블레이드 팁 표면 오염과 와류 발생장치가 풍력터빈 연간발전량 및 피로 하중에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

풍력터빈 블레이드는 다양한 외부환경의 영향으로 표면 오염이 발생하며, 많은 선행 연구를 통해 이러한 오염이 풍력터빈 출력손실을 증가시키는 원인으로 보고되었다. 본 연구에서는 이러한 문제의 대안으로 와류 발생장치를 주목하였다. 와류 발생장치는 대표적인 패시브 제어장치로서 특정 형상이 블레이드에 부착되어 유동 흐름을 제어하여 공력성능을 향상시킨다. 따라서 본 연구에서는 CFD 해석과 하중 해석을 통해 블레이드 팁 에어포일 오염 조건과 오염 조건에 와류 발생장치를 적용하였을 때의 출력 및 피로 하중 변화를 정량적으로 분석하였다. Khalfallah 등의 수행한 연구를 참조하여 오염 증착 높이에 따른 오염 조건(R case1, R case2)과 Timmer 등의 연구를 참조하여 모델링한 와류 발생장치를 오염 조건에 적용한 해석 조건(RVG vase1, RVG case2)을 정의하였다. CFD 해석을 통해 각 조건의 에어포일 공력데이터를 확보하였으며, 이를 풍력터빈 블레이드 팁에 적용하여 공탄성 프로그램을 이용한 하중 해석을 통해 각 조건의 출력 곡선과 피로 하중을 확보하였다. 출력 곡선과 레일리 분포를 이용하여 연간발전량을 분석한 결과, 연평균 풍속 5m/s에서 RVG case의 연간발전량이 대응하는 R case 대비 각각 1.1%, 1.8% 증가하였다. 블레이드 루트 영역 플랩와이즈(flawise) 방향 피로 하중(DEL)의 경우 풍속 11m/s에서 RVG case가 대응하는 R case 대비 각각 1.4%, 2.8%증가하였다.