<응용논문>
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2015.39.8.693 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)
500W 급 다리우스형 풍력발전기의 최적설계를 위한 수치적 연구
이 영 태
*
· 임 희 창*†
* 부산대학교 기계공학부
Numerical study to Determine Optimal Design of 500W Darrieus-type Vertical Axis Wind Turbine
Young Tae Lee
*
and Hee Chang Lim*†
* School of Mechanical Engineering, Pusan Nat’l Univ.
(Received February 4, 2015 ; Revised June 16, 2015 ; Accepted June 17, 2015)
- 기호설명 - φ : 피치각
σ : 솔리디티 t : 블레이드 두께 c : 블레이드 코드길이 D : 로터 직경
ω : 로터 회전 각속도
1. 서 론
지난 수 십 년간 무분별한 화석연료 사용에 따 른 화석연료의 가격인상 및 지구온난화가 심해짐 에 따라서 최근에는 화선연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지에 대한 관심과 수요가 전세계적으 로 증대되었다.
(1)그 중 풍력발전 에너지가 화석연 료를 대체할 신재생 에너지로 크게 각광받고 있다.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2015 The Korean Society of Mechanical Engineers
Key Words: CFD(전산유체역학), Darrieus-type Vertical Axis Wind Turbine(다리우스형 수직축 풍력발전기), Wind Tunnel test(풍동실험), Solidity(솔리디티), Pitch Angle(피치각), Twist angle(비틀림각).
초록: 본 논문은 NACA 익형의 블레이드를 가지는 다리우스 수직축 풍력발전기(VAWT)의 성능특성에 대한 연구이다. 다양한 설계변수를 이용한 다리우스 VAWT 의 최적 형상을 예측하기 위해서 블레이드 근처에서 나타나는 공력특성 및 박리유동, 유동과 블레이드 간의 상호작용, 이로 인해 유도되는 토크 및 출력특성 등을 분석하였다. 블레이드의 최적 형상 설계 및 주변 유동과의 상호작용 특성을 보기 위하여 다양한 인자들 (즉, 코드길이, 로터직경, 피치각, 블레이드의 두께비 및 비틀림각 등)을 고려하였다. 본 연구에서 연구결과로는 TSR 가 낮은 영역에서는 솔리디티가 큰 로터가 높은 출력계수를 가지는 반면, TSR 이 높은 영역에서는 솔리디티가 작은 로터가 높은 출력계수를 가진다. 블레이드의 익형이 안쪽으로 향하는 피치각은 -2°와 비틀림각이 0°일 때, 다리우스형 VAWT 가 최대 출력을 발생하였다.
Abstract: This paper presents the performance characteristics of a Darrieus-type vertical-axis wind turbine (VAWT) with National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) airfoil blades. To estimate the optimum shape of the Darrieus-type wind turbine in accordance with various design parameters, we examine the aerodynamic characteristics and separated flow occurring in the vicinity of the blade, the interaction between the flow and blade, and the torque and power characteristics that are derived from it. We consider several parameters (chord length, rotor diameter, pitch angle, and helical angle) to determine the optimum shape design and characteristics of the interaction with the ambient flow.
From our results, rotors with high solidity have a high power coefficient in the low tip-speed ratio (TSR) range. On the
contrary, in the low TSR range, rotors with low solidity have a high power coefficient. When the pitch angle at which
the airfoil is directed inward equals -2° and the helical angle equals 0°, the Darrieus-type VAWT generates maximum
power.
풍력발전기에는 발전기(HAWT) 분할 수 있다 발이 이루어져 전단지에 적용되어 에서 1980
HAWT 에 비해 가시동이 어려우며 이 차지함으로 학문의 깊이는 장점도 여러가지 발전이 가능하기 지 않다. 그리고 인해 상대적으로 는 반경방향으로 VAWT 는 비용 및 유지보수 들은 도심에서 하기에 본 연구를 형(사보니우스형 할 수 있는데 양력형보다 은 효율을 가진다 에서 사보니우스형 는 다리우스형 다 리 우 스 형 Gorelov
(2)는 종합하여 여러가지 개수, 코드길이 한 다리우스 Paraschivoiu 의 실속 및
최근에는 컴퓨터의 체역학(CFD) 히 발달함에 구가 최근에 우 스 VAW T Ferreira
(5)가 성을 정확히 Maitre
(6)은 2 에 상용코드인 Spalart-Allmaras 용하였다. Nabavi 와 비슷한
기를 수치해석적으로 부의 유속을
풍력발전기에는 회전축 (HAWT)와 수직축
있다. HAWT 의 이루어져 있는 상태이며
적용되어 있다 1980 년대 초에
비해 상당히 어려우며 대형화를 차지함으로 인해 VAWT
깊이는 그리 깊지 여러가지 존재한다 가능하기 때문에
그리고, HAWT 상대적으로 소음이 반경방향으로 익형의 익형의 형상이 유지보수 비용이 도심에서 간단히
연구를 진행하였다 사보니우스형)과 양력형
있는데, 항력형이 양력형보다 낮다는 장점이
가진다. 본 연구에서는 사보니우스형 VAWT
다리우스형 VAWT 에 다 리 우 스 형 VAW T 와
2009 년 이전에 여러가지 설계변수 코드길이, 두께, 다리우스 VAWT 의 Paraschivoiu 와 Fujisawa
피치제어와 컴퓨터의 발달로 (CFD)의 정밀도 발달함에 따라 다양한
최근에 점점 더 많이 VAW T 와 관 련 된
공기 중의 정확히 예측하기
2 개의 블레이드를 상용코드인 FLUENT
Allmaras 난류모델에 . Nabavi
(7)는 다리우스
형상의 블레이드를 수치해석적으로 연구하였으며 유속을 증가시키기
회전축 방향에 따라 수직축 풍력발전기
의 경우에는 상태이며 현재 있다. VAWT 는 연구가 많이 상당히 낮은 효율을
대형화를 하게 VAWT 에 대한
깊지 않다. 하지만 존재한다. 특히 풍향에 때문에 yaw 제어 , HAWT 에 비해 낮은
소음이 크지 않다 익형의 형상이 변화하는
형상이 균일하므로 비용이 적게 든다
설치하여 운전하기에 진행하였다. VAWT
양력형(다리우스형 항력형이 초기 시동에
장점이 있으나 연구에서는 VAWT 보다 높은
에 대한 연구를 와 관 련 한 실 험 적 이전에 발표된 설계변수(예를
, 피치각, 로터직경 의 성능특성을 Fujisawa
(3,4)는 다리우스 피치제어와 관련된 연구를
발달로 인하여 높은 모델 다양한 블레이드
많이 이루어지고 관 련 된 수 치 해 석 적
VAWT 주위 위한 해석 방법을 블레이드를 가지는 FLUENT
®를 이용하여 난류모델에 sliding mesh
다리우스 VAWT 블레이드를 사용하는
연구하였으며 증가시키기 위해 덕트
따라 수평축 풍력 풍력발전기(VAWT)로
이미 상당히 현재 대규모 풍력발
1970 년대 후반 많이 이루어졌지만 효율을 나타내고
되면 면적을 대한 최신 연구 하지만 VAWT
풍향에 관계없이 제어 장치가 필요하 낮은 회전속도로 않다. 또한, HAWT 변화하는 반면에 균일하므로 초기 제작 든다. 이러한 장점 운전하기에 적합 VAWT 는 크게 항력 다리우스형)으로 구분 시동에 있어 풍속이 있으나 전체적으로
적정 풍속 이상 높은 효율을 가지 연구를 수행하였다
실 험 적 연 구 로 발표된 실험 연구들을 들어, 블레이드 로터직경 등)에 성능특성을 정리하였다
다리우스형 블레이드 연구를 수행하였다 인하여 3 차원 전산유 및 계산이 급속 블레이드 형상 개발
이루어지고 있다. 다리 수 치 해 석 적 연 구 로 는
주위 유체역학적 방법을 제안했다 가지는 VAWT 해 이용하여 1-equation sliding mesh 기법을
VAWT 의 블레이드 사용하는 조류발전 연구하였으며, 블레이드
덕트 단면이 변하는 풍력 로 구 당히 개 풍력발 후반 이루어졌지만
내고 자 면적을 많 연구 및 VAWT 의 관계없이 필요하 회전속도로
, HAWT 반면에
제작 장점 적합 항력 구분 풍속이
로 낮 이상 가지 수행하였다.
연 구 로 연구들을 블레이드 에 대 정리하였다.
블레이드 수행하였다.
전산유 급속 개발 연 다리 연 구 로 는 유체역학적 특
제안했다.
해석 equation 기법을 적
블레이드 조류발전 블레이드 상 변하는
Fig. 1
형상에 과적으로 리우스 석의 등에 상당히 기존의 하여 일부 이 연구의
ANSYS FLUENT (즉,
비 이드의 기존에 부착된 행하여 하였다 에 는 수에 만들어지는 및
상에서 명하고자
2.1 본 은
Fig. 1 Schematic diagram of Darrieus type vertical aixs wind turbine
형상에 대해 유체역학 과적으로 수행하였다 리우스 VAWT 석의 결과를 토크와 등에 대해 비교 상당히 근접한 기존의 연구는
하여 주로 이루어졌으며 일부 난류모델에
잘 일치하지 연구의 경우, 3 ANSYS FLUENT
, 코드길이, 및 비틀림각 이드의 설계최적화 기존에 많이 알려져 부착된 다리우스형 행하여 수치해석결과의 하였다. 본 연구에서
따라 다리우스형 최적형상을 수에 따른 블레이드와 만들어지는 유동
압력특성을 상에서 어떠한 명하고자 한다.
2. 수치해석
2.1 다리우스 본 연구에서
NACA0015, NACA0018
Schematic diagram of Darrieus type vertical aixs wind turbine
유체역학 기반의 수행하였다. Howell VAWT 에 대해 풍동실험과
토크와 출력계수 비교 및 분석을
수치해석 특정형상 및 이루어졌으며, 난류모델에 국한되어
일치하지 않는 경향을
, 3 차원 전산유체역학 ANSYS FLUENT
®를 이용하여
, 로터직경, 피치각 비틀림각 등)을 이용하여
설계최적화 연구를 알려져 있는 NACA 다리우스형 VAWT 수치해석결과의 검증에
연구에서 설계변수를 다리우스형 VAWT
제안하고자 블레이드와 유동간의
유동 및 풍하중에 분석하고 최대출력이 유체역학적
수치해석 및 풍동실험
수치모델 고려된 다리우스 NACA0015, NACA0018
Schematic diagram of Darrieus type vertical aixs
기반의 성능해석을 . Howell
(8)은 특정
풍동실험과 3 차원 출력계수, 그리고 분석을 하였으며,
결과를 얻었다 및 일부 관심인자에 , 수치해석적 국한되어 이루어져서
경향을 가지고 전산유체역학 이용하여 다양한
피치각, 블레이드의 이용하여 다리우스형
수행하였다 NACA 익형 VAWT 의 풍동실험
검증에 대한 연구도 설계변수를 다양하게 VAWT 의 최대출력이 제안하고자 한다. 또한
유동간의 상호작용에 풍하중에 대한 시간별
최대출력이 나타나는 유체역학적 특징이 나타나는지
풍동실험 방법
다리우스 블레이드의 NACA0015, NACA0018 그리고 NACA0021
Schematic diagram of Darrieus type vertical aixs
성능해석을 매우 효 특정 형상의 다 차원 수치해 그리고 유동특성 , 실험결과에 얻었다. 이러한 관심인자에 국한 접근방법도 이루어져서 그 결과들 있었다. 본 상용코드인 설계인자들 블레이드의 두께 다리우스형 블레 수행하였다. 본 연구는 블레이드가 풍동실험 연구를 병 연구도 수행 다양하게 변경함 최대출력이 나타나 또한 각 설계변 상호작용에 의해 시간별 유동 나타나는 형 나타나는지 규
방법
블레이드의 익형 NACA0021 이며 효 다 수치해 유동특성 실험결과에 이러한 국한 접근방법도
결과들 본 상용코드인 설계인자들 두께 블레 연구는 블레이드가 병 수행 변경함 나타나 설계변 의해 유동 형 규
익형
이며
그 중 NACA0015 하여 수치해석의 실험에 사용된 이 NACA0015, 직경(D) 800mm, 0.75 이고 중심축을 을 가지는
다리우스 VAWT 나타내었다.
레이드 두께비 디티(σ), 트위스트 솔리디티, 두께비 에 따른 다리우스 화를 비교하였다
2.2 해석 블레이드가 개, 그 외 고정 가 사용되었으며 정도이다. 앞서 상용코드인 법을 적용한 해석 영역을 싸고 있는 한다. Fig. 2 격자를 보여준다 step 에 따라 인과 움직임이 interface 로 의 경계면의 은 한 블레이드 블레이드 벽면 렬격자로 격자를 고자 하였다 위해 실제 풍동 석 도메인으로
2.3 지배방정식 기본 방정식은 방식은 유한체적법 원 비압축성
된다. Unsteady RANS Stokes)의 지배방정식은 (1)의 연속
아래와 같이
NACA0015 익형은 수치해석의 결과를
사용된 수직축 NACA0015, 코드길이가
(D) 800mm, 높이(L) 600mm 중심축을 기준으로 블레이드가 VAWT 의 대략적인
. 다리우스 VAWT 두께비(t/c), 피치각
트위스트 각도 두께비, 피치각 다리우스 VAWT 비교하였다.
격자
블레이드가 포함된 회전 고정 도메인은 사용되었으며, 총 격자
앞서 언급하였듯이 FLUENT 를 적용한 VAWT 의 영역을 회전도메인과
고정 도메인으로 2 왼편에 회전 보여준다. 수치해석 따라 실제로 회전을 움직임이 없는
연결되어 각 경계면의 데이터가
블레이드 주위의 벽면 주위 경계층이 격자를 생성하여 하였다. 그리고
풍동 크기(2m 도메인으로 고려하였다
지배방정식 방정식은 Navier 유한체적법(Finite
비압축성 비정상 유동조건하에서
. Unsteady RANS(Reynolds Averaged Navier 지배방정식은
방정식과 식 같이 표현된다.
익형은 풍동실험도 결과를 검증하고자
풍력발전기 코드길이가 150mm
(L) 600mm 로 기준으로 3 개의 블레이드가 연결되어
대략적인 개략도를 VAWT 의 설계 피치각(φ), 형상비 각도 등이 있다.
피치각, 트위스트 VAWT 의 성능
회전 도메인은 도메인은 대략 500,000
격자 수는 대략 언급하였듯이 대표적인
를 사용하여 유동해석을
회전도메인과, 그 회전도메인을 도메인으로 구분하여
회전 도메인 및 수치해석 계산
회전을 하게 고정 도메인의 각 time step 계산 된다. Fig 주위의 격자분포를
경계층이 생성되는 생성하여 보다 정확한 풍동실험 결과와 (2m
width× 2m 고려하였다.
Navier-Stokes 방정식이며 (Finite Volume Method)
유동조건하에서
(Reynolds Averaged Navier 지배방정식은 Newton 유체
식 (2)의 운동량
풍동실험도 동시에 수행 검증하고자 하였다. 풍동 (VAWT)는 익형 150mm 이며 전체 로터
로 형상비(L/D) 개의 동일한 익형
있는 형상이다 개략도를 Fig. 1
설계 변수로는 형상비(L/D), 솔리
. 본 연구에서는 트위스트 각이 변경됨
및 유동특성
도메인은 대략 1,500,000 500,000 개의 격자
대략 2,000,000 대표적인 유동해석
Sliding mesh 유동해석을 하기 위해서는
회전도메인을 둘러 구분하여 생성하여야 및 고정 도메인의
중 설정된 되는 회전 도메 도메인의 경계면은 time step 에서 두 도메인 . Fig. 2 의 오른편 격자분포를 나타낸 것이다
생성되는 영역은 정확한 결과를
결과와 비교하기
2m
height)를 전체
방정식이며 이산화 Volume Method)으로 유동조건하에서 해석이 수행
(Reynolds Averaged Navier 유체 조건에서 운동량 방정식으로
수행 풍동 익형 로터 (L/D)는
익형 형상이다.
1 에 변수로는 블
솔리 연구에서는
변경됨 유동특성 변
1,500,000 격자 2,000,000 개
유동해석 Sliding mesh 기
위해서는 둘러 생성하여야
도메인의 time 도메 경계면은
도메인 오른편 것이다.
영역은 정 결과를 얻 비교하기
전체 해
이산화 3 차
수행 (Reynolds Averaged Navier-
조건에서 식 방정식으로
Fig. 2
2.4
풍력터빈의 이드
시스템의 공력특성 서 정적으로 필요하다 용되어온 족하지 발되고 한 기존 본 기존 유동박리 비교적 따라서 2-equation 슬라이딩 하는 로 (3), 식
∂ ∂
∂ ∂
Fig. 2 Blade shape and analysis domain grid for flow analysis of Darrieus
j j
j j j
i u i i u i f
t x x x x
u u
∂ ∂ ∂
+ ∂ = − +
∂ ∂ ∂ ∂ ∂
2.4 난류모델 풍력터빈의 경우 이드 실속 현상 시스템의 출력이 공력특성 변화가 정확한 해석을 정적으로 처리할 필요하다. 현재 용되어온 표준 족하지 못한다.
발되고 있으며 k-ε 모델을 기존 연구에서
연구에 적합한지 기존 연구인 Wolfe 유동박리 후의 비교적 정확한 따라서 본 연구에서는
equation 난류모델인 슬라이딩 메쉬(Sliding mesh) 하는 로터 주위에서
해석하였다. RNG k (4)에 나타내었고 (5)에 나타내었다
( )
i
k ku
t
ρ
xρ
∂ + ∂
∂ ∂
k eff k b M k
j j
a G G Y S
x
µ
x ρε
∂ ∂
=∂ ∂ + + − − +
Blade shape and analysis domain grid for flow analysis of Darrieus-type VAWT
i i
u x
∂ =
∂ 1
j j
j j j
i i i i
i
u u f
t x x x x
u u p
ρ
∂ ∂ ∂
+ ∂ = − ∂ +
∂ ∂ ∂ ∂ ∂
경우 날개 끝 현상 등과 같은 출력이 큰 영향을 변화가 발생한다.
해석을 위해서는 처리할 수 있는
현재 많은 상용코드에서 k-ε 모델은
. 이에 수정된 상용코드인 지원하고 있다
적용한 수치해석 적합한지 검증한
Wolfe
(9)에서는 결과가 표준 예측이 가능하다고 연구에서는 RANS 난류모델인 RNG k
(Sliding mesh) 주위에서 발생하는
. RNG k- ε 난류모델 나타내었고 이와
나타내었다.
(
i)
i
k ku
t
ρ
xρ
∂ ∂
∂ ∂
k eff k b M k
j j
a k G G Y S
x
µ
x ρε
∂ ∂
=∂ ∂ + + − − +
Blade shape and analysis domain grid for flow type VAWT
=0
2
j 2 j
j j j
i i ui ui
u u f
t x x x x
p
ν
∂ + = − + ∂ − ′∂ +
∂ ∂ ∂ ∂ ∂
끝 와류, 후류 2 차 유동에 영향을 받게 되고
. 이러한 유동장에 위해서는 점성 저층
최적화된 난류모델들이 상용코드에서 가장
이러한 해석 수정된 k-ε 모델들이 상용코드인 FLUENT 내에도
있다. 앞서 언급하였듯이 수치해석 기법을
검증한 후 적용하고자 에서는 RNG k- ε
표준 k- ε 난류모델보다는 가능하다고 밝힌
RANS 방정식에
RNG k- ε 를 적용하였으며 (Sliding mesh) 기법을 적용하여
발생하는 현상을 비정상 난류모델 수송방정식 관련된 난류점성계수는
k eff k b M k
a
µ
G Gρε
Y S= + + − − +
Blade shape and analysis domain grid for flow
(1)
j j
j j j
i i i i
i
u u
u u f
t x x x x
∂ ∂ − ′∂ ′+
∂ ∂ ∂ ∂ ∂
(2)
후류 특성, 블레 유동에 대한 전체 되고, 블레이드 유동장에 대해 저층 영역을 안 난류모델들이 가장 많이 사 해석 조건을 만 모델들이 많이 개 내에도 다양 언급하였듯이 기법을 참고하여 하고자 하였다 난류모델의 난류모델보다는 밝힌 바 있다.
방정식에 기반을 둔 적용하였으며 적용하여 회전 비정상 상태 수송방정식 식 난류점성계수는
k eff k b M k
a G G Y S
= + + − − +
(3)
Blade shape and analysis domain grid for flow
)
)
블레 전체 블레이드 대해
안 난류모델들이
사 만 개 다양 언급하였듯이
참고하여 하였다.
의 난류모델보다는 . 둔 적용하였으며 회전 상태 식 난류점성계수는
)
t
( ) ρε
xρε
xµ
x∂ + ∂ = ∂ ∂ +
∂ ∂ ∂ ∂
1k k 3 b 2
C G C G C R S
k k
ε ε
여기서,
GGradients)에 내고
Gb 는 부력에 나타낸다.
Y창(Fluctuating Dilatation) 영향을 나타낸다
유효 프란틀 나타낸다.
상수인
C1 ε
2.5 수치해석 다리우스형 히 파악하기 에 기술된 일한 유속,
들의 출구방향으로의 그 외의 바깥
메인은 로터의 5D, 좌우상하 터 후방으로
변영역의 경계면에는 로 연결되어
람의 세기와 속도에 의한 드의 회전속도의 Tip Speed R
한 로터의 성능특성을 속도의 변경을
비는 풍속에 (6)과 같이 따른 출력계수로 서 주속비는 의 회전속도를 다.
TSR
(
i)
effi j j
u a
t
ρε
xρε
xµ
x∂ + ∂ = ∂ ∂ +
∂ ∂ ∂ ∂
1k ( k 3 b 2
C G C G C R S
k ε ε k ε ε
ε
+ −
ε− +
µ t
=ρ
Gk 는 평균
에 의한 난류운동에너지 부력에 의한
Y
M 은 압축성 Fluctuating Dilatation) 나타낸다.
ak 와
프란틀 수(inverse effective Prandtl
S
k ,
Sε 는
1 ε =1.42,
C2 ε =1.68 수치해석 경계조건 다리우스형 VAWT 의
파악하기 위한 수치해석의 것과 같이
, 출구조건은 출구방향으로의 구배가
바깥 면은 Wall 로터의 직경(D)을 좌우상하 방향으로는 후방으로 7D 의 크기를
경계면에는 각각의 연결되어 있다. 블레이드 세기와 방향은 불어오는
의한 상대속도로 회전속도의 관계는
Ratio)로 표현된다 성능특성을 변경을 통하여 풍속에 대한 블레이드
정의된다. 로터의 출력계수로 나타낼
는 고정된 풍속 회전속도를 변경함으로써
Tip Speed R TSR = Wind Velocity = U
i eff
i j j
u a
t
ρε
xρε
x ε µ
x ∂ + ∂ = ∂ ∂ +
∂ ∂ ∂ ∂
) 2
1k k 3 b 2
C G C G C R S
k ε ε k ε ε
ε
+ −
ρε− +
k
2
C
µ
µ ρ
=
ε 평균 속도구배 난류운동에너지의
한 난류운동에너지 압축성 난류 내에서 Fluctuating Dilatation)이 전체 소산율에
와
aε 는 각각 inverse effective Prandtl
사용자 정의
2 =1.68, C µ =0.0845 경계조건
의 토크 및 파워특성을 수치해석의 경계조건은
적용하였다.
출구조건은 압력을 제외한 구배가 없는 all 조건을 주었으며
을 기준으로 으로는 풍동사이즈
크기를 가진다.
각각의 Interface 블레이드 표면에
불어오는 풍속과 상대속도로 결정된다.
관계는 무차원수인 표현된다. 다양한 분석하기 위해
주속비를 조절하였다 블레이드 끝 단의
로터의 출력성능은 나타낼 수 있으며
풍속 12m/s 를 변경함으로써 그 범위를
Tip Speed R Wind Velocity U
= =
ωi eff
i j j
t x x x
ε
∂ + ∂ = ∂ ∂ +
∂ ∂ ∂ ∂
2
C G C G C R S
k ε ε k ε ε
ε
+ −
ε− +
속도구배(Mean Velocity 의 생성을 나타 류운동에너지의 생성을
내에서 불규칙한 소산율에 미치는 각각
k와
ε의
inverse effective Prandtl Number) 정의 소스 항이다
=0.0845 이다.
파워특성을 정확 경계조건은 Fig
. 입구조건은 제외한 다른 변수 없는 Outflow 조건
주었으며 전체 기준으로 로터 전방으로 풍동사이즈(2m×2m),
. 회전부분과 Interface 경계조건으 표면에 작용하는
풍속과 로터의 회전 . 풍속과 블레이 무차원수인 주속비(TSR:
다양한 주속비에 위해 로터의 회전
조절하였다. 주속 단의 속도로서 출력성능은 주속비 있으며 본 수치해석에
를 기준으로 로터 범위를 결정하였
Tip Speed R Wind Velocity U
ω
∞
× (4)
(5) (Mean Velocity 나타 생성을 불규칙한 팽
미치는 의 역 Number)를 이다.
정확 Fig. 3 입구조건은 균 변수 조건, 전체 도 전방으로
2m), 로 회전부분과 주 경계조건으 작용하는 바 회전 블레이 TSR:
주속비에 대 회전 주속 속도로서 식
주속비에 수치해석에
로터 결정하였
(6)
Fig. 3
Fig. 4
2.6 본 낸 의
최대속도는 풍동에서 여 측정하기 의
manometer 링
은 미터에 RPM 통해 풍속에 강제적인 된다 버터에 만들어진 크 켜
Fig. 3 Rotational direction, approach flow and ambient boundary condition of Darrieus
in numerical analysis
Fig. 4 Measurement System and Darrieus experiment model used for wind tun
2.6 풍동 실험 본 연구의 실험 부산대학교 크기는 2.0m 최대속도는 23m/s 풍동에서 생성되는
이에 대한 측정하기 위한 중간높이인 manometer (FCO12)
할 수 있도록 블레이드 축에 미터에 그 힘을 RPM 은 광학센서에서 통해 실시간으로 풍속에 도달하게 강제적인 제동력을 된다. 이와 같이 버터에 연결된 만들어진 데이터측정
미터에서 얻어진 블레이드 출력을
Rotational direction, approach flow and ambient boundary condition of Darrieus
in numerical analysis
Measurement System and Darrieus experiment model used for wind tun
실험
실험에 사용된 개방형 경계층 2.0m×2.1m×20m(
23m/s 이다. 우선 생성되는 바람의
측정과 분석이 피토 튜브는
1m 지점에 (FCO12)를 이용하여 있도록 하였다. 풍동에서
축에 회전력을 힘을 전달하게 된다 광학센서에서 신호를 실시간으로 측정된다.
도달하게 되면 파우더브레이크를 제동력을 가해주어
같이 실험을 실시하는 PC 를 통하여 데이터측정 전용프로그램을
얻어진 신호를 출력을 얻어내었다
Rotational direction, approach flow and ambient boundary condition of Darrieus-type VAWT used
Measurement System and Darrieus
experiment model used for wind tunnel experiment
사용된 풍동은 Fig 경계층 풍동으로써
20m(폭×높이×길이 우선 블레이드 바람의 유동정보를
분석이 선행되었다 튜브는 시험부 전방 지점에 설치하였으며
이용하여 실시간으로 풍동에서 생성되는 회전력을 가해주게
된다. 그리고 신호를 받아 데이터
. 풍속이 목표로 파우더브레이크를 가해주어 회전 수를 실시하는 동시에 통하여 Labview
전용프로그램을 이용하여 신호를 Voltage 형태로
얻어내었다. 결과분석에 Rotational direction, approach flow and ambient
type VAWT used
Measurement System and Darrieus-type VAWT nel experiment
Fig. 4 에 나타 풍동으로써 시험부 폭×높이×길이)이며 블레이드 실험 전, 유동정보를 얻기 위하
선행되었다. 풍속을 전방 5m, 터빈 설치하였으며, micro- 실시간으로 모니터 생성되는 바람 가해주게 되며 토크 그리고 회전량 즉 데이터 로거를 목표로 설정된 파우더브레이크를 조절하여 수를 조절하게 동시에 A/D 컨 Labview
®기반으로 이용하여 토 형태로 변환시 결과분석에 사용 Rotational direction, approach flow and ambient
type VAWT used
type VAWT
나타 시험부 이며
, 위하 풍속을
터빈 - 모니터 바람 토크
즉 로거를 설정된 조절하여 조절하게 컨 기반으로
토
변환시
사용
된 토크계수
이용하여 계산하였다
3.1 수치해석 Fig. 5 는 해석영역에서 나타내고 있다 내고 있으며 력계수를 나타낸다 형 VAWT
800mm 로 형은 NACA0015, 속은 12m/s 우스형 VAWT 서 2.0 사이에서 나타난다.
1.2~1.4 부근에서 약 0.23 이었 값을 기준으로 그림에서 TSR 계수가 포물선 1.2 보다 낮은 가 나타난다 필요한 회전 로 설명할 수 력은 블레이드의 블레이드의 력으로 인해 얻게 된다.
터의 회전속도가 격이 길어지기
지 못하여 출력계수가 단된다. 이러한 약간의 차이는 게 나타났다 수를 변경하여 비교적 정확한 있다. 본 연구에서는 위해 우선 3
인 블레이드의
토크계수(C
Q), 출력계수 계산하였다.
Q 0.5 C =
C = P
3. 결과
수치해석 및 실험결과의 풍동실험과 해석영역에서 모사하여
있다. 그림에서 있으며, 수직 축은
나타낸다. 비교를 VAWT 의 길이는
형상 비(L/D) NACA0015, 코드길이는 12m/s 으로 설정하였다
VAWT 의 성능곡선은 사이에서 최대값을
. 본 연구결과에서는 부근에서 나타났으며 이었다. 특히, 풍동실험에서 기준으로 흥미로운
TSR 이 1.2 보다 포물선 형태로
낮은 영역에서는 나타난다. 이는 다리우스
회전 구동력의 수 있다. 다리우스 블레이드의 자체적인
풍 하중 평형에 인해 로터가 1/3
. 그런데 주속비가 회전속도가 느려지고 길어지기 때문에
출력계수가 이러한 수치해석 차이는 있으나
나타났다. 따라서, 다리우스 하여 도출되는 정확한 최적형상
연구에서는 수치해석 3 차원 해석으로만 블레이드의 비틀림각
출력계수(C
P)는 식
0.5 2
Q
ρARV ∞
=
0.5 3
P
ρAV ∞
=
결과 및 토의
실험결과의 비교 동일한 조건을 모사하여 그 결과를
그림에서 수평축은 축은 다리우스형
비교를 위해 사용된 600mm 이며 (L/D)는 0.75 이다 코드길이는 150mm
설정하였다. 본 연구에서의 성능곡선은 TSR
최대값을 가지는 연구결과에서는 최대
나타났으며, 이 풍동실험에서 흥미로운 결과를
보다 높은 영역에서는 형태로 감소하는데
영역에서는 급격한 출력계수 다리우스 VAWT
주된 힘인 양력의 다리우스 VAWT 자체적인 양력뿐만
평형에 의해 만들어지는 1/3 회전 할 때마다 주속비가 낮은 느려지고, 추진력을
필요한 순간에 급격히 낮아지는 수치해석 결과는 실험결과에
전체적으로 다리우스 VAWT 도출되는 수치해석
최적형상 설계가 가능하다고 수치해석 비용을 해석으로만 분석이 비틀림각 변수를 제외하고
식 (7), 식 (8)
2
3
토의
비교.
조건을 3 차원 수치 결과를 서로 비교하여 수평축은 주속비를 나타 다리우스형 VAWT 의
사용된 다리우스 이며, 로터직경은 이다. 블레이드
mm 이며 입구풍 연구에서의 다리 TSR 이 대략 0.8
포물선 형태로 최대 출력이 TSR
때 출력계수는 풍동실험에서 TSR 이 1.2
나타내고 있다 영역에서는 출력 감소하는데 반해 TSR
출력계수의 감소 VAWT 가 회전하는데 양력의 크기변화 VAWT 의 회전 구동 양력뿐만 아니라 3
만들어지는 회전 때마다 추진력을
영역에서는 추진력을 얻는 시간간
순간에 추진력을 낮아지는 것으로
실험결과에 비해 전체적으로 상당히 유사하 VAWT 의 설계변 수치해석 결과만으로도
가능하다고 할 비용을 절감시키기 분석이 가능한 변수 제외하고 나머지 (8)을
(7)
(8)
수치 비교하여
나타 의 출 다리우스 로터직경은 블레이드 익
입구풍 다리 0.8 에 형태로
TSR 출력계수는 1.2 의 있다.
출력 TSR 이
감소 회전하는데
크기변화 구동 3 개 회전 추진력을 영역에서는 로
시간간 추진력을 얻 것으로 판 비해 유사하 설계변 결과만으로도
할 수 절감시키기 변수 나머지
Fig. 5
변수들에 며, 고 서 3.
다리우스 향을 지 력계수로 직경 타내는
여기서 Fig.
3 가지 의 로터의 주속비 200mm 가장 나 가 가 러한 레이드 중에서 빠른 하는 배적으로
Fig. 5 Comparison of three results and
변수들에 대해서 , 각 변수들의 최적 형상 설계를 논의하고자
3.2 다양한 코드길이에 다리우스 VAWT 향을 주는 코드길이
않고 Fig. 6 력계수로 나타내었다 직경(D)에 대해 타내는 것으로
σ
여기서, N 은 . 6 에서 코드길이는 가지 경우로 비교해서
직경은 740mm 로터의 솔리디티는 주속비의 크기가 200mm 인 로터 가장 높은 토크
주속비의 크기가 100mm 인 로터 가장 높은 토크 러한 결과는 주속비 레이드 회전속도에 중에서 양력이 빠른 블레이드 하는 힘은 항력이 배적으로 작용하는
Comparison of three-dimensional numerical analysis wind tunnel experiment results
대해서 모두 2 차원 변수들의 유동 특성
설계를 수행하였다 한다.
코드길이에 따른 VAWT 의 설계변수 코드길이 변화를
6 과 같이 주속비 나타내었다. 여기서
대해 날개가 차지하는 식 (9)와 같이
(
solidity)
σ
블레이드 개수
코드길이는 100mm, 150mm, 200mm 비교해서 나타내었다
740mm 이다. 각 솔리디티는 0.41, 0.
크기가 2 이하일 로터(즉, 솔리디티가
토크 및 출력계수를 크기가 2.4 이상일
로터(즉, 솔리디티가 토크 및 출력계수를 주속비가 낮은
회전속도에 의해 블레이드에 양력이 지배적이지만
회전속도에 항력이 커지게 된다 작용하는 경우에는
dimensional numerical analysis wind tunnel experiment results
차원 해석을 특성 및 경향성 수행하였다. 이는
따른 성능예측 설계변수 중 솔리디티에 변화를 로터직경을
주속비에 대한 여기서, 솔리디티
차지하는 길이의 같이 정의된다
)
N csolidity
D
= ×
개수, c 는 코드길이이다 100mm, 150mm, 200mm
나타내었다. 여기서 각 코드길이에 , 0.61, 0.81 이다 이하일 경우에 솔리디티가 가장 높은
출력계수를 나타내었다 이상일 경우에는 솔리디티가 가장
출력계수를 나타내었다 낮은 영역의 경우
블레이드에 작용하는 지배적이지만 주속비가 회전속도에 의해 블레이드에
된다. 따라서 경우에는 코드길이가
dimensional numerical analysis wind tunnel experiment results
수행하였으 경향성 분석 그리 이는 다음 절에
성능예측
솔리디티에 영 로터직경을 변화시키 토크 및 출 솔리디티(σ)는 로터 길이의 비를 나 정의된다.
(9) 코드길이이다.
100mm, 150mm, 200mm 의 여기서 로터 코드길이에 해당하는 이다. 그림에서 코드길이가 높은 로터)가 나타내었다. 그러 경우에는 코드길이 가장 작은 로터 나타내었다. 이 경우 낮은 블 작용하는 힘 가 높아지면 블레이드에 작용 따라서 양력이 지 코드길이가 긴 로터 dimensional numerical analysis
수행하였으 그리 절에
영 변화시키 출 로터
나
) . 의 로터 해당하는
그림에서 코드길이가 가 그러 코드길이 로터)
이 블 힘 높아지면 작용
지
로터
Fig.6 Torque and power coefficient variations according to changing
가 높은 출력계수를 작용하는 경우에는 저항으로 인해
3.3 다양한 솔리디티에
방법으로 코드길이를 하였다. 로터직경이 260mm 증가시킨 우에 대한
다. D=740mm, D=1000mm 각 0.81, 0.6
주속비 영역에서는 더 높은 효율을 는 반대로 D=740mm ( 율을 가지는
상인 영역에서 력효율을 나타내는 터의 회전축에
Torque and power coefficient variations according to changing chord lengths
출력계수를 가지지만 경우에는 코드길이가 인해 낮은 출력계수를 다양한 로터직경에 솔리디티에 의한 영향을
코드길이를 유지하면서 로터직경이 740mm 증가시킨 D 가
해석 결과를 . D=740mm, D=1000mm
0.6 이며 주속비 영역에서는 D=1000mm(
효율을 나타내며 D=740mm (σ
가지는 결과를 나타내었다 영역에서 로터 직경이
나타내는 것은 회전축에 작용하는
(a)
(b)
Torque and power coefficient variations according chord lengths
가지지만 항력이 코드길이가 긴
출력계수를 나타내게 로터직경에 따른 성능예측
영향을 알아보기
유지하면서 로터직경을 740mm 인 형상과
1000mm 인 결과를 Fig. 7 에서 . D=740mm, D=1000mm 의 로터의
주속비가 1.8 을 D=1000mm(σ 나타내며, 낮은 주속비
σ =1.6)인 로터가 나타내었다. 주속 직경이 큰 로터가 것은 로터 직경이 작용하는 토크가 더
Torque and power coefficient variations according
항력이 지배적으로 긴 로터가 더 나타내게 된다 성능예측
알아보기 위한 또 다른 로터직경을 변경 형상과 로터직경을
형상 2 가지 에서 확인할 수 로터의 솔리디티는
을 기준으로 높은
=1.2)인 로터가 주속비 영역에서 로터가 더 높은
주속비가 1.8 로터가 더 높은 직경이 증가하면
더 크게 발생하기 Torque and power coefficient variations according
지배적으로 더 큰 된다.
다른 변경 로터직경을
가지 경 수 있 솔리디티는 각 높은 로터가 영역에서
높은 효 1.8 이 높은 출 증가하면 로 발생하기
Fig. 7
때문이며 경향이다 티)의 나타내었다 가
1000mm 직경이 한 다.
3.
NACA 뒤 2 15 의 본 경우에 었다 수는
Fig. 7 Torque(a)
varying rotor diameters 때문이며, 이는
경향이다. 로터 의 경우 낮은
나타내었다. 로터직경이 1.8 일 때 최대 1000mm 인 로터는 직경이 740mm
영역에서 최대
3.4 다양한 두께 예측
NACA 익형에서 2 자리 숫자로 의 의미는 두께 연구에서는 경우에 대해 익형에 었다. 전체 TSR 수는 큰 차이를
(a)
(b) and power(b) varying rotor diameters
기존의 Gorelov 직경이 작은 낮은 주속비 영역에서
로터직경이 740 최대 출력을 로터는 주속비가 740mm 에 비하여
최대 출력을 나타내는
두께 비를 가지는 익형에서 블레이드
숫자로 확인할 수 두께 비(t/c)가
두께 비를 0.15, 0.18, 0.21 익형에 대한 영향을
TSR 영역에서 차이를 나타내지
(b) coefficient variations with varying rotor diameters
Gorelov
(2)의 연구와 작은 로터(즉, 높은 영역에서 더 높은 740mm 인 로터는
나타내지만 가 대략 2.5 주속비가 0.7
나타내는 것을
가지는 블레이드의 블레이드 두께 비는
있다. 즉, NACA0015 가 0.15 와 같은
0.15, 0.18, 0.21 영향을 Fig.
두께 비에 대한 나타내지 않았으나
coefficient variations with
연구와 비슷한 높은 솔리디 높은 출력을 로터는 주속비 로터직경이 2.5 일 때 로터 0.7 정도 증가 것을 알 수 있
블레이드의 성능 익형 번호의 , NACA0015 에서 같은 의미이다 0.15, 0.18, 0.21 로 3 가지 8 에 나타내 대한 출력계 NACA0015 coefficient variations with
비슷한 솔리디 출력을 주속비 로터직경이
로터 증가 있
성능 번호의
에서 의미이다.
가지
나타내
출력계
NACA0015
Fig. 8 Power ratio 익형이 주속비가 에 비해 전반적으로 속비가 높은
을 나타내는 (Fig. 12)인 NACA0021 게 된다. (Fig. 9 됨과 동시에 방향으로 블 커지는데 이러한 (NACA 0018) 를 유발하게 영역에서는 지는 것으로
3.5 다양한 예측 블레이드 고려된 피치각은 경우에 대해 10 에 나타낸 는 것이 양의 값으로 표현되었다 비가 1.6 에서 출력계수이다 -2°에서 가장 영역에서는
Fig. 12 는 블레이드가 의 방위각에
를 나타낸 것이다 이 0 ° 인 로 터 는
Power coefficient variations with varying thickness
주속비가 2 이상의 전반적으로 높은
높은 영역에서 NACA0015 나타내는 이유는 토크가
인 -60°< θ <60 NACA0021 익형의 받음각이
(Fig. 9 참조) 동시에 양력이 음
블레이드에 이러한 받음각의 0018) 또는 양력의
게 된다. 이로 두께비가 큰 것으로 판단된다.
다양한 피치각도를 블레이드 피치각에 의한
피치각은 -6°, -3°, 대해 그 영향을 나타낸 것과 같이
양의 값, 바깥쪽으로 표현되었다. Fig
에서 피치각이 출력계수이다. Fig. 11 에서
가장 높은 출력계수를 영역에서는 포물선 형태로
블레이드가 방위각에 대한 로터에
것이다 블레이드가 로 터 는 방 위 각 이
variations with varying thickness
이상의 영역에서
높은 효율을 나타내었다 NACA0015 가
토크가 높게 나타나는
<60°영역에서 받음각이 음의
여기서 받음각이 음의 값을 가지게 작용하는 힘 받음각의 변화는 양력의 크기 감소 이로 인해 TSR
큰 익형의 출력계수가
피치각도를 가지는 블레이드의 의한 영향을
3°, -2°, -1°, 0°, 3°
영향을 알아보았다 같이 피치각이 바깥쪽으로 향하는 . Fig. 11 에 나타난 피치각이 변화함에
에서 볼 수 있듯이 출력계수를 가지고
형태로 출력계수가 3 개인 경우와 로터에 작용하는 블레이드가 3 개인
방 위 각 이 0 ° 에 서 부 터
variations with varying thickness
영역에서 다른 두 익형 나타내었다.
(10)가 더 높은 출력 나타나는 방위각
°영역에서 NACA0018, 방향으로 커지 음각이 음의 값 가지게 되면 회
힘은 상대적으로 변화는 항력의 증가 감소(NACA 0021) TSR 이 2.0 이상인 출력계수가 낮아
블레이드의 성능 영향을 알아보기 위해 1°, 0°, 3°로 총 6 가지 알아보았다. 피치각은
피치각이 안쪽으로 향하 향하는 것은 음의 나타난 결과는 주속 따라 나타나는 있듯이 피치각이 가지고 그 이외의 출력계수가 낮아진다
경우와 1 개인 경우 작용하는 토크 토크변화 개인 경우 피치각 에 서 부 터 1 2 0 variations with varying thickness
익형
(10)
주 출력 방위각 NACA0018,
커지 값이 회전 상대적으로
증가 0021) 이상인
낮아
성능 위해 가지 Fig.
향하 음의 주속 나타나는 피치각이 이외의 낮아진다.
경우 토크변화 피치각 1 2 0 °
간격으로 대 Fig.
간격으로 순간적으로 대 토크와 최저토크간의
(a) Angle of attack
(b) Drag coefficient
(c)
9 Angle of attack, Drag coefficient and Lift coefficient
순간적으로 최대 최저토크간의
Angle of attack
Drag coefficient
Lift coefficient
Angle of attack, Drag coefficient and Lift coefficient at distinct azimuth
최대 토크를 가지지만 격차가 크게
Angle of attack (°) against azimuth
Drag coefficient against azimuth
Lift coefficient against azimuth
Angle of attack, Drag coefficient and Lift distinct azimuth
가지지만 최 크게 나타나 평 against azimuth
against azimuth
against azimuth
Angle of attack, Drag coefficient and Lift
최
평
Angle of attack, Drag coefficient and Lift
Fig. 10 Definition of pitch angle of the blade used in numerical
Fig. 11 Variations of power coefficients at varying pitch angles
균적인 토크는 게 나타난다 위각에 대해 드가 1 개인 는 방위각이 360°간격으로 있다. 여기서 대략 280°부근으로 토크가 나타나는 포를 나타낸다 서 가장 높은 방위각이 대략 비해 가장 에서 3 가지 이 변화
(11)를
위각인 0°부근에서의
Definition of pitch angle of the blade used in numerical analysis
Variations of power coefficients at varying pitch angles
토크는 피치각이 나타난다. 그리고 피치각이
대해 낮은 토크분포를 개인 로터의 방위각에 방위각이 0°~ 5°에서
간격으로 주기적인 여기서 가장 낮은
부근으로 보인다 나타나는 방위각에서의 나타낸다. 주속비가
높은 출력을 나타내는 대략 0°~60°인 높은 효율을 가지 피치 각에서의
를 보면 토크가 부근에서의
Definition of pitch angle of the blade used in analysis
Variations of power coefficients at varying pitch
피치각이 -3°인 로터에서 피치각이 3°인 토크분포를 나타내었다
방위각에 대한 에서 가장 높은 주기적인 분포를 가지는
낮은 토크를 가지는 보인다. Fig. 13 은 방위각에서의 로터주위의
가 1.6 일 때 나타내는 이유는
인 영역에서 효율을 가지기 때문이다
각에서의 방위각에 토크가 가장 높게
받음각은 -
Definition of pitch angle of the blade used in
Variations of power coefficients at varying pitch
로터에서 가장 인 로터는 전 나타내었다. 블레이
대한 토크분포에서 높은 토크를 가지고
가지는 것을 알 가지는 방위각은
은 최대 및 최저 로터주위의 압력분
피치각이 -2 이유는 블레이드가 영역에서 다른 피치각에
때문이다. Fig 방위각에 대한 받음각
높게 나타나는 -20° 정도이다 Definition of pitch angle of the blade used in
Variations of power coefficients at varying pitch
가장 높 전 방 블레이 토크분포에서 가지고
알 수 방위각은 최저 압력분
2°에 블레이드가
피치각에 Fig. 14
받음각 나타나는 방 도이다.
Fig. 12
주속비가 증가함으로 (절대값 피치각 을
3.
비틀림각에 성은
틀림각 수행될 급 되었으며
1,600mm, 1,800mm, 차원
0°(A0), 10 와
Fig. 12 Variations torque at varying pitch angle at distinct azimuth. (a) All blades are installed. (b) One blade is installed
주속비가 커지게 증가함으로 블레이드에
절대값)는 최적의 피치각의 조절을
것으로 판단된다
3.6 다양한 비틀림 능예측
비틀림각에 의한 성은 2 차원 해석으로는 틀림각 변화에
수행될 수 밖에 다리우스형 되었으며 길이, 1,600mm, 1,800mm, 차원 해석을 위해
(A0), 10°(A10), 20 30°를 Fig. 1
(a) All blades are installed
(b) One blade is installed
Variations torque at varying pitch angle at distinct azimuth. (a) All blades are installed. (b) One blade is installed
커지게 되면 블레이드 블레이드에 작용하는 최적의 받음 각
을 통해 더 높은 판단된다.
비틀림 각을 의한 다리우스형 해석으로는 가능하지
대한 성능 특성은 밖에 없다. 해석을
VAWT 형상은 , 로터직경, 그리고 1,600mm, 1,800mm, 그리고
위해 블레이드에 (A10), 20°(A20), 30
15 에 그림으로
All blades are installed
One blade is installed
Variations torque at varying pitch angle at distinct azimuth. (a) All blades are installed. (b) One
블레이드 의 회전속도 작용하는 받음각의
각보다 감소하게 높은 출력을
가지는 블레이드의 다리우스형 VAWT
가능하지 않다 특성은 3 차원 해석을 위해 사용된 형상은 NACA0018
그리고 코드길이는 그리고 200mm 이다 블레이드에 적용된
(A20), 30°(A30)이고 그림으로 나타내었다 All blades are installed
One blade is installed
Variations torque at varying pitch angle at distinct azimuth. (a) All blades are installed. (b) One
회전속도 가 받음각의 크기 감소하게 되는데 가질 수 있
블레이드의 성 VAWT 의 성능특 않다. 따라서 비 차원 영역에서 사용된 500W NACA0018 로 사용 코드길이는 각각 이다. 그리고 3 비틀림각은 이고 그 중에 0°
나타내었다. Fig. 16 Variations torque at varying pitch angle at distinct
azimuth. (a) All blades are installed. (b) One
가 크기 되는데
있
성 성능특 비 영역에서
500W 사용 각각
3 비틀림각은
°
6
Fig. 13 Blade torque appear
Fig. 14 Angle of attack on a blade at distinct azimuth
Blade’s position where maximum torque appear
Angle of attack on a blade at distinct azimuth
s position where maximum(a)
Angle of attack on a blade at varying p at distinct azimuth
(a) and minimum
at varying pitch angle and minimum(b)
itch angle
Fig. 15
Fig. 16
은 주속비 예측 범위는 내었다 이 다.
수치해석 제 수치해석 된다 미치지 에서는 지는
본 우스형
(a) 0°
Fig. 15 Three-dimensional Darrieus Blade with varying helical angle
Fig. 16 Variations of power coefficients at varying helical angle
비틀림각 변화에 주속비에 대해 예측 결과를 나타낸 범위는 0.8 에서 내었다. 본 연구결과
나타나며 그때의 . 이때의 출력은 수치해석 결과로는
풍력로터에서는 수치해석 결과값보다는 된다. 그리고 비틀림각이 미치지 않는 것을 에서는 오히려
지는 결과를 나타내었다
본 연구는 NACA 우스형 VAWT
°
dimensional Darrieus Blade with varying helical angle. (a) 0°, (b) 30°
Variations of power coefficients at varying helical
변화에 대하여 얻어진 다리우스형 나타낸 그래프이다 에서 2.4 까지 0.2
연구결과 주속비가 그때의 출력계수는 출력은 대략 980W 결과로는 높은 출력을 풍력로터에서는 기계적,
결과값보다는 낮게
비틀림각이 출력성능에는 것을 볼 수 있으며
비틀림각이 나타내었다.
4. 결
NACA 익형 블레이드가 VAWT 의 풍동실험
(b) 30
dimensional Darrieus Blade with varying . (a) 0°, (b) 30°
Variations of power coefficients at varying helical
대하여 각 로터에서 다리우스형 VAWT 그래프이다. 수평축의
0.2 간격으로 결과를 주속비가 2.0 일때 출력계수는 0.32 까지
980W 까지 발생한다 출력을 나타내었으나
, 전기적인 손실에 낮게 나타날 것으로
출력성능에는 있으며 낮은 주속비 비틀림각이 커질수록 효율이
론
블레이드가 부착된 풍동실험 및 수치해석에
(b) 30°
dimensional Darrieus Blade with varying
Variations of power coefficients at varying helical
로터에서 나타나는 VAWT 의 출력 수평축의 주속비 결과를 나타 일때 최대 출력 까지 나타났 발생한다. 본 나타내었으나 실 손실에 의해 것으로 예측 출력성능에는 큰 영향을 주속비 영역 효율이 낮아
부착된 다리 수치해석에 대한 dimensional Darrieus Blade with varying
Variations of power coefficients at varying helical
나타나는 출력 주속비 나타 출력 나타났 본 실 의해 예측 영향을
영역 낮아
다리
대한
연구를 수행하였다. 본 연구에서 설계변수를 다양 하게 변경함에 따라 다리우스형 VAWT 의 최대 출력이 나타나는 최적 형상을 제안하고자 하였다.
그리고 블레이드의 설계변수를 변경하며 나타나는 유동 특성 및 성능 특성 변화를 수치해석적으로 도출하였다. 본 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 솔리디티가 커지면 낮은 주속비 영역에서 높은 출력계수를 가진다. 하지만 높은 주속비 영 역에서는 블레이드의 회전속도가 증가함에 따라서 항력이 증가하게 되고 높은 솔리디티를 가지는 모 델이 더 큰 항력을 받아 낮은 출력계수를 나타낸 다.
(2) 익형의 두께 비는 발전기 성능에 큰 차이를 나타내지 않았으나, 주속비가 증가함에 따라서 받 음각의 변화가 발생하게 되고 익형에 작용하는 항 력이 커지거나 또는 양력의 변화에 의해 TSR 이 2.0 이상인 영역에서는 두께비가 큰 익형이 낮은 출력을 나타내었다. 따라서 NACA0015 익형이 높 은 주속비 영역에서는 가장 높은 효율을 나타내었 다.
(3) 피치각 변화에 대한 출력 성능에서는 주속 비가 1.6 이고 피치각이 -2° 에서 가장 높은 효율 을 나타내었다. 하지만 주속비가 변화하게 되면 최적의 피치각은 블레이드의 받음각의 변화와 함 께 변경될 것으로 보인다.
(4) 블레이드 비틀림각 변화에 대한 출력성능에 서는 비틀림각이 없는 형상에서 가장 높은 효율을 나타내었다. 성능적인 측면만 고려하면, 굳이 제작 하기 어려운 트위스트 된 블레이드를 산업현장에 서 고려하는 것은 합당하지 않지만 하중의 관점에 서 보면 트위스트 된 블레이드 형상이 비틀림이 없는 블레이드 형상보다 최대/최저 토크의 편차가 작음으로 인해 더 안정적인 VAWT 를 운전할 수 있을 것으로 판단된다.
후 기
이 논문은 2013 년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 입니다(NRF-2013R1A1A2005347). 또한, 2011 년도 지식경제부의 재원으로 한국에너지 기술평가원
(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.
(No.20114010203080)
참고문헌
