자주(自周)식 마그누스 풍차의 풍력특성에 관한 실험적 연구 = Experimental study on magnus windmill with self-rotated blades

국문 초록 (Abstract)

화석연료를 대체할 신·재생에너지에 대한 관심과 수요는 환경문제를 해결하기 위한 노력이 전 세계적으로 커짐에 따라 국내에서도 신·재생에너지에 대한 많은 투자와 연구가 이루어지고 있다.
특히 지구온난화현상은 환경문제 중 우리가 빠른 시일 내에 해결해야 할 중요한 문제 중 하나로 청정에너지의 필요성이 커진 현재 전 세계국가들이 다각도로 노력해야 할 과제이다. 우리나라 또한 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 노력하고 있다.
이러한 신·재생에너지 중 효율이 가장 높은 풍력에너지를 활용하는 방법이 활발한 투자가 이루어지고 있다. 현재 발전을 위한 풍차 중 그 효율면에서 우수한 수평축 풍차(Horizontal Axis Windmill : HAW)는 세계적으로 이미 많은 연구가 진행되어 있는 상태이며 높은 풍속이 지속적으로 나타나는 지역에서 풍차의 규모가 커질수록 이론적 최대효율에 근접해 진다. 그렇지만 우리나라는 산악지대가 매우 많고 평야지역이 부족하여 풍차의 규모를 크게 설계, 설치하기 어렵고, 풍속과 풍향이 일정하지 않아 지속적으로 높은 풍속과 풍향이 발생하는 지역을 찾기 어려워 높은 풍력 효율을 내기 힘들며, 또한 주거지역의 소음문제가 발생하고, 고층빌딩 옥상과 그 주변에 발생하는 강한 3차원 난류 때문에 도심지나 생활근거지 주변에는 설치가 제한적이다. 하지만 일정하지 않은 풍향과 풍속에 대해 안정적이며 소음이 적은 수직축 풍차(Vertical Axis Windmill : VAW)는 수평축 풍차에 비해 효과적이라 할 수 있다.
마그누스형 풍차는 일반적으로 블레이드의 회전이 전기력으로 회전하고 있다. 그러나 본 논문은 이러한 단점을 보완하기 위하여 풍력에 의한 자주식 블레이드에 초점을 맞추어 바람에 의해 블레이드가 자율 구동하고 회전력에 의해 발생한 양면의 압력차가 발생하여 마그누스효과가 발생할 수 있도록 설계, 제작 되었다.
블레이드의 회전 특성과 그것을 바탕으로 자주식으로 회전하는 블레이드의 마그누스 효과에 의한 수평축 풍차의 회전RPM 및 주속비를 알아보기 위한 실험으로써 블레이드 모형의 캡 지름별, 블레이드 piece수별 RPM, 파워계수, 로터회전성능과 로터파워 등을 검토하였고 자주식 회전력을 추진력으로 하여 마그누스 효과에 의해 회전하는 풍차를 풍동실험을 통하여 회전 RPM을 측정하여 주속비를 검토하였다.
추가적으로 모형제작은 soundscape, 모빌 기능 및 유체역학적인 특성을 이해할 수 있도록 배려했다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 목적 1
• Ⅱ. 문헌연구 4
• 2.1 풍력발전개요 4
• 2.1.1 수평축 풍차 4
• 2.1.2 수직축 풍차 5
• 2.1.3 소형수직축 풍차 10
• 2.2 풍차의 구조 11
• 2.2.1 로터 11
• 2.2.2 너셀 12
• 2.2.3 타워(towers) 12
• 2.2.4 타워의 최적 높이 16
• 2.3 마그누스 효과 17
• 2.3.1 마그누스 효과의 개요 17
• 2.3.2 마그누스 효과의 적용 19
• 2.4 풍속의 정의 20
• 2.4.1 풍속 20
• 2.4.2 평균풍속 20
• 2.4.3 최대풍속 20
• 2.4.4 최대순간풍속 21
• Ⅲ. 실험방법 및 종류 22
• 3.1 실험풍동 22
• 3.2 실험 사용기기 24
• 3.3 모형 및 실험의 종류 25
• 3.3.1 자주식 블레이드의 풍속별 회전특성에 관한 실험(Ⅰ) 25
• 3.2.2 풍속별 마그누스 풍차 rotor의 회전특성에 관한 실험(Ⅱ) 29
• 3.4 실험 결과 표시 방정식 33
• Ⅳ. 실험결과 및 해석 35
• 4.1 자주식 블레이드의 풍속별 회전 특성 35
• 4.1.1 1PC(S) 블레이드(실험A-Ⅰ) 35
• 4.1.2 2PC(S) 블레이드(실험A-Ⅱ) 39
• 4.1.3 Cap 지름별 1PC(S), 2PC(S) 블레이드의 비교 43
• 4.2 풍속별 마그누스 풍차 rotor의 회전특성 45
• 4.2.1 마그누스 풍차 1엽 1PC(S) 특성(실험B-1-Ⅰ) 45
• 4.2.2 마그누스 풍차 1엽 2PC(S) 특성(실험B-1-Ⅱ) 47
• 4.2.3 마그누스 풍차 2엽 1PC(S) 특성(실험B-2-Ⅰ) 49
• 4.2.4 마그누스 풍차 2엽 2PC(S) 특성(실험B-2-Ⅱ) 51
• 4.2.5 마그누스 풍차 3엽 1PC(S) 특성(실험B-3-Ⅰ) 53
• 4.2.6 마그누스 풍차 3엽 2PC(S) 특성(실험B-3-Ⅱ) 55
• 4.2.7 마그누스 풍차 4엽 1PC(S) 특성(실험B-4-Ⅰ) 57
• 4.2.8 마그누스 풍차 4엽 2PC(S) 특성(실험B-4-Ⅱ) 59
• 4.3 블레이드 수별 마그누스 풍차 rotor의 회전특성 61
• 4.3.1 마그누스 풍차 1PC(S) 0.8D 61
• 4.3.2 마그누스 풍차 1PC(S) 1.0D 63
• 4.3.3 마그누스 풍차 1PC(S) 1.2D 65
• 4.3.4 마그누스 풍차 1PC(S) 1.4D 67
• 4.3.5 마그누스 풍차 2PC(S) 0.8D 69
• 4.3.6 마그누스 풍차 2PC(S) 1.0D 71
• 4.3.7 마그누스 풍차 2PC(S) 1.2D 73
• 4.3.8 마그누스 풍차 2PC(S) 1.4D 75
• 4.4 블레이드의 piece수별 rotor의 회전특성 77
• 4.4.1 piece수별 1엽 마그누스 풍차 77
• 4.4.2 piece수별 2엽 마그누스 풍차 83
• 4.4.3 piece수별 3엽 마그누스 풍차 89
• 4.4.4 piece수별 4엽 마그누스 풍차 95
• 4.5 기타 정성적 결과 101
• Ⅴ. 결론 및 향후과제 102
• 참고문헌 105
• 국문초록 109
• ABSTRACT 111
• 감사의 글 113

참고문헌 (Reference)

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