수평축 조류발전 터빈의 노즈 형상 및 유입각도, 타워 구조물의 영향을 고려한 터빈 성능특성 분석

허만웅,김동환,이진학 한국해안,해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.1

본 연구에서는 1MW급 수평축 조류발전기의 출력 및 유동특성을 분석하기 위해 3차원 레이놀즈 평균 나비어-스톡스 해석을 수행하였다. 난류해석을 위해 SST(shear stress transport) 난류모델을 사용하였고, 유동해석을 위한 계산영역은 육면체격자로 구성하였으며, 최적의 격자 크기를 결정하기 위하여 격자 의존성 시험을 수행하였다. 터빈의 노즈 형상 및 유입각도, 그리고 타워 구조물의 영향을 분석하였다. 노즈 형상의 경우 노즈의 직경 대비 축방향 길이의 비가 증가할수록 터빈 출력이 향상되는 결과를 확인할 수 있었고, 유입각도가 약 15 o 이상에서는 터빈의성능이 약 10% 이상 감소하는 것을 확인하였다. 또한 타워 구조물에 의하여 하류식 터빈의 경우 상류식 터빈에 비하여 성능이 1% 감소함을 알 수 있었다. In this study, three-dimensional fluid flow analyses have been performed in order to investigate the performance characteristics of a horizontal axis tidal turbine (HATT) by solving three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations utilizing the shear-stress-transport turbulence model. The computational domain for the flow analysis has been composed of hexahedral grids, and the grid dependency test has been carried out so as to determine the optimum grid size. Performance characteristics of the HATT have been investigated in consideration of the effects of hub nose geometry, inflow angle, and the tower. It has been found that the power output can be enhanced along with an increase of the ratio of the length to the diameter of the turbine nose, and the power of HATT has been reduced by approximately 10% when the primary fluid flow had an inflow angle of 15o. The power output of downstream HATT is found to be lower than that of the upstream HATT by about 1%.

블레이드요소 운동량 이론에 의한 수평축 조류발전용 터빈 블레이드 설계 및 성능평가 소프트웨어 개발

모장오(Jang-Oh Mo),김만응(Mann-Eung Kim),현범수(Beom-Soo Hyun),김유택(You-Taek Kim),오철(Cheol Oh),이영호(Young-Ho Lee) 한국마린엔지니어링학회 2011 한국마린엔지니어링학회지 Vol.35 No.1

Design and Performance Evaluation of a 10kW Scale Counter-Rotating Wind Turbine Rotor

황안둥,양창조,Hoang, Anh Dung,Yang, Chang-Jo The Korean Society of Marine Environment and safet 2014 海洋環境安全學會誌 Vol.20 No.1

상반전 풍력터빈은 설계와 성능 관점에서 최근 각광을 받기 시작하고 있다. 본 논문은 NREL S822, S823을 이용하여 설계 및 모델링한 상반전 풍력터빈에 대해 연구를 수행하였다. 본 논문은 수치해석 기법을 통하여 단일 풍력터빈과 상반전 풍력터빈을 각각 설계하고, 그 성능을 다양한 조건에서 비교하고자 하였다. 그 결과 상반전 풍력터빈은 단일 풍력 터빈에 비해 TSR 3~5 영역에서 보다 높은 성능계수를 나타냈으며, 그 보다 더 높은 TSR 영역에서는 낮은 성능계수를 나타내었다. 이것은 로터 상 하류의 간섭의 간섭 때문이며, 또한 본 연구에서는 낮은 영역의 TSR에서 운전되는 상반전 풍력터빈의 유효성을 함께 보였다. The counter-rotating approach on wind turbine has been recently put in interest for its certain advantages in both design and performance. This paper introduces a study on a counter-rotating wind turbine designed and modeled using NREL airfoils S822 and S823. The aims of the study is to evaluate and discover the performance of the counter-rotating system, and compares to that of single rotor turbine of same design using numerical simulation. The results show higher performance of the counter-rotating system compared with single rotor case at TSR 3 to 5 but lower performance at higher TSR. This is due to the interaction between upstream and downstream rotors. Thus, the counter-rotating turbine is more efficient at low rotor rotational speed.

Design and Performance Evaluation of a 10kW Scale Counter-Rotating Wind Turbine Rotor

Anh Dung Hoang,Chang-Jo Yang 해양환경안전학회 2014 海洋環境安全學會誌 Vol.20 No.1

상반전 풍력터빈은 설계와 성능 관점에서 최근 각광을 받기 시작하고 있다. 본 논문은 NREL S822, S823을 이용하여 설계 및 모델링한 상반전 풍력터빈에 대해 연구를 수행하였다. 본 논문은 수치해석 기법을 통하여 단일 풍력터빈과 상반전 풍력터빈을 각각 설계하고, 그 성능을 다양한 조건에서 비교하고자 하였다. 그 결과 상반전 풍력터빈은 단일 풍력 터빈에 비해 TSR 3~5 영역에서 보다 높은 성능계수를 나타냈으며, 그 보다 더 높은 TSR 영역에서는 낮은 성능계수를 나타내었다. 이것은 로터 상 하류의 간섭의 간섭 때문이며, 또한 본 연구에서는 낮은 영역의 TSR에서 운전되는 상반전 풍력터빈의 유효성을 함께 보였다. The counter-rotating approach on wind turbine has been recently put in interest for its certain advantages in both design and performance. This paper introduces a study on a counter-rotating wind turbine designed and modeled using NREL airfoils S822 and S823. The aims of the study is to evaluate and discover the performance of the counter-rotating system, and compares to that of single rotor turbine of same design using numerical simulation. The results show higher performance of the counter-rotating system compared with single rotor case at TSR 3 to 5 but lower performance at higher TSR. This is due to the interaction between upstream and downstream rotors. Thus, the counter-rotating turbine is more efficient at low rotor rotational speed.

병렬형 풍력 발전시스템의 MPPT 및 yaw축 제어

임종욱(Jong-Wook IM),최익(Ick CHOY) 전력전자학회 2010 전력전자학술대회 논문집 Vol.2010 No.11

본 연구는 수평축(horizontal axis) 풍력 터빈에 의해서 수직축 발전기를 운전하는 구조 및 그 운전 방식에 관한 것으로서 바람에 의해 수평축 터빈 로터로 입력된 회전력을 기계적으로 두 개의 수직축 회전 성분으로 변환하여 이들로부터 전기 에너지를 얻어내고 필요에 따라 터빈 날개가 바람이 부는 방향을 향하도록 yaw-axis 제어를 하는 기술에 관한 것이다.

다양한 TSR 조건에서의 수평축 조류발전 터빈 모형의 후류 유동장 계측

서정화(Jeonghwa Seo),박성택(Sung Taek Park),이신형(Shin Hyung Rhee) 한국해양환경·에너지학회 2015 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

예인수조 시설에서 수평축 조류발전 터빈의 후류 계측시험을 수행하고 그 결과를 정리하였다. 모형의 지름은 400mm이며, 회전수는 분당 240회로 고정된 조건에서 실험을 수행하였다. 터빈의 축에 걸리는 추력 성분과 토크가 계측되어 터빈의 작동 특성을 파악해 내었다. 모형의 후류 유동장은 예인수조용 스테레오 스코픽 입자영상유속계 시스템을 이용하여 계측되었으며, 위상 평균 속도장이 네 개의 TSR 조건에 대해 계측되었다. 각 TSR 조건은 큰 받음각이 얻어지는 낮은 TSR, 중간 TSR, 최대 작동 효율의 TSR, 큰 하중을 받는 높은 TSR 조건이다. 가장 낮은 TSR 조건에서는 큰 받음각으로 인한 실속 현상이 발생하였으며, 이로 인해 유동 구조는 완전히 발달되지 못하였다. 최대 작동 효율에서는 공간상으로 균일한 후류 유 동이 관측되었는데 이는 각 날개 단면이 설계된 받음각에 놓여있음을 의미한다. 추가로, 압력 회복으로 인한 후류 유속의 감소가 모든 TSR 조건에서 관측되었다. A series of model tests of a horizontal axis tidal stream turbine for wake field measurement was conducted in a towing tank. The diameter of the model was 400 mm and revolution rate was fixed as 240 revolution-per-minute. Negative thrust and torque on the turbine were measured to identify the power characteristic of the turbine. The wake field of the model was measured by a towed underwater stereoscopic particle image velocimetry system, and phase-averaged flow field in four tip-speed ratio (TSR) conditions were measured: the lowest TSR with high angle of attack on the blade section, intermediate TSR, TSR with the maximum working efficiency, and high TSR with high loading. In the lowest TSR condition, high angle of attack induced stall on the blade and flow structure did not fully developed in the wake region. In the maximum efficiency condition, the wake stream of the turbine was uniform spatially, implying that blade sections are in designed angle of attack. In addition, retardation of wake velocity due to recovery of pressure in the wake stream was observed in every TSR condition.

100 kW급 조류발전용 터빈의 성능에 관한 연구

김부기,양창조,최민선,Kim, Bu-Gi,Yang, Chang-Jo,Choi, Min-Seon 해양환경안전학회 2012 해양환경안전학회지 Vol.18 No.2

최근 지구온난화 문제가 대두되면서 신재생에너지 개발을 위한 여러 기술적인 해결책이 제시되고 있는데, 그 중 산업적으로 크게 주목을 받고 있는 분야가 바로 해양에너지이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 부존자원이 풍부하여 조력, 조류, 파력에너지에 대한 실용화 기술이 요구되고 있으며, 특히 빠른 조류흐름을 이용하는 조류발전은 해양환경에 거의 영향을 끼치지 않는 친환경적인 발전 방법이다. 조류발전은 조수간만에 의해 발생되는 해수의 자연적인 수평 유체흐름을 로터 및 발전기를 설치하여 회전운동으로 변환시켜 전력을 생산하는 발전 형태이다. 조류발전은 로터의 방향에 따라 크게 수평축 형태와 수직축 형태로 구별할 수 있으며, 발전량은 로터 단면의 크기와 조류속도에 따라 큰차이가 난다. 따라서 본 연구는 저수심형 100 kW급 수평축 조류발전 터빈의 성능해석을 위하여 상용 ANSYS-CFX를 이용하여 3차원 유동해석및 성능평가를 수행하였고, 유동해석을 통해 회전하는 로터 블레이드 표면 유선, 로터 주변 3차원 유동특성에 대해 고찰을 하였다. 그 결과 토크는 터빈의 날개가 증가함에 따라 증가하다가 TSR 3.77에서 최대토크가 발생하였으며, 그 이후 날개끝 속도비가 증가해도 토크는 감소하였다. 또한, 설계유속에서 0.38의 최대 출력계수를 얻었다. As the problems of global warming are brought up recently, many skillful solutions for developing new renewable energy are suggested. One of the most remarkable things is ocean energy. Korea has abundant ocean energy resources owing to geographical characteristics surrounded by sea on three sides, thus the technology of commercialization about tidal current power, wave power is demanded. Especially, Tidal energy conversion system is a means of maintaining environment naturally. Tidal current generation is a form to produce electricity by installing rotors, generators to convert a horizontal flow generated by tidal current into rotating movement. According to rotor direction, a tidal current turbine is largely distinguished between horizontal and vertical axis shape. Power capacity depends on the section size crossing a rotor and tidal current speed. We therefore investigated three dimensional flow analysis and performance evaluation using commercial ANSYS-CFX code for an 100 kW class horizontal axis turbine for low water level. Then We also studied three dimensional flow characteristics of a rotating rotor and blade surface streamlines around a rotor. As a result, We found that torque increased with TSR, the maximum torque occurred at TSR 3.77 and torque decreased even though TSR increased. Moreover we could get power coefficient 0.38 at designed flow velocity.

균일 흐름과 지상 전단 흐름에 놓인 수평축 풍력터빈 블레이드의 공력 하중 비교

김진(Kim, Jin),유기완(Ryu, Ki-Wahn) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11

Recently the diameter of the 5MW wind turbine reaches 126m, and the tower height is nearly the same with the wind turbine diameter. The blade will experience periodic inflow oscillation due to blade rotation inside the ground shear flow region, that is, the inflow velocity is maximum at uppermost position and minimum at lowermost position. In this study we compare the aerodynamic data between two inflow conditions, i.e, uniform flow and normal wind profile. From the computed results all of the relative errors for oscillating amplitudes increased due to the ground shear flow effect. Especially My at hub and F_x, M_y, M_z at LSS increased enormously. It turns out that the aerodynamic analysis including the ground shear flow effect must be considered for fatigue load analysis.

수평축 풍력터빈 블레이드의 이산소음과 광역소음의 수치해석

유기완(Ryu, Ki-Wahn),유병민(Yu, Byung-Min) 한국신재생에너지학회 2008 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.05

Numerical calculation for the 1MW class horizontal axis wind turbine blade has been carried out to estimate the magnitude between discrete noise and random noise. Farassat formula 1A was adopted to get the discrete noise signal, and blade element momentum theory was used to obtain the distribution of the aerodynamic data along the blade span. Fukano's approach was also adopted to calculate the unsteady aerodynamic random noise due to the Karman vortex generation at the trailing edge of the wind turbine blade. From the noise prediction for the 1MW class horizontal axis wind turbine, the frequency band of the discrete noise lies in the infrasound region, and that of the random noise lies in the audible band region.

수평축 조류발전로터 성능실험의 수치적 재현과 연구

조철희(Jo, Chul-Hee),임진영(Yim, Jin-Young),이강희(Lee, Kang-Hee),채광수(Chae, Kwang-Su),노유호(Rho, Yu-Ho),송승호(Song, Seung-Ho) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

여러 해양에너지 중 유체의 빠른 흐름을 이용하는 조류발전은 서해안과 남해안에 적용하기에 적합하며 해양환경의 영향을 최소화 하면서 많은 에너지를 연속적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 조류발전에서 1차적으로 에너지를 변환시키는 로터는 조류발전시스템의 주요한 장치중의 하나로 여러 변수에 의해 그 성능이 결정된다. 블래이드 수, 형상, 단면적, 허브, 직경 등 여러 요소를 고려하여 로터를 설계하며, 설계정보와 실험데이터를 바탕으로 수치모델을 구현하여 실험에서 직접 계측할 수 없는 로터 주변의 유체현상 및 간섭영향 등을 예측할 수 있다. 본 논문에서는 변화하는 유속에 따른 HAT 로터의 시동속도, 회전수를 측정하여 로터 형상과 허브-직경비가 다른 로터의 성능을 고찰하고, 이를 수치모델로 구현하여 로터주변 유동변화를 연구하였다.