 성분과 대략적인 유동장의 기본정보를 획득하였으며, 실체 계산을 하기 위한 초기조건의 값으로 사용하였다.
- 설계하였다. 그리고 또한 고양력 장치인 플랩을 장착하여 성능해석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그리고 본 연구에서는 무차원 수인 TSR을 이용하여 유입 풍속을 고정하고 로터 블레이드의 회전속도만 변화시켜 가면서 수치해석을 수행하였다. 유입 풍속은 5m/s이며, 회전 속도는 30~ lOOrpm으로 변화시켜, 모두 8가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 이때 TSRe 2.
- 그리고 이것을 프로그램화 하였으며 프로그램에 사용된 언어는 델파이를 사용하였다. 그리고 설계된 블레이드에 고양력 시스템인 플랩을 장착하여 성능해석을 하였다.
- 본 연구에서는 Viterna-Corrigan이 제안한 식을 사용하여 실속이후의 양력계수와 항력계수를 구하였으며, Fig. 9은 Viterna-Corrigan의 제안식을 토대로 하여 프로그램을 작성하였다[8〕.
- 본 연구에서는 네덜란드 델푸트 대학에서 자체적으로 설계된 T40/500 로터 블레이드에 대한 수치해석을 통하여 블레이드 주위에서 발생하는 복잡한 3차원 유동특성과 성능평가를 수행하였고, 공기역학적 이론을 적용하여 풍력터빈의 블레이드를 설계하였다. 그리고 또한 고양력 장치인 플랩을 장착하여 성능해석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 반복하게 된다. 본 연구에서는 최적의 익형을 선정하여 날개 요소이론 (Blade element theory) 으로부터 날개를 설계하였고, 팁손실이론 (Tip loss theory) 를통해서 성능을 해석하였으며, 블레이드에 대한 공력해석을 수행하기 위해서는 다음과 같은 과정을 거치게 된다.
- 본 연구에서는 격자를.생성하는 과정에서 복잡한 형상에 대하여 상당히 우수한 3차원 정렬 격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 이용하였다. 격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체도메인을 56 블록으로 나누었으며, 해석결과의 신뢰성을 고려하여 블레이드 주위에 격자를 집중 배치하였다.
- 위의 과정을 토대로해서 델파이 언어를 사용해서 프로그램화하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 수치해석 대상으로 사용된 로터 블레이드는 직경이 40 m 이고 정격출력이 500 kW인 3 블레이드 수평축 풍력발전용 터빈(HAWT)이다. T40/500의 출력제어 방식은 실속제어형 (stall regulated)이며; 이는 현재 상용화되고 있는 풍력발전기의 대다수가 정격풍속 이상의 바람이 불어 올 경우, 안정성을 확보하기 위하여 블레이드 허브부분으로부터 서서히 3차원 실속을 발생시켜 전체 시스템의 출력을 제어하는 방식이다; 계산 격자를 생성하기 위한 초기 모델링 작업은 실제 모델의 3차원 좌표 점을 통해 이루어졌으며, 계산의 정확성을 고려하여' 블레이드를 허브로부터 팁 부분까지 모두 10개의 단면으로 분할 한 후, 분할된 2차원 단면을 스플라인 (spline) 으로 연결하여 3차원 블레이드를 생성하였다.
데이터처리
- 6에서 제시된 이론적인 구조와 잘 일치함을 알 수 있으며, 복잡한 3차원 후류를 정성적, 정량적으로 명확하게 보여주고 있다. Fig. 8은 풍력터빈의 성능해석을 위하여 델프트대학 풍력에너지 팀에서 제공한 3 블레이드 수평축 풍력터빈 로터의 BEM(blade element met-hod) 계산 데이터와 본 연구의 수치해석 결과를 통해 얻은 데이터를 비교하였다. BEM 법은 단일 블레이드를 허브부터 팁까지 여러 단면으로 분할하여, 각 지점에서의 익형의 양항력 데이터를 가지고 전체적인 로터의 성능을 예측하는 방법이며, 풍력터빈의 성능을 예측하는데 상당히 보편화 되어있다.
이론/모형
- CFX-TASCflow는 3차원 레이놀즈 평균 (Reynolds averaged) 나비어 스톡스 (Navier-stokes) 방정식을 적용하며, 지배방정식은 유한체적법에 의하여 이산화 되며, 수치해석은 3차원 비압축성 정상상태 조건에 의하여 수행되었다. '일반적으로 상용CFD코드에서 기본으로 제공하는 표준 k- e 모델의 경우, 표면이나 벽면에서의 유동박리를 정확하게 예측하지 못하는 단점을 가지고 있다.
- 따라서 본 연구에서는 블레이드 표면에서 발생하는 3-D 실속현상에 대한 영향을 반영하여 해석 결과의 정확도를 확보하기 위해 k-<u모델[6]을 적용하였으며, 대류항의 이산화 기법으로는 2차 정도의 정확도를 가지는 수정 (Modified). LPS 기법을 사용하였다.
- '일반적으로 상용CFD코드에서 기본으로 제공하는 표준 k- e 모델의 경우, 표면이나 벽면에서의 유동박리를 정확하게 예측하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 블레이드 표면에서 발생하는 3-D 실속현상에 대한 영향을 반영하여 해석 결과의 정확도를 확보하기 위해 k-<u모델[6]을 적용하였으며, 대류항의 이산화 기법으로는 2차 정도의 정확도를 가지는 수정 (Modified). LPS 기법을 사용하였다.
- 한편, CFD는 지난 수 십년간 다양한 분야에서 사용되어 왔으며, 풍력발전 시스템을 구성하는 핵심 요소인 로터 블레이드(rotor blade) 의 유동해석에도 사용되기 시작하는 추세이나, 풍력터빈의 3차원 유동구조 및 성능평가에 관한 연구는 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 풍력발전용 터빈의 3차원 유동에 대한 해석 및 성능평가를 목적으로, 네덜란드 델프트 대학 (Delft University)의 풍력에너지 연구그룹⑸에의해 설계된 500 kW급 풍력발전용 로터 블레이드(T40/500)를 대상으로 하였고, 상용CFD 코드는 CFX-TASCflow를 이용하여 계산을 수행하였으며, 또한 한국해양대학교 실정에 맞는 소형풍력발전용 터빈로터를 설계하고, 형상에 대한 공력 해석에는 날개요소이론 (blade element me-thodV을 '사용하였으며, 공력해석에는 팁손실이론 (Tip loss theory)을 이용하였다. 그리고 이것을 프로그램화 하였으며 프로그램에 사용된 언어는 델파이를 사용하였다.
- 그리고 실제로 3차원의 항공기 날개에서는 날개 상면과 하면의 압력 차에 의하여 날개끝에서 와류(vortex)가 발생하여 날개주위의 순환분포가 감소되기 때문에 날개 끝 부분에서부터 손실이 발생하며, 풍력터빈에서도 이런 현상이 나타난다. 이를 보통 날개 끝 손실이라고 하는데 날개끝 손실을 고려하기 위해서 본 연구에서는 Prandtl과 Goldstein0] 제시한 Tip loss theory를 적용하였다. 그리고 Fig.
성능/효과
- 1. 로터 블레이드 표면에서 발생하는 와류와, 팁 와류, 후류 등에 대한 유동해석을 수행하였으며, 각각의 경우 모두 스케치된 모델의 경우와 정성적으로 상당히 잘 일치하며, NREL의 실험결과와 본 연구에서의 수치해석 결과를 비교해볼 때 본 계산에 의한 유동해석은 비교적 만족스러운 결과를 제시하고 있음을 알 수 있다
- 2. 3 블레이드형 로터에 대한 성눙비교를 수행하였으며, CFD와 BEM 법 사의의 오차는 전 주속비에 걸쳐 약 10% 미만이며, 정성적, 정량적으로 비교적 만족스러운 결과를 제시하고 있음을 알 수 있다.
- 3. 고양력장치인 플랩을 설치하여 공력성능을 즉정한 결과 5이하의 주속비에서는 플랩이 장착된 경우가 장착되지 않은 경우보다 월등한 성능을 나타내었다.
- 4. 플랩길이 2%, 플랩각도 10° 이하에서는 전체 주속비에 걸쳐서 높은 성능을 나타내고 있었다.
- 7 GHz, 1Gb) 에서 수행되었다. 정상 상태계산은 모두 Iteration이 200 번 정도일 때 수렴하였으며, 계산'소요시간은 각 케이스별로 최소 8시간에서 최대 12 시간이 소요되었다. 계산을 수행하기에 앞서 원활한 해의 수렴성과 안정성을 확보하기 위하여, 초기에 약 120, 000 Cell의 격자 수를 가지는 도메인을 가지고 계산을 수행한 후 U, V, W 방향의 속도 성분과 대략적인 유동장의 기본정보를 획득하였으며, 실체 계산을 하기 위한 초기조건의 값으로 사용하였다.
후속연구
- 3. 범용 CFD 코드를 이용하여 풍력터빈의 유동해석 및 성능해석을 수행하는 것이 가능함을 알 수 있었으며, 보다 정확한 예측을 통한 결과는 향후, 픙력터빈 설계자들에게 상당히 효율적인 작업을 가능하게 할 것이라 사료되며 CFD와 PIV실험을 수행하여 익형의 종류와 최적의 플랩의 관계와 유동메카니즘을 규명할 예정이다.
- 실제 실속 전 익형의 공력성능을 예측하는 것은 비교적 정확하게 예측 할 수 있으나, 실속 후 공력특성을 예측하는 것은 상당한 어려움이 따른다. 따라서, 블레이드 표면에서 발생하는 복잡한 3차원 실속현상을 정확하게 반영하여 해석할 수 있는 다양한 난류 모델의 적용 및 검토가 필요하며, 보다 정확한 계산조건을 찾고 계산격자의 최적화를 통한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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