고유익형 KA2가 적용된 풍력 블레이드의 회전토크와 추력에 익형의 항력이 미치는 영향 분석 ( An Analysis of the Drag Effect on the Thrust and Rotational Torque of Wind Turbine Blades with Original Airfoil KA2)

(1)

풍력에너지저널 pp. 19~25

고유익형 KA2가 적용된 풍력 블레이드의 회전토크와 추력에 익형의 항력이 미치는 영향 분석

강상균^*․박성수^**․이상일^***․이장호^****

An Analysis of the Drag Effect on the Thrust and Rotational Torque of Wind Turbine Blades with Original Airfoil KA2

Sangkyun Kang^*, Sungsoo Park^**, Sang-il Lee^*** and Jang-ho Lee^****

Key Words : Original airfoil (고유익형 ), Wind Turbine Blade (풍력 블레이드 ), Drag effect (항력의 영향), Aerodynamic Characteristics (공력특성 ), Torque (토크)

ABSTRACT¹⁾

Many studies have been conducted on the design of wind turbine blades and the several forces necessary for the operation of a wind turbine and its integrated load analysis such as thrust and torque generated at the design point. However, studies on the effect on such several forces by the drag force of a horizontal axis wind turbine blade have not been sufficient. The analysis of the drag effect of an airfoil on the rotational torque and thrust of wind turbine blades requires more precise design performance and drive performance of wind turbines. Therefore, it is necessary to review the degree of effect of airfoil drag force on rotational torque and thrust during the development of wind turbine blades. In this study, a wind turbine blade with the original airfoil KA2 was developed and manufactured for a performance test and the drag effect of an airfoil on the rotational torque and thrust of the horizontal axis wind turbine blade was analyzed. It was confirmed that the drag effect on torque is larger than that of thrust and that the effect of the drag force to the lift force is larger from the root to the tip.

기호설명 ^ : 추력 [N]

 : 코드길이 [m]

 : 토크 [Nm]

 : 회전면에 작용하는 힘 [N]

 : 풍속 [m/s]

_ : 상대풍속 [m/s]

 : 받음각 [deg]

 : 비틀림각 [deg]

 : 회전면과의 각도 [deg]

 : 각속도 [rad/s]

 : 주속비 [-]

 : 종횡비 [-]

_ : 항력계수 [-]

_ : 실속 각도에서의 항력계수 [-]

_ : 양력계수 [-]

_ : 실속 각도에서의 양력계수 [-]

 : 항력 [N]

 : 양력 [N]

 : 반경 방향 길이 [m]

 : 로터 반지름 [m]

* : 군산대학교 대학원 기계공학과, 박사과정

** : 군산대학교 해상풍력연구원, 주임연구원

*** : 군산대학교 해상풍력연구원, 교수

**** : 군산대학교 기계융합시스템공학부, 교수(교신저자)

E-mail : [email protected]

DOI : https://www.doi.org/10.33519/kwea.2021.12.1.003 Received : December 2, 2020, Revised : March 2, 2021, Accepted : March 2, 2021

(2)

1. 서 론

풍력 블레이드의 최적 설계는 풍력발전시스템의 핵 심 요소기술 중 하나로, 공기역학적인 힘인 양력과 항 력으로부터 회전축에 토크를 유발하여 풍력발전기의 성능에 직접적인 영향을 미친다[1]. 따라서 풍력 블레 이드의 설계기법 확립 및 최적설계와 관련된 다수의 연구가 진행되어왔다.

강호근[2], 김범석[3] 등은 BEMT(Blade Element Momentum Theory)를 활용한 풍력 블레이드 설계기 법 확립 및 최적설계를 진행하고, 해석을 통해 그 성 능을 검증하였다. 장세명 등[4]은 풍력 블레이드 설계 후 해석과 실제 시스템 설치를 통해 풍력 블레이드 성 능을 검증하였지만 블레이드에 작용되는 공력 하중의 해석은 진행되지 않았다.

김범석[5]은 풍력 블레이드의 공력 설계뿐만이 아닌 공력 설계와 하중 해석이 결합된 연구를 진행하였으며, Sanaa El Mouhsine[6] 등은 공력해석과 공탄성에 관 한 연구를 진행하였다. 강상균[7, 8] 등은 여러 가지 익 형의 공력특성을 분석하고, 이를 활용하여 서로 다른 익형으로 풍력 블레이드를 설계하였다. 추력, 토크, 피 칭모멘트 등 풍력 블레이드의 설계점에서 작용되는 여 러 힘들을 분석하는 방법을 제시하고, 각 힘들의 동특 성을 분석하였지만 운전 특성에 대한 분석은 이루어지 지 않았다.

최근에는 윤진용[9], 유철[10] 등과 같이 풍력블레이 드의 공력형상 최적화 설계 프로그램이 개발되고 있으 며, Matisas Sessarego[11] 등과 같이 신경망을 활용한 블레이드 설계도 이루어지는 등 AI를 활용한 블레이드 설계 및 공력하중해석에 대한 연구가 진행되고 있다.

선행 연구와 같이 풍력 블레이드의 최적 설계와 설 계점에서 발생하는 여러 가지 힘들에 대한 연구는 다 수 이루어졌다. 하지만 양력특성과 항력특성을 분리하 여 분석하는 방법으로 항력의 부정적인 운전특성을 검 토한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고유익형 KA2의 양력특성과 항력특성을 분리하여 분 석하는 방법으로, 고유익형에 대한 항력의 부정적인 운전특성이 검토되었다. 추후, 기존익형과의 비교분석 연구를 수행하여 고유익형이 적용된 블레이드 개발의 주요 자료로 제공될 계획이다.

2. 풍력 블레이드 2.1 고유익형 KA2

수평축 풍력 블레이드의 항력이 운전 성능에 미치 는 영향을 분석하기 위해 선정한 풍력 블레이드는 본 연구진에 의해 개발 및 제작되어 현재 성능시험이 진 행 중인 20 kW 급 풍력 블레이드이다. 풍력 블레이드 에 적용된 익형은 고유 익형 KA2로 두께비 14 %, 캠 버 4.4 %, 캠버 위치 37 %이며, Fig. 1에 형상을 나타 내었다.

Fig. 1 Shape of KA2[12-14]

풍력블레이드 끝단에 적용할 목적으로 개발된 KA2 는 비교적 높은 양력특성을 갖는 두께비 14 %의 비대 칭 익형인 SD7062에 대해 익형의 형상과 특성을 결정 짓는 주요 네 가지 인자(앞전반경, 최대두께위치, 캠버 위치, 캠버크기)를 변화시키고, 개선된 특성을 나타내 는 익형을 찾아내는 방식으로 도출되었다.

이때, 여러 가지 조합 수는 실험계획법으로 최소화 되었으며, CFD 수치해석(Re=150,000)을 통해 익형의 공력특성이 검토되었다. 이와 같은 방법으로 도출된 익형의 공력특성은 Lab 규모의 실험(Re=30,000) 값과 함께 FIg. 2에 제시된다. 여기서, 레이놀즈수 150,000은 블레이드 길이 1 m정도의 소형풍력블레이드가 풍속 10 m/s 에서의 TSR로 정도로 작동할 때 발생되는 영 역의 값에 해당된다[14].

신규 익형 KA2는 두께비가 비슷한 익형 SD7062 대비 양력계수가 7 % 증가 하고, 항력계수는 16 % 감 소하며, 양항비는 27 % 증가한다[12-14].

CFD 수치해석 및 실험을 통해 확보된 KA2의 공력

(3)

특성은 Fig. 2와 같고, 받음각이 12도에서 최대 양력계 수 1.55를 갖으며, 최대 양항비는 6도에서 26.5이다 [12-16].

(a) Analysis and experiment results of lift and drag coefficient

(b) lift to drag ratio

Fig. 2 Aerodynamics characteristics of KA2[12,13]

Fig. 3 Analysis results of lift and drag coefficient in full range, Re 150,000

또한 식 (1)~(3)을 통해[17, 18] 익형의 전 범위 공 력특성이 확인되었으며, 그 결과는 Fig. 3에 나타내었 다.

 

_{ }

   sin_cos__ cos^_ sin

sin

cos^

(1)

__{ }sin^ ^^{ }^{ }cos_

_{ }sin^_

^cos ⁽²⁾

_{ }     (3)

2.2 풍력 블레이드 모델

풍력 블레이드의 코드길이는 식 (4)로 산출할 수 있 으며, 날개선상에서의 풍속과 회전면과 이루는 각도는 식 (5)와 같이 표현된다. 바람에너지의 회전에너지 변 환 때문에 변화되는 풍속에 대해 Betz limitation 을 적용하면 날개 선상에서의 풍속과 회전면과 이루는 각 도는 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다. 이 때 비틀림각은 식 (7)과 같으며, 주속비는 식 (8)과 같이 표현된다[7, 19]. 풍력 블레이드는 허브와 연결되는 실린더를 제외 하고, 루트부 부터 끝단까지 16개의 요소로 분할되어 있다.

  



_

^^

_ ⁽⁴⁾

_ tan^{ }^^

  ⁽⁵⁾

_ 

_ (6)

  _ _ (7)

_ 

 (8)

설계된 풍력 블레이드의 코드길이와 비틀림각을 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 4와 같이 코드길이 는 루트부에서 끝단 방향으로 증가하다 17 % 지점의 길이에서 최대값을 가진 후 점차 감소하는 경향을 보 인다. 회전면과의 각도는 Fig. 5 (a)와 같이 블레이드 루트부에서 끝단으로 갈수록 작아지게 되는데, 이는 회전하는 블레이드의 반경방향에 따라 증가되는 회전 속도가 상대풍속과 회전면과 이루는 각도를 감소시키 기 때문이다. Fig. 5 (b)에 블레이드의 받음각 분포와 비틀림각을 나타내었으며, 루트부를 제외한 전 구간에 서 13도로 일정하게 유지하여 최대의 성능을 확보하기 위해 비틀림 각은 루트부에서 끝단으로 갈수록 작아지 도록 설계되었다.

(4)

Fig. 4 Chord length along the radius of wind turbine blade

(a) Angle between relative wind and rotational plane

(b) twist angle and angle of attack at rated wind speed Fig. 5 Angle along the radius of wind turbine blade

풍력 블레이드 3차원 형상 모델은 Fig. 6에 나타내 었다.

Fig. 6 20kW wind turbine blade model

풍력 블레이드의 자세한 설계 사양은 Table 1에 나 타내었고, Fig. 7과 같이 8 m/s 미만의 풍속에서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 위 해 일정한 주속비를 유지하고, 8m/s 이상의 구간에서 는 110 RPM으로 회전하며 출력이 제어된다고 설정한 다.

Item Specifications

Rated power [kW] 20.0

Rated wind speed [m/s] 11.0

Rated rotation speed [RPM] 110

Blade length [m] 4.95

Rotor diameter [m] 10.2

Number of blade [EA] 3

Tip speed ratio at 11 m/s [-] 5.34

Angle of attack [deg] 13

Table 1 Specification for 20 kW wind turbine blade

Fig. 7 Tip speed ratio

Fig. 8에 풍속에 따른 풍력발전기의 운전조건을 나타 내었다. 설계된 풍력 블레이드의 기계적인 축동력은 11 m/s에서 22.9 kW이며, 발전기 및 손실을 13 % 정도로 설정하는 경우[20] 출력은 약 20 kW정도 산출된다.

Fig. 8 Operating condition of wind turbine

2.3 분석 방법

바람의 힘으로 풍력 블레이드에 추력과 토크가 발 생되며, 이는 풍력발전기의 통합하중해석과 운전성능 분석 시 매우 중요한 요소이다. 수평축 풍력 블레이드

(5)

의 추력과 토크는 양력과 항력의 벡터 요소 합으로 산 출된다. 추력은 식 (9)와 같이 양력의 cosine 성분과 항력의 sine 성분의 합으로 계산된다. 토크는 식 (10) 과 같이 회전방향에 작용하는 힘과 블레이드 길이의 곱으로 산출되며, 회전방향에 작용하는 힘은 식 (11)과 같이 양력의 sine 성분과 항력의 cosine 성분의 차이로 계산된다. 이 때 활용되는 양력, 항력, 상대풍속은 식 (12)~ (14)와 같다[7, 19]. 풍력 블레이드는 허브와 연 결되는 실린더를 제외하고, 루트부 부터 끝단까지 16 개의 요소로 분할하여 각 구간에서 항력이 미치는 영 향이 분석되었다.

  _ _ (9)

   × (10)

  _ _ (11)

  _^_ (12)

  _^_ (13)

_^^^ (14)

3. 분석 결과

정격 풍속 11 m/s에서, 익형의 항력과 양력이 블레 이드의 추력과 토크에 미치는 영향 정도가 분석되어 Fig. 9와 Fig. 10에 제시된다. Fig. 8은 양력과 항력이 모두 고려된 경우 (흑색 막대)와 양력만 고려된 경우 (회색막대)의 추력을 블레이드 반경 방향으로 나타낸 것이다. 추력은 날개 끝단으로 갈수록 커지다가 블레 이드 길이의 85 % 지점에서 최대추력이 발생되고, 그 후 다시 작아지는 특성이 발생되는 것으로 분석된다.

대부분의 추력은 양력으로부터 발생되는 것으로 분석 되고, 항력은 추력을 증가시키는 작용을 하며, 그 증가 되는 정도는 루트부에서 끝단으로 갈수록 약 17.5 %에 서 0.8 % 정도로 나타났다.

Fig. 10은 블레이드 길이 방향으로 분석된 토크의 크기를 나타낸다. 블레이드에서 발생되는 토크도 하단 에서 끝으로 갈수록 커지다가 작아지는 특성을 보이며, 최대 토크 발생지점도 추력 최대 지점과 동일하게 블 레이드 길이의 약 85 % 지점에서 나타난다. 대부분의 토크는 양력으로부터 발생되며, 항력은 토크를 감소시 키는 작용을 하며 감소되는 정도는 루트부에서 끝단까 지 약 22.2 %에서 53.8 % 까지 되는 것으로 나타났다.

Fig. 9 Effect of drag force on thrust along the blade radius

Fig. 10 Effect of drag force on thrust along the blade radius

이와 같은 특성은 블레이드 끝단으로 갈수록 커지 는 상대속도의 자승에 따라 커지는 힘과 블레이드 길 이 85 % 지점 이후 작아지는 익형 코드 길이의 조합 으로 발생되는 것으로 파악된다.

또한, 항력이 블레이드 반경 방향으로 추력과 토크 에 미치는 영향 정도가 서로 반대로 작용하는 이유는 Fig. 5 (a)와 같이 블레이드 루트부에서 끝단으로 갈수 록 회전면과 익형이 이루는 각도가 작아지게 되는데, 추력의 경우 식 (9)와 같이 양력의 cosine 성분은 커지 고 항력의 sine성분은 작아져서 항력의 영향이 상대적 으로 작아지고, 반면에 토크의 경우는, 식 (11)과 같이 블레이드의 끝단으로 갈수록 양력 sine 성분이 작아지 고, 항력의 cosine 성분은 커지게 되어 항력의 영향이 상대적으로 증가하기 때문이다.

Fig. 11과 Fig. 12는 변화하는 풍속에서 익형의 항 력과 양력이 블레이드에 작용되는 추력과 토크에 미치 는 영향을 나타내며, 영향정도는 식 (15), (16)에 의해 분석되었다. 이때 추력과 토크는 16개로 분할된 블레 이드 전체에 발생하는 힘을 합산한 값이다.

   

        

×  ₍₁₅₎

(6)

   

        

×  ₍₁₆₎

Fig. 11과 같이 항력은 블레이드 전체 추력을 증가 시키는 영향을 주며, 풍속이 증가할수록 커지는 경향 을 나타난다. 7 m/s 이하에서 추력이 증가하는 정도는 0.6 % 정도이고, 8 m/s부터 항력이 미치는 영향이 증 가하며, 15 m/s에서 4.2 %로 가장 크게 확인되었다.

Fig. 11 Effects of drag force on accumulated thrust at variable wind speed

Fig. 12 Effects of drag force on accumulated torque at variable wind speed

반면에, 토크는 Fig. 12와 같이 항력의 영향에 의해 감소되는 특성을 보여주는데, 주속비가 일정하게 유지 되는 7 m/s 이하의 풍속영역에서 항력이 토크 감소에 미치는 영향은 약 37.6 % 정도로 동일하고, 회전수가 일정하게 유지되기 시작하는 8 m/s부터 정격풍속 11 m/s까지는 그 영향이 일부 줄어들어 약 35.8 % 정도 로 나타난다. 정격풍속 보다 큰 풍속영역에서는 풍속 의 증가에 따라 토크의 감소 정도가 더욱 커져서, 15 m/s 풍속에서 약 48.7 % 정도의 토크 감소를 나타낸 다. 이것은 TSR이 일정하게 유지되는 풍속 7 m/s 이 전의 영역에서, 블레이드의 받음각이 일정하게 유지되

는 반면에, 회전수가 일정하게 유지되는 8 m/s 이상의 풍속 영역에서, 풍속이 증가함에 따라서 TSR이 점점 작아지고, 블레이드의 익형과 풍속이 이루는 받음각의 크기도 커지면서, Fig 2(a)에서 보는 바와 같이 항력의 상대적인 크기가 점점커지기 때문에 발생되는 특성인 것으로 추정된다.

4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 고유익형 KA2가 적용된 풍력 블레 이드를 활용하여, 항력이 수평축 블레이드의 운전 성 능에 미치는 영향을 분석하였다.

항력은 추력을 증가시키는 반면에, 토크는 감소시키 는 작용을 하고, 추력의 증가보다 토크의 감소에 더 크게 영향을 미친다. 블레이드의 끝단으로 갈수록 항 력이 토크를 감소시키는 영향은 더욱 커지는 것으로 나타났다.

풍력 블레이드의 토크와 추력에 익형의 항력이 미 치는 영향은 익형의 종류와 특성에 따라 다르게 나타 난다. 향후, 고유익형과 다른 익형의 특성이 비교되는 연구가 수행될 예정이며, 이것은 여러 익형의 조합이 적용되는 대형 블레이드 설계에 대한 기초자료로 활용 될 수 있을 것이다.

후기

This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea(No.20183010025200) and by the Ministry of Education(NRF-2017R1D1A3B060 32145).

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