강원 해안지역의 저속형 소형 풍력발전터빈의 블레이드의 공력특성에 관한 연구 = A Study on the Aerodynamic Characteristics of Blades of Low Speed Small Wind Turbine in Gangwon Coastal Area

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wind power is a type of renewable energy, rich in resources, renewable, distributed in a wide range of areas, and clean. In addition, it is a spotlight as a promising alternative energy source in case of exhaustion of fossil energy in that there is no greenhouse gas emission during operation. This study was conducted to investigate the cause of blade breakage of low speed small wind power generator developed by YEC Co., Ltd. For this purpose, 3D modeling of the wind power generator was made based on the data of the wind power generator production of YEC Co., Ltd. Ansys Fluent, a commercial software, was used to investigate the effect of fluid flow behavior on the blade structure of the blade manufactured by YEC Co., Ltd.
In the case of a stationary rotor blade, the shape of the streamline around the blade is almost the same even if the incoming wind speed changes. At an angle of attack of 8°, vortices occur at the back of the blade, and at an angle of attack of 16°, there is a complex flow, but no vortex.
When the rotor-blade was rotating, no vortices of rotational form occurred only at the angle of attack of 16°, and vortices of rotational form appeared at other angles of attack. The shape of the pressure distribution on the rotor-blade surface when the rotor-blade rotates is very similar to that when stationary, but the size is very large.
When stationary, the acting force tends to increase exponentially as the incoming wind speed increases. Even when the rotor-blade is operating, it tends to increase exponentially with the increase of wind speed, and it can be confirmed that a greater force is applied than when the rotor-blade is stopped. However, there is a peculiar phenomenon that does not show an increase in force acting backward at 6~8 m/s wind speed.
In the case of a normal wind turbine generator, in the case of 5 m/s, the wake of the blade rotation occurs, but the wake of the rotation form appears far from the blade periphery. In the case of wind speed of 10 m/s, the wake of the rotating form is strongly shown around the blade, there is a complex speed distribution around the wind turbine such as nacelle rather than around the blade. In the wind speed of 20 m/s, the speed change along the blade airfoil is shown largely, it can be seen that the influence of the incoming wind speed is greater than the effect of the blade rotation, this phenomenon is better shown when the 24 m/s. The pressure distribution on the surface of the wind power generator showed a very large change as the flow rate increased, but it was confirmed to be concentrated locally.
In the future, the analysis of various wind speed conditions and angles of attack will be able to accurately identify the cause of the blade failure, it will be able to design the shape of the blade suitable for the low speed small wind turbine.


□ keywords

Wind Turbine, Angle of Attack, CFD, Blade, Sliding Mesh

국문 초록 (Abstract)

풍력발전은 재생에너지의 일종으로 자원이 풍부하고 끊임없이 재생되며, 광범위한 지역에 분포되어 있고, 온실가스의 배출이 없는 무공해 청정에너지로서, 화석에너지 고갈에 대비할 수 있는 유망한 대체 에너지원이다. ㈜YEC사에서 제작한 소형 풍력발전기의 블레이드 파손에 대한 원인을 파악하고자 본 연구를 수행하였으며, 제작 데이터를 참고하여, 풍력발전기를 3D 모델링하였다. ㈜YEC가 제작한 블레이드가 회전할 때 발생하는 유체유동의 거동이 블레이드에 미치는 영향을 관찰하고자 상용 소프트웨어인 Ansys Fluent를 사용하였다.
정지되어있는 로터-블레이드의 경우 유입되는 풍속이 변하더라도 블레이드 주변에서 이루어지는 유선의 형태는 거의 동일하게 나타나고 있으며, 받음각 8°의 경우에는 블레이드 후면에 와류가 발생하며, 받음각 16°에서는 복잡한 흐름을 나타내지만, 와류는 발생하지 않는다. 받음각이 증가함에 따라 블레이드 표면에 나타나는 압력은 증가하여 나타나고 있으나, 국부적으로 최대 최소의 압력이 나타나고 있다. 유입되는 풍속이 증가함에 따라 로터 블레이드의 축방향으로 작용하는 힘은 점차적으로 증가하는 양상을 보이고 있으나, 받음각 변화에 따라서는 큰 변화가 나타나지 않는다. 그러나 받음각 변화에 따른 로터-블레이드에 작용하는 모멘트는 풍속과 받음각의 영향을 모두 받는 것으로 나타났다.
로터-블레이드가 회전운동을 하는 경우, 받음각 16°에서만 회전 형태의 와류가 발생하지 않고, 다른 받음각에서는 회전 형태의 와류가 나타났다. 로터-블레이드가 회전하는 경우의 로터-블레이드 표면의 압력 분포의 형태는 정지되어있는 경우와 매우 유사하게 나타나고 있으나, 그 크기는 매우 크게 나타나고 있다.
정지되어있는 경우에는 유입되는 바람의 속도가 증가함에 따라 작용하는 힘은 지수 함수적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 로터-블레이드가 운전하고 있는 경우에도 풍속의 증가에 따라 지수 함수적으로 증가하는 경향을 나타내며, 정지되어있는 경우보다 큰 힘이 작용하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 6~8m/s의 풍속에서는 후방향으로 작용하는 힘의 증가가 나타나지 않고 있는 특이점이 존재하고 있다.
풍력발전기가 정상적으로 발전하는 경우에 있어서 5m/s의 경우에는 블레이드 회전에 의한 후류가 발생하기는 하지만, 블레이드 주변에서 멀리 떨어진 곳까지 회전 형태의 후류가 나타나고 있다. 10m/s의 풍속인 경우 블레이드 주변에 회전 형태의 후류가 강하게 나타나며, 블레이드 주변보다는 나셀 등의 풍력터빈 주변에 복잡한 속도 분포가 존재하고 있다. 20m/s의 풍속에서는 블레이드의 익형을 따르는 속도변화가 크게 나타나고 있어 블레이드 회전에 의한 영향보다는 유입되는 풍속의 영향이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 현상은 24m/s인 경우에 더 잘 나타나고 있다. 풍력발전기 표면에 나타나는 압력 분포는 유속이 높아짐에 따라 매우 큰 변화를 나타내고 있으나, 국부적으로 집중적으로 나타난 것을 확인하였다.
향후, 다양한 풍속 조건 및 받음각에 대하여 분석을 수행하여 블레이드 파손원인을 정확하게 규명할 수 있을 것이며, 저속 소형 풍력발전기에 적합한 블레이드의 형상을 설계할 수 있을 것이다.


□ 핵심주제어

풍력발전기, 받음각, 전산유체역학, 블레이드, 슬라이딩 메쉬

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구배경 및 현황 1
• 1.2. 연구목적 4
• 제 2 장 풍력터빈의 기능과 공기역학 6
• 2.1. 풍력발전기의 구조 6
• 2.2. 로터 블레이드의 공기 역학 9
• 2.2.1. 익형(Aerofoil) 9
• 2.2.2. 풍력(wind power) 11
• 2.2.3. 로터 동력과 토오크 12
• 2.2.4. 로터 변수(rotor parameters) 13
• 2.3. Betz 기준 14
• 제 3 장 해석 이론 16
• 3.1. 전산 유체 역학(CFD) 16
• 3.2. 지배방정식 16
• 3.2.1 질량 보존 16
• 3.2.2. 뉴턴의 제 2 법칙 16
• 3.2.3. 에너지 방정식 17
• 3.2.4. Navier-Stokes(나비어-스톡스) 방정식 18
• 3.3. 난기류 모델링 18
• 3.3.1. 모델 19
• 3.3.2. 모델 20
• 3.3.3. 전단 응력 전달 모델(Shear-Stress Transport model: SST model) 20
• 제 4 장 수치해석 22
• 4.1. 블레이드 익형 22
• 4.2. 풍력발전기 CFD 해석 모델 24
• 4.3. 로터-블레이드 공기역학 특성 해석 26
• 4.3.1. 로터-블레이드 CFD 해석 모델 26
• 4.3.2. 로터-블레이드의 수치 해석 영역 26
• 4.3.3. 로터-블레이드 CFD해석을 위한 격자 생성 28
• 4.3.4. 수치해석 설정 29
• 4.3.5. 로터-블레이드의 CFD 해석 결과 32
• 4.3.5.1. 풍속 변화에 따른 로터-블레이드 공력 특성 33
• 4.3.5.2. 받음각 변화에 따른 로터-블레이드 공력 특성 36
• 4.3.5.3. 운전 중 풍속변화에 따른 로터-블레이드의 공력 특성 41
• 4.4. 풍력발전기의 CFD해석 46
• 4.4.1. 풍력발전기의 수치 해석 영역 46
• 4.4.2. 풍력발전기 CFD해석을 위한 격자 생성 47
• 4.4.3. 타워를 고려한 풍력발전기의 풍속에 따른 공력 특성 48
• 제 5 장 결 론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 57