[논문]다리우스형 풍력블레이드의 설계 방법

이장호; 두리엔

다리우스형 풍력블레이드의 설계 방법
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이장호 (군산대학교 기계자동차공학부) , 두리엔 (군산대학교 대학원)

Darrieus wind turbine blade is one of the vertical wind power system in which the lift of blade is used. In the calculation of wind power for the type of that, the multiple streamtubes method is known as an effective method. But it has big difference in the region of higher tip speed ratio because the incoming air velocity is used in the calculation of lift. The incoming air velocity is reduced from inlet to outlet continually by transferring energy to the wind blade. In this study, the air velocity on the blade, which is called blade velocity, is obtained with newly developed algorithm and used to determine the lift. And it is verified that applying blade velocity on the lift calculation cause the power prediction to improve dramatically in the region of higher tip speed ratio.

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문제 정의

본 논문에서는 다리우스형 수직 풍력 터빈의 성능예측에 있어서 블레이드 풍속을 기준으로 양력을 계산하면, 높은 끝단속도비에서의 예측성능이 크게 개선된 다는 것을 보이고자 한다.
본 연구에서는 다리우스형 풍력터빈의 해석에 블레이드 풍속을 도입하기 위한 알고리즘이 개발되었고, 이 방법이 높은 끝단속도비에서의 성능 예측을 크게 향상시킨다는 것이 증명되었다. 그리고 낮은 끝단속도비에서의 예측 오차에 대한 정성적인 이해와 함께 실속지연 모델을 도입해야 한다는 필요성이 도출되었다.

대상 데이터

이 날개의 받음 각과 양력 및 항력의 관계는 레이놀즈수 별로 참고문헌⁽²⁾에 자세히 정리되어 있다. 해석에 사용된 공기 밀도는 1.204kg/m³ 로 일정한 값이며 계산에 사용되는 끝단속도비는 2.5에서 7사이의 값이다. 해석 대상 에 대한 자세한 사양은 Table 1에 요약된 바와 같다.
의 연구에 사용된다리우스 사양과 실험데이터를 그대로 사용한다. 해석에서 사용되는 다리우스형 풍력발전기는 높이 2m의 날개가 3개이며 날개의 단면 형상은 NACA0012이다(Fig. 2(d) 참조).

이론/모형

본 해석에서는 Strickland⁽¹⁾의 연구에 사용된다리우스 사양과 실험데이터를 그대로 사용한다. 해석에서 사용되는 다리우스형 풍력발전기는 높이 2m의 날개가 3개이며 날개의 단면 형상은 NACA0012이다(Fig.

성능/효과

그는 풍동실험에서 사용되는 2차원익형과 달리 연속적으로 받음각이 변하는 3차원익형의 경우 2차원 익형보다 높은 받음각에서도 실속이 발생되지 않는 현상이 발생한다고 보고하고 있다⁽³⁾. 따라서 2차원 양력 데이터를 사용하는본 연구의 계산결과는, 낮은 끝단속도비에서 실제로 실속과 출력저하의 지연 현상이 일어나는 실험결과 비해, 출력이 적게 예측되게 된다. 향후, 이 부분의 성능 예측을 개선을 위해 실속 지연 모델이 계산과정에 추가되어야 할 것이다.
그림에서 보는 바와 같이 새로운 계산결과는 전체적으로 실험값과 유사한 경향을 보인다. 특히, 끝단속도비(tip speed ratio)가 높은 부분에서 예측성능이 기존 연구에 비해 크게 향상되는 것으로 나타났다.
한편, 본 연구의 해석 결과는 기존 해석 결과와 반대로 실험값보다 작은 경향을 보이며, 출력의 최대점 부분과 낮은 끝단속도비 영역에서 더욱 작게 나타난다(Fig.5참조). 이와 같이 계산 결과의 출력 저하가 실험값 보다 선행되어 나타나는 현상은, 풍력터빈에서 3차원 효과에 의해 실속이 지연된다는 Tangler의 연구 결과와, 맥을 같이한다⁽³⁾.

후속연구

본 연구에서는 다리우스형 풍력터빈의 해석에 블레이드 풍속을 도입하기 위한 알고리즘이 개발되었고, 이 방법이 높은 끝단속도비에서의 성능 예측을 크게 향상시킨다는 것이 증명되었다. 그리고 낮은 끝단속도비에서의 예측 오차에 대한 정성적인 이해와 함께 실속지연 모델을 도입해야 한다는 필요성이 도출되었다. 향후, 이 부분에 대한 추가적인 연구가 계속 진행될 예정이다.
그리고 낮은 끝단속도비에서의 예측 오차에 대한 정성적인 이해와 함께 실속지연 모델을 도입해야 한다는 필요성이 도출되었다. 향후, 이 부분에 대한 추가적인 연구가 계속 진행될 예정이다.
따라서 2차원 양력 데이터를 사용하는본 연구의 계산결과는, 낮은 끝단속도비에서 실제로 실속과 출력저하의 지연 현상이 일어나는 실험결과 비해, 출력이 적게 예측되게 된다. 향후, 이 부분의 성능 예측을 개선을 위해 실속 지연 모델이 계산과정에 추가되어야 할 것이다.

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