과풍속 출력 제한형 소형 풍력 발전장치 개발
Development of the Furling Control Type Small Wind Turbine System
최영철1,, 김철호1, 이현채1, 서영택2, 한용운3, 송정일4 Youngchul Choi1,, Chulho Kim1, Hyunchae Lee1, Youngtaek Seo2, Youngoun Han3, and Jungil Song4
1 (주)서영테크 기술연구소 (Technical Institute of Seoyoung Tech. Co.) 2 구미 1 대학 전기공학과 (Department of Electrical Engineering, Guml 1 Collage) 3영남대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Yeoungnam Univ.) 4창원대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Changwon Univ.)
Corresponding author:[email protected], Tel: 010-2513-0780 Manuscript received: 2011.11.28 / Accepted: 2012.3.20
In this study, a small wind turbine airfoil specialized for national wind condition was designed in order to develop the furling control type HAWT. And then a flow analysis was carried out based on the blade drawing which was designed to characterize of the developed airfoil. The result of the flow analysis showed that the torque on the 3 blades was 180.23N.m. This is equivalent to an output power of 5.66kw and an output efficiency of 0.44. Then we produced and constructed a 3kW - furling control type HAWT by getting the system unit design technology such as the specialized furling control device. By operating this turbine, we could get 3kW of the rated power at a wind speed of 10.5m/s through the ability test. Cut-in wind speed was 2m/s, generator efficiency was 92% at the rated power output. Sound power level was 87.2dB(A). Also we observed that the output power was limited to 10.5m/s with furling system operation.
Key Words: Furling Control (과 풍속 출력제어), Small Wind Turbine System (소형 풍력발전 장치), Airfoil (익형), Blade (날개), HAWT (horizontal axis wind turbine), Rated Power (정격출력), Cut-In Wind Speed (기동풍속)
1. 서론
2012 년부터 RPS 제도(renewable portfolio standards; 신 재생에너지 공급의무화제도)의 시행 과 함께 국제유가의 지속적 상승으로 인한 신 재 생에너지 보급확산 흐름 속에서 풍력에너지를 이 용한 발전보급 역시 급속히 증대되고 있다.1 풍력 발전은 발전용량에 따라 대형, 중형, 소형으로 구 분하는데 수 kW 급의 소형풍력 발전시스템(small wind turbine system)은 전력생산효과는 미약하나 저 비용으로 개인이나 자치단체가 설치하여 에너지 생산 및 절약효과를 직접 체험하거나 홍보 및 계 몽 등에 활용 할 수 있기 때문에 대형 시스템과는
달리 별도의 시장을 확보하고 있으며, 따라서 지 속적으로 독립적인 기술개발이 이루어지고 있다.
소형 풍력 발전시스템은 발전기 설치형태측면에서 수평축 풍력발전기(HAWT)와 수직축 풍력발전기 (VAWT)의 2 가지의 형태로 분류된다. VAWT 는 회 전자축이 지면에 수직으로 회전하는 형태로서 바 람의 방향에 관계없이 운전되는 특성이 있어 바람 을 추적하는 장치가 불필요하여 구조가 간단한 장 점이 있다. 그러나 시스템 전체 효율이 낮고, 저 풍속 자기기동(self- starting)이 어렵고, 발전기 수리 시 전체 시스템을 해체해야 하는 단점이 있다.
HAWT 는 회전축이 지면에 대해 수평으로 회전하 는 것으로 바람에너지를 최대로 받기 위한 바람추
적장치(yawing system)가 필요하나 지속적 기술개발 로 현재 가장 안정적인 고효율 풍력발전시스템으 로 인정받고 있다.2 풍력발전기 운용측면에서 최근 개발 추세는 계통의 상용전원과 연계(grid-tied)하여 운용하거나 배터리 충전을 통해 바람이 없을 때에 도 어느 정도 전기공급이 가능한 독립(grid-off) 운 용방식이 사용되고, 태양전지와 연계하여 운용되 는 풍력. 태양광 발전기, 디젤기관과 연계한 풍력. 디젤 발전기 등의 복합 발전 시스템이 개발되어 상용화 되고 있다. 그러나 국내 설치되는 풍력 발 전 시스템의 주요부품 중 바람의 에너지를 회전동 력으로 바꾸는 터빈 깃(turbine blade)은 대부분 해 외에서 수입되고 있으며 이는 개발 및 생산국가, 특히 유럽지역의 우수한 풍황 자원에 적합하게 설 계됨으로써 상대적으로 풍속 변화가 크고 발전 풍 속은 빈약한 국내에 그대로 적용할 경우 경제성 및 효율성이 저하되는 결과를 초래할 수 있다.3 특 히 소형풍력발전기의 설치장소는 사용자의 요구에 따라 도심지 등 풍황이 더욱 빈약한 내륙 어느 지 점이 될 수 있음으로 국내 내륙 풍황 자원에 적합 하게 개발된 풍력발전시스템의 설치가 필요하다.
현재 소형 풍력 발전의 주안점은 첫째, 주어진 풍 황 조건에서 최대출력을 얻기 위한 최적 형태의 익형(airfoil) 설계와 둘째, 이 익형의 요소이론을 3 차원으로 확장하여 최대출력을 낼 수 있는 저소음 Blade 의 설계 방법을 확립하는 것이고, 셋째는 풍 향 풍속에 따른 고효율의 제어 방법 및 제동장치 를 저비용으로 구현하는 것이다.
2. 설계 및 제작
2.1 풍력터빈의 설계 2.1.1 익형(airfoil)
본 연구의 익형 개발에는 미국의 국립 신재생 에너지 연구소(NREL)가 2004 년에 개발한 소형풍 력발전용 익형 6 종을 참조하였다. 이중 특히 저 풍속과 낮은 레이놀드 수(Re. No.)에서 받음각 (angle of attack) 변화에 일정한 양항비(Cl/Cd) 특성 을 보이는 SH3055 의 2 차원 익형4의 일부를 변형 하여 후비(thickness ratio)가 서로 다른 2 종류(SYB- R01, SYB-T01)의 익형을 개발하였다. 개발된 익형 은 SH3055 와 비교하여 Fig.1 에 도시하였고, 풍동 시험5(wind tunnel test)용으로 제작된 시편은 Fig. 2 에 시험 후 확보한 특성자료의 일부는 Fig. 3 에 나 타내었다.
Fig. 1 Airfoil Model Developed; SYB-R01, SYB-T01 With Comparison of SH3055 Airfoil
(a) SYB-T01 (b) SYB-R01 Fig. 2 Photography of Airfoil model used in Wind tunnel
Test
Fig. 3 Profiles of lift coefficients vs. Angle of attack
2 차원 정상상태의 공력실험을 위하여 Matched Cube 방식으로 수축 비 6:1 값으로 구성된 정체부 에 모여진 유동은 시험부가 1.2 x 0.9 x 3.3m 의 직 사각 단면을 지날 때 입구에서 난류비가 1% 이내 로 관측되는 최대 풍속이 25m/s 인 영남대학교 흡 입식 풍동을 사용하였으며 각각, 9.5m/s, 14.2m/s (ReD=100,000, 150.000)에서 실험을 수행하였다. 실 험에 사용된 동적저울은 스트레인 게이지를 활용 한 6 분력저울(Nissow; 3 방향 최대분력 각각, 20kgf) 을 사용하였다. Fig3 의 시험 결과에서 보듯이 개발 된 익형은 낮은 받음각에서는 SH3055 날개에 비하 여 비슷하거나 약간 우세한 양력 성능을 보인 것 으로 관찰되나 높은 받음각에서의 양력 특성은 다 소 열세인 것으로 관찰된다. 이는 풍차의 운전 각 도인 정풍에서 설계 회전수로 회전할 경우에는 우
수한 성능을 보이나 편향각(yaw angle)으로 부는 유동에 대하여 양력 성능이 다소 떨어짐을 의미한 다.
2.1.2 터빈 블레이드(turbine blade)
1865년 Rankin 에 의해 처음 기술되고, Floyd 에 의해 개량된 축 방향 운동량 이론(momentum theory)은 Rotor 에 작용하는 힘과 유체속도와의 관 계를 밝혀낸 것으로서 Turbine Rotor 의 이상적인 효율을 예상할 수 있게 한다. 1919 년 Betz 는 이 이론에 최소한의 에너지 손실을 위한 방안으로써 회전 후류의 영향을 포함시켰으며 1931 년 H.
Glaurt 는 이 운동량 이론과 익요소 이론(blade element theory)을 결합하여 Blade wake 수축 (contraction of the blade wake)은 무시하더라도 반경 방향의 유동에 의한 운동량 손실을 수정함으로써 Blade 설계를 위한 분석방법의 좋은 예를 제시하 였다. 이후 여러 학자들 6-9에 의해 Blade 익단에서 발생되는 2 차류가 원인이 되어 출력효율을 저하 시키는 익단 손실을 계산하기 위한 많은 이론이 제시되었다. Wilson, Lissaman, Walker, de Vries 등은 L. Prandtl 이 운동량 이론을 바탕으로 전개한 프란 틀 함수(Prandtl function; momentum loss factor)에 역 시 운동량 이론에서 제시된 Rotor 축 방향 및 접선 방향 간섭인자(axial & rotation interference factor)를 각각 곱함으로써 풍력터빈의 공기역학적 성능과 거동을 보다 상세히 기술하는 방법을 제시하였 다.10 본 연구에 적용된 Blade 설계방법은 이 방법 으로 정립된 간이설계법11,12상의 절차를 활용하였 다. 설계에 사용된 HAWT 의 제원은 Table 1 과 같 다.
Fig. 4 Interpolation of Twist Angle for Blade Design in This Study
Table 1 Specification of HAWT Developed in this Study Output
Power
Rotor Diameter
Number of Blade
Rated in Wind Speed
Tip speed ratio 3kW 4.35m 3 12m/s 5.8
Fig. 5 Extraction of Flow field for Flow Analysis 특히 Blade Tip 부근에서 발생되는 소음을 감소 시키기 위해 고속회전 시 Fig. 6 의 (b)에서 보는 것처럼 Tip 의 π/2 영역에 걸쳐 c/t (chord/ thickness) 비는 일정하면서 시위길이가 비례적으로 감소하 게 배열하여 유속의 고속영역을 완만히 해줌으로 써 소음을 줄이는 방식을 채택하였다. 설계 자료 는 Fig. 4 에서 처럼 선형보간법(linear interpolation) 을 이용하여 설계치수화하고 이로서 맞바람타입 (upwind type) 3개 Blade HAWT 3D 도면을 작성하 였다. 작성된 도면을 활용하여 ANSYS Design Modeler 13.0 Software를 사용하여 유동해석에 필요 한 유동장을 생성 및 수정하였고, 해석에는 열·유 체 해석 상용 프로그램인 ANSYS CFX 13.013을 사 용하였다. 유동 해석결과 3 개의 Blade 에 대한 Torque 값은 180.23 N·m 로 나타났으며 이를 동력 으로 환산하면 5.662 kW 이고, 따라서 발전 효율은 0.44가 된다. Fig. 5 는 수평축 풍력발전기의 형상 과 유동해석용 모델을 나타낸다. 풍력발전기는 3 개의 Blade 가 허브에 부착된 형상이나 회전주기 형상이므로 유동해석 모델은 Blade 1 개를 포함하 는 120° (1/3)의 유동영역을 모델로 하였다. 해석 의 안정성과 정확성을 고려하기 위하여 상류부분 과 하류부분의 유동영역을 Fig. 5 와 같이 Blade 직경 기준으로 각각 4D, 8D, 높이 방향으로 4D 확장하였다. 유동해석을 위한 공간 격자계는 허 브 영역의 일부를 제외하고는 Hexa. 격자계로 구
성하였으며, 전체 형상 대비 1/3 형상에 대하여 격 자를 생성하였다. 격자수는 약 2,870,000 Node 이며, Blade 주변에 격자가 밀집하도록 설정하였다. Table 2 에는 본 해석에 사용된 격자와 요소 수를 표시 하였다.
Table 2 Number of Nodes & Elements used Flow Analysis
Number of nodes 2.87 × 106
Number of Elements
Total : 3.21 × 106 Tetrahedra : 3.2 ×104 Wedges : 8.27 × 105 Hexahedra : 2.36 × 106
Fig. 6 Velocity Distribution Contour in Rotor Disc Developed in this Study
Fig. 6(a)는 풍력발전기의 Rotor Disc 면에서의 속 도분포를 나타내고 있다. 속도분포는 leading edge 에서 전체적으로 높은 속도분포 경향을 보이며, Root 부근에서 Tip 중간영역까지는 trailing edge 에 서 고속도분포를 가진다. Fig. 6(b)에서처럼 Blade Tip 영역을 통과한 유동이 가장 빠른 속도 분포를 가진다. 특히 점선부분은 속도가 80 m/s 이상을 가 지는 영역을 표시한 것이다. Fig. 7 은 Blade 표면의 압력분포를 나타낸 것으로써 압력면에서의 압력분 포는 leading edge 를 제외한 나머지 영역에 대하여 큰 압력차를 보이지 않으나, 흡입면에서의 압력분 포는 Root 부근 영역으로 갈수록 높은 압력차를 보 이고 있다. 압력면과 흡입면의 압력차이는 Blade 의 동력발생원이 되며 주로 허브(0 %)에서 팁 (100 %)까지의 전체 영역 중 70 %이상에서 대부분 의 동력이 발생한다. Fig. 8 는 Blade 표면상에 유선 을 표시한 것이다. Root 부근의 압력면에서는 일부 영역에서 역구배 유선이 발생한다. 그러나 Tip 영 역으로 갈수록 이러한 역구배 유선은 발생하지 않 으며, 풍력발전기의 회전방향과 동일한 방향으로
유선이 형성된다. 그러나 흡입면의 경우, Root 부근 영역에서 Tip 영역까지 역구배 유선이 넓게 분포하 며 이는 일반적인 풍력터빈 전용 익형 등을 사용 한 Blade 와는 다른 경향을 보여준다.
Fig. 7 Pressure distribution on Rotor Section Plane
Fig. 8 Streamline distribution on Turbine blade Table 3 Design elements of Wind Turbine Blade adapted
in this Study Radius
[m]
(λ) Tip speed Ratio
(Φ) Inflow angle[°]
(β) Twist angle[°]
(C) Chord length[mm]
B A B A B A
0~0.3 1 30 12.5 27 9.5 420 245 0.3~0.6 2 17.7 10.6 14.7 7.6 297 212 0.6~0.9 3 12.2 8.7 9.2 5.7 210 179 0.9~1.2 4 9.4 5.8 7.4 3.8 169 146 1.2~1.5 5 7.54 3.9 5.54 1.9 136 113 1.5~1.8 6 6.3 2 4.3 0 114 80 1.8~1.83 Tip Style:
Round type
0 60
1.83~1.86 0 40
1.86~1.89 0 20
B: Before Interpolation, A: after Interpolation 그리고 해석된 결과의 압력데이터를 구조해석 의 하중으로 적용하여 단 방향 유동-구조 연성해
석(uni-directional fluid-structure interaction) 을 수행하 였다. 이를 통하여 각 물성데이터의 항복 강도를 기준으로 안전성을 평가하였고, 설정한 기준에 적 합한 결과가 도출 될 때까지 보간(interpolation)을 조정하고 해석을 반복하여 Rotor Blade 설계를 최적 화 하였다. 이 결과는 Table 3 에 도시하였다.
2.1.3 제어 및 제동장치
맞바람 형(upwind type) 소형 HAWT 는 타워에 의한 풍속의 손실이 없고 풍속변동에 의한 피로하 중과 소음이 적은 반면, 풍향 추종용 꼬리날개(tail vane)를 이용한 요잉 시스템(yawing system)이 필요 하다. 그러나 식(1)에 나타낸 꼬리부분의 위치에너 지(potential energy)변화가 발생시키는 모멘트 (moment)와 Rotor 의 추력(thrust force)이 만드는 Moment 의 평형을 이용하면 저비용, 고효율의 과 풍속 회피(furling control)방식을 통한 제동장치를 구현할 수 있다.
(1)
본 연구에 적용된 ㈜서영테크가 특허 출원(출 원번호;10-2010-0138699)한 개선된 과풍속 회피 (furling control with over wind-speed) 방식은 이러한 종전의 Bergey 형14 Furling 방식에 식(2)과 같이 꼬 리날개의 면적효과를 추가하여 이들 2 요소의 상 호작용을 풍황에 맞게 조절함으로써 풍향추종 응 답기능과 Furling 의 정도(degree)를 향상시킨 방식 이다.
(2)
여기서, Ar : Rotor의 회전 면적 At : 꼬리부분 면적 Wt : 꼬리전체 무게 θ : 꼬리 Hinge 경사각
lc : Hinge에서 꼬리 무게중심 거리 la : Hinge에서 꼬리 면적중심 거리 do : Yawing 축의 Offset 거리 K : 풍황 상수(0.8~0.9)
v : 풍속, ρ : 바람(공기)의 밀도이다.
3. 제작 및 설치
3.1 Blade 제작
Blade 는 발전기성능에 큰 영향을 미치는 요소 로서 보통 Blade 길이가 10%증가하면 출력은 21%
증가하며, 길이가 길면 출력효율도 증가하는 경향 이 있다. 그러나 길이가 길면 질량이 증가하여 발 전비용이 증가함으로써 Rotor 의 적정지름을 산정 하기 위해서는 발전기 규모에 접합한 비용모델링 법(cost modeling method)을 적용할 필요가 있다.
Blade 의 재료는 구조적 하중특성, 재료성능 및 Design 과 수명을 고려한 재료를 사용하는데 이러 한 특성에 내식성 및 내약품성이 우수하여 대표적 으로 사용되는 것이 유리섬유강화 에폭시(GRE;
glass fiber reinforce epoxy) 재료이다. 본 연구에서는 이 재료를 사용하여 국내전문 제조업체(UNION COM)로부터 주문 제작하였다. 제조방법은 내부 Core 내 Glass sheet 및 Epoxy 수지를 사용하여 Hand lay-up 방식으로 1 차 보강 층을 형성하고 1 차 보강 층 위에 강도보강을 위한 Honey Comb 구 조의 보강 층을 형성한 후 2 차로 Glass sheet 및 Epoxy 수지를 사용하여 역시 Hand lay-up 방식으로 3 차 보강 층을 형성하였다. 이후 외부 금형 및 내 부 Core 를 제거하고 표면을 사상처리(grinding)한 후 내후성 페인트(weather resistance paint)로 도장 처리하였다. 제작에 사용된 목형 및 주형을 Fig. 9, 완성된 제품의 사진은 Fig. 10 에 나타내었다.
3.2 System 의 구성 및 설치
풍력발전은 사용가능 높이의 상시풍을 이용하 여 전력을 생산함으로 요구되는 높이의 타워를 설 치하는 장치산업과 발전기 및 제어장치가 포함되 는 나셀(nacelle)부분, 바람을 회전에너지로 변환시 키는 Turbine Blade 의 3 부분으로 대별된다.
Fig. 9 Blade mockup & Mold Designed in This Study 본 연구의 소형 HAWT 시스템 구성에 사용된 발전기는 ㈜서영테크에서 생산 판매하는 300rpm 3kW 발전기(model 명; SYG-410-R-3000-300 )이다.
Fig. 10 Photograph of a complete Blades Designed in This Study
이 AFPM(Axial flux Permanent Magnet) AC 발전 기는 공극면이 회전축과 직교하는 형태이며, 공극 내에는 축과 평행한 방향의 자속이 발생 한다. 회 전자는 Disc 형의 원판에 24 개의 영구 자석(Nd-Fe- B)이 부착된 형태로서, 고정자 양쪽 측면에서 자 기회로를 구성하고 있다. 따라서 이 회전자가 저 속형에 적합함으로 기어를 사용하지 않고 직접 (direct drive)구동형으로 사용할 수 있는 형태이다.
본 연구에서 개발된 풍력발전 시스템 구성 부품은 Fig 11에 도시한 바와 같으며 조립 절차는 다음과 같다. 1) 먼저 발전기 Cover(Fig. 11 의 c; 이하 Fig.
11)에 Blade 고정용 감자(hub; a)를 부착하여 준비 한다. 2)제작된 Nacelle Frame(d) 보스(boss)에 발전 기 축을 장치하고 1)의 고정용 감자(hub)에 Blade 를 부착 고정한다. 3) Nacelle Base Frame 끝단에 풍 향 추종 및 과풍속 회피 및 제어장치인 꼬리 부분 (f)을 장착하고 Cover(e) 및 Cap(h)를 덮어 조립함 으로써 Tower(g) 위에 장치할 Nacelle 및 Blade 조 립을 완성하였다. 본 연구에서 개발된 풍력 발전시 스템은 경상북도 구미시 동락 공원 내 설치하였다.
Tower 의 모델은 부품의 교체가 비교적 수월한
Fig. 11 Assembly Drawing of 3kw Small HAWT
플랜지 결합형(flange joint type) 구조용 강관을 사용 하였고, 시공은 Tilt–up 방식을 적용하였다. 본 연구 에서 설치한 풍력 발전기는 발전기가 포함된 3 매 Blade Rotor 의 지름이 4.35m, 꼬리부분을 포함한 전체중량은 2.65 kN (270 kg)의 규모를 가진다.
지표면에서 Rotor 회전축까지 거리는 12m 이며 Rotor 축 높이에서 최대설계 풍속(건축물 하중 기 준에 따른 10 분 평균풍속)60m/s 를 적용하였다.
Fig. 12 의 (a)는 설치과정, (b)는 설치 완료 후 사진이다.
(a) Assembly process (b) complete HAWT System Fig. 12 Photograph of Assembly Process & Complete
HAWT
4. 시운전 결과
4.1 출력(output power)
본 연구에서 개발된 HAWT 에서 발생한 전력 은 일종의 분산전원으로 가로등의 전원 혹은 가정 용 보조전원으로 사용할 수 있다. 가로등의 경우 바람자원이 충분할 때 충전제어기(DC/DC 컨버터) 를 이용하여 배터리에 충전한 뒤 야간에 전원을 사용할 수 있으며 이를 독립 형(off-grid) 시스템이 라 부른다. 또한, 1kW 급 이상의 소형풍력 발전기 의 경우 충전할 때 대용량 배터리가 요구되므로 계통연계 방식이 유리하며, 이를 위해서는 계통연 계 형 인버터(grid-connected inverter)가 필수적이다.
본 연구에서 개발된 풍력발전기의 경우 풍속에 따 라 발전기의 회전수가 변화하고, 이는 출력전압의 변화로 이어진다. 풍력용 계통연계인버터의 구조 는 태양광 Inverter 와 Hardware 적으로 동일하지만, 풍력발전의 경우는 Dynamic System 이므로 Blade 와 발전기의 특성을 고려하여 출력특성을 프로그램 하여야 한다.
Fig. 13 은 풍력용 계통연계 인버터의 MPPT (maximum power point tracking) 프로그램 화면이다.
이 프로그램에 의해 풍속에 따른 발전기 출력이 발전전압에 대한 출력으로 변환되어 입력된다.
Fig. 13 MPPT Program Display of Grid tide System
Fig. 14는 계통연계 인버터의 출력 전압과 전류, 전력 파형을 측정한 결과이다. 이를 통해 풍력 발 전기에서 계통으로 전달되는 전력의 품질을 알 수 있다. Fig. 14 의 전압과 전류파형에서 보듯이 위상 각이 5 도 이내로 역률 99%이상으로 운전됨을 알 수 있다. 교류전력 시스템에서는 직류와 달리 전 력도 교번하는 정현파이고, 계통주파수의 2 배인 120Hz 가 되고, 이 파형의 평균치가 유효전력 (active power)에 해당한다.
Fig. 14 Voltage(V), Electric current(A), Power(P) in Grid tied System
(a) 6.8m/x (b) 10m/s (c) 11m/s Fig. 15 Wind Turbine Output Data V(upper), A(middle),
P(low)) According to Wind speed (V: voltage, A:
electric current, P: power)
Fig. 15는 시운전 상태에서 풍속의 변화에 따른 Inverter Display 에 나타난 출력, 전류, 전압의 사진 을 보여준다. Fig. 15 에서와 같은 출력 Data 와 이 때 측정된 풍속(측정기간: 2011. 6.30 ~2011. 10.30)을 사용하여 그래프를 도시한 결과, Fig. 16 과 같은 출 력결과를 얻었다.
Fig. 16 HAWT Output Curve According to the Wind speed
Fig. 16에서 보는 바와 같이 풍속이 10m/s 때까 지는 기계적 효율을 포함하여 0.35 를 상회하는 효 율로 운전되고 있으며, 정격출력인 3kW 이상부터 는 제어시스템(furling system)에 의해 출력이 잘 제 어되고 있음을 알 수 있다. 이로서 본 연구에서 개발된 소형 HAWT 는 매우 양호한 출력특성과 제 어기능을 갖고 있음이 증명되었다.
4.2 소음(noise)
풍력발전의 선진국인 유럽의 경우에서 알 수 있듯이 풍력발전의 광범위한 보급을 위해 꼭 해결 되어야 할 부분이 소음공해방지이다.15 따라서 본 연구에서는 연구결과로 개발 설치된 3kW 급 HAWT 을 대상으로 풍력발전기 소음 실증의 방법 및 절차를 규정한 국제규격 IEC61400-1116이 정한 바에 준하여 소음을 측정하였다. 소음측정 기준 위치는 Tower 하부 중심을 기준으로 Tower 의 높이 (h=12m)에 Rotor 의 반경(R=2.175m)을 더한 직선 거리만큼 떨어진 지점이며, 이 지점은 주위 장애 물이나 지형에 의한 유동의 왜곡 현상이 발생하지 않는 곳으로써 Rotor 정면을 기준으로 -180˚~
+180˚ 영역에 각 90˚ 간격으로 4 개 지점을 선 정하였다. 이후 각각의 위치에서 8±2.5m/s 범위의 풍속일 때, 겉보기 음향수준을 음향측정기 (digital anemometer AR826 ; Intell Instruments co.)17를 사용하
여 소음을 측정하였다. Fig17 의(a)는 Rotor 정면 위 치에서 측정된 6±0.5m/s 풍속대의 소음 측정치 이 고, Fig. 17 의 (b)는 10±0.5m/s 풍속 대에 표시된 소음측정장치 화면사진이다.
(a)Nose of 6±0.5m/s State (b) Nose of 10±0.5m/s State Fig. 17 Measurement Data of Nose 6±0.5m/s & 10±
0.5m/s Wind Speed
Fig. 17에서 보듯이 측정결과는 49 db(A) ~ 61 db (A)범위 이다. 그리고 이 측정된 소음 Data 로부터 식(3)의 거리 감쇠식을 사용하여 음향파워수준을 구하였다.
(3)
여기서 LWA = 음향파워 수준 LAeq = 측정 소음수준 R1 =
h = Tower 의 높이 R = Rotor 의 반경 S0 = 1m2이다.
구해진 속도별 파워수준과 Lowson(식(4)), Hau (식(5))가 제의한 정격속도 하에서 단순 평가 모델 식(4)와 (5)에 의해 산출된 예측 값을 비교하여
(4)
(5)
여기서 PWT = 해당풍속일때, 출력 D = Rotor 의 지름이다.
Fig. 18에 나타내었다. Fig. 18 에서 보듯이 측정 Data 로 산출된 값이 단순예측 모델식으로 산출된 값과 유사한 적정수준임을 알 수 있다.
Fig. 18 Each Power Levels According to the Wind Speed 5. 결론
본 연구를 통하여 과 풍속 출력 제한 형 수평 축 풍력발전기의 상용화 개발을 위해 국내 풍황에 특화된 소형 풍력발전용 익형을 개발하였다. 개발 된 익형을 대상으로 풍동실험을 수행하여 Blade 설 계에 필요한 설계 자료를 확보하였다. Blade 간이 설계법으로 구한 설계 자료는 개발된 익형의 특성 에 맞춰 보간 (interpolation), 수정하여 설계 자료화 하였다. 작성된 Blade 도면을 토대로 유동해석을 실시한 결과, 3 개의 Blade 에 대한 Torque 값은 180.23 N·m 로 나타났으며, 이를 출력으로 환산하 면 5.662 kW, 입사된 바람 대비 출력 계수는 0.44 의 결과를 얻었다. 그리고 출력제어장치 등의 중 요부품 및 시스템 단위의 설계기술을 확보하여 시 제품 풍력발전시스템을 제작하여 설치하였고, 시 운전을 통해 특성시험을 수행하였다. 이 결과 풍 속 10.5 m/s 에서 3 kW 의 정격전력이 생산됨을 확 인하였다. 또한, 기동풍속 2 m/s, 정격출력 시 발전 기효율 92%이었고, 이 때 음향파워수준 87.2 dB(A) 임을 확인하였다. 또한 Furling System 의 동작으로 과풍속 시 출력이 제한됨을 확인하였다. 이로서 Coreless AFPM 발전기와 저 풍속 특성이 우수한 Blade 의 조합으로 비교적 저 풍속에서 구동이 가 능하여 한국형 풍향 특성에 맞는 고효율의 소형 HAWT 개발을 완료하였다.
후 기
이 논문은 한국산업단지공단에서 시행한 2010 년 생산기술사업화 지원사업(현장맞춤형 기술 개 발 부문)의 연구비 지원에 의해 작성되었습니다.
이에 감사드립니다.
참고문헌
1. Cho, B. H. and Lee, J. W., “Establishment of Remote Monitoring System for Wind Turbine Test Sites Based on Hierarchical Architecture,” J. of KSPE, Vol.
26, No. 9, pp. 81-87, 2009.
2. Lee, S. B., “A Study of Designing about Small Vertical Axis Wind Turbine System with Giromill Blades,” Yonsei University Press, pp. 2, 2008.
3. Korea Institute of Energy Research, “Low Speed Wind Turbine Blade Development,” 2006.
4. Selig, M. S. and McGranahan, B. D., “Wind Tunnel Aerodynamics Tests of Six Airfoil for Use Small Wind Turbine,” J. Sol. Eng., Vol. 126, No. 4, pp. 986- 1002, 2004.
5. Lee, E. H., Kim, J.-H., Park, B. H., Han, Y. O., Choi, Y. C., Kim, C. H., and Seo, Y. T., “Experiments on the Aerodynamic Behaviors of Two-Dimensional Wing used for the Wind Turbine with the Cyclic Angle of Attack,” Proc. of KSME Spring Conference, pp. 195-200, 2011.
6. Lysen, E. H., “Introduction to Wind Energy, Consultancy Services Wind Energy Developing Countries,” The Netherland, 1983.
7. Spera D. A., “Wind Turbine Technology,” ASME Press New York, 1994.
8. Born, M. and Wolf, E., “Principles of Optics 7th Edition,” Cambridge University Press, pp. 517-521, 1990.
9. Wilson, R. E., Lissaman, P. B. S., and Walker, S. N.,
“Aerodynamic of Wind Power Machines,” National Science Foundation, RANN, Grant No, G1-41840, Oregon University, 1974.
10. Wilson, R. E., Lissaman, P. B. S., and Walker, S. N.,
“Aerodynamic Performance of Wind Turbines,”
Oregon State University, 1976.
11. Griffiths, R. T. and Woollard, M. G., “Performance of the Optimal Wind Turbine,” Applied Energy, Vol. 4, No. 4, pp. 261-272, 1978.
12. Ushiyma S., Go, K. N., and Huh, J. C., “An Introduction to Wind Power Energy,” Munundang, pp.
139-148, 2006.
13. “ANSYS CFX Release Notes for 13.0,” 2011.
14. Bikdash, M., “Modeling and Control of a Bergey- Type Furling Wind Turbine,” NREL Wind Energy
Program Report, Deportment of Electrical Engineering, North Carolina A&T State Univ., 2002.
15. Rogers, A. L., “Wind Turbine Noise Issues,”
Renewable Energy Research Laboratory Center, 2004.
16. IEC 61400-11 2nd Edition, “Wind Turbine Generator system-part II: Acoustic nose measurement Techniques,” International Electro-Technical Commission, 2002.
17. Instruction Manual, “Sound Level Meter NL_32,”
Rion Co., Ltd., 2006.
