KR20130064466A

KR20130064466A - 끝판을 부착한 풍력터빈 날개

Info

Publication number: KR20130064466A
Application number: KR1020110131095A
Authority: KR
Inventors: 김우전; 유재훈; 김주인
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-18

Abstract

본 발명은 풍력터빈 날개 끝 보오텍스를 제거하여 날개의 효율을 증가시킬 수 있는 방안을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 날개의 끝단에 끝판을 부착하는 것을 특징으로 하는 끝판을 부착한 풍력터빈 날개를 제공한다. 이 경우, 상기 끝판은 날개의 흡입면에만 부착하는 것이 가장 바람직하다. 이에 따르면 추력은 끝판을 부착하지 않은 경우와 비슷한 값을 나타내는 반면 토오크는 보다 높은 값을 나타내는바, 이 경우 전체적인 블레이드 추력과 토오크 측면에서 효율성이 가장 증가함을 확인할 수 있다.

Description

끝판을 부착한 풍력터빈 날개{Wind turbine blade with end plate}

본 발명은 끝판을 부착하여 토오크, 즉 출력을 증가시킨 풍력터빈 날개에 관한 것이다.

최근 친환경 에너지 개발의 필요성이 대두되면서 유럽과 미국 등 선진국을 중심으로 신재생에너지 개발에 관한 연구가 활발하며 풍력발전에 관한 관심 또한 급격히 증가하고 있다. 풍력발전은 바람의 운동에너지를 이용하여 회전날개를 회전시켜 전기에너지를 생산하는 방식이다. 풍력발전장치는 지지구조물에 해당하는 타워 및 기초, 나셀(Nacelle) 안에 위치하는 베어링, 기어, 발전기, 인버터 등의 축계와 발전 부품, 블레이드 제어를 위한 피치 및 요 제어장치, 그리고 터빈에 해당하는 블레이드 등으로 구성되어 있다.

최근 풍력 발전단지가 대형화되면서 바람의 질이 우수하고 대단지 구성이 용이하며, 지역 주민의 반대가 상대적으로 적은 해양으로 이동하고 있다. 우리나라에서도 서해안에 2.5 GW급의 해상풍력단지를 2019년까지 조성하기 위한 연구개발이 활발하다. 해상풍력단지는 통상 육상에 비해 큰 용량의 터빈을 채택하는데, 5 MW이상의 터빈 블레이드가 채택될 것으로 예상되며, 단지 내에 많은 수의 풍력터빈이 놓이게 되므로 터빈 날개의 후류에 의한 성능 저하 등 날개 주위의 유동장 해석에 대한 필요성이 증대하고 있다.

풍력 터빈 블레이드에 바람이 유입되면서 날개에는 양력과 항력이 발생하며, 이 두 힘의 조합에 의해 토오크와 추력이 발생하는데, 통상 터빈 날개를 설계하기 위해서 포텐셜 이론에 근거한 와류격자법(VLM, Vortex-lattice method)이나 패널법(Panel method)이 사용된다. 하지만 유체력을 보다 정확히 예측하고, 날개의 후류에 의한 간섭 등을 조사하기 위해서는 회전하는 날개 주위의 점성유동장 해석이 필수적이다.

양력을 발생하는 날개의 경우, 끝단에서 3차원 효과로 인한 날개 끝 보오텍스(Vortex)가 발생하고, 회전하는 날개의 경우에는 나선형 모형의 보오텍스 후류(Wake)가 생겨나게 되는데, 이러한 날개 끝 보오텍스는 날개의 효율을 감소시키는 작용을 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 풍력터빈 날개 끝 보오텍스를 제거하여 날개의 효율을 증가시킬 수 있는 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

날개의 끝단에 끝판을 부착하는 것을 특징으로 하는 끝판을 부착한 풍력터빈 날개를 제공한다.

이 경우,

상기 끝판은 날개의 흡입면에만 부착하는 것이 가장 바람직하다.

풍력터빈 날개의 회전 시 발생하는 추력은 로터에 작용하는 바람이 풍력터빈을 후방으로 미는 힘이며, 토오크는 블레이드 회전면에서 발생하는 양력 성분이 회전축과 이루는 모멘트로서 터빈의 출력은 블레이드 회전수와 토오크의 곱으로 나타나므로 풍력터빈에서 중요한 성능요소이다. 즉, 추력이 증가하면 타워와 날개에 작용하는 힘은 증가하여 구조강도를 크게 설계하도록 하기 때문에 블레이드 구조강도 측면에서는 추력이 작을수록 좋은 것이고, 풍력터빈의 성능 측면에서는 토오크가 클수록 좋은 것이다. 본 발명에 따르면 풍력터빈 날개의 흡입면에만 끝판을 부착한 경우 추력은 끝판을 부착하지 않은 경우와 비슷한 값을 나타내는 반면 토오크는 높은 값을 나타내는바, 이 경우 전체적인 블레이드 추력과 토오크 측면에서 효율성이 가장 증가함을 확인할 수 있다.

도 1은 2 MW급 풍력터빈 블레이드 형상.
도 2는 유동해석용 전체 격자계.
도 3은 날개 주위의 격자계.
도 4는 NACA0012 단면의 양력계수 계산 결과.
도 5는 NACA0012 단면의 항력계수 계산 결과.
도 6은 TSR 변화에 따른 power coefficient.
도 7은 블레이드 주위의 압력 분포 및 표면 압력계수 (Vi=14m/s).
도 8은 블레이드의 흡입면의 날개표면 유선 (Vi=12m/s, 20m/s).
도 9는 날개 끝판을 부착한 블레이드 끝단 (왼쪽부터 case 1, case 2, case 3).

1. 서론

본 발명은 풍력터빈 날개 끝 보오텍스를 제거하여 날개의 효율을 증가시킬 수 있는 방안을 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 날개의 끝단에 끝판(End plate)을 부착하는 것을 특징으로 하는 끝판을 부착한 풍력터빈 날개를 제공한다. 이 경우, 상기 끝판은 날개의 흡입면에만 부착하는 것이 가장 바람직하다. 이에 따르면 추력은 끝판을 부착하지 않은 경우와 비슷한 값을 나타내는 반면 토오크는 보다 높은 값을 나타내는바, 이 경우 전체적인 블레이드 추력과 토오크 측면에서 효율성이 가장 증가함을 확인할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 작용 및 효과를 검증하기 위하여 수행한 수치계산의 과정 및 그 결과에 대하여 상세하게 설명한다.

2. 해석 모델 및 수치계산 조건

2.1 풍력터빈 날개

본 발명에서 수치계산에 사용된 풍력터빈 날개에 대한 형상 모델은 실제 사용되고 있는 2 MW급 generic 블레이드의 section 데이터에 근거하여 만들어졌으며, 국내 기관에서 풍력터빈과 발전시스템의 전체 성능평가를 수행하였다. 직경 61.1m의 터빈은 NACA 4-series 단면을 가지는 세 개의 블레이드로 구성된 upwind 방식으로서 14m/s 풍속에서 정격 성능 추정결과는 22.36 rpm에서 축 마력 2.2 MW이었다. 본 발명의 수치계산에 사용된 풍력터빈 날개의 형상 모델을 도 1에 나타내었다.

2.2 계산격자 및 경계조건

풍력터빈 날개 주위의 유동장 해석은 실물 크기를 기준으로 하였으며, 해당되는 Reynolds 수는 25℃ 공기에 대하여 0.7R에서의 날개 회전속도를 포함한 합성 속도(Resultant velocity)와 터빈의 반경을 기준으로 할 때, Re=8.66×10⁶ 이었다. 난류 유동 해석을 위해서 벽면에서 첫 번째에 위치한 격자 중심에서의 y⁺(=u _τ y/v)를 100 정도에 맞추어 ICEM-CFD 프로그램을 사용하여 격자계를 생성하였다.

계산을 위해 생성한 계산 영역은 도 2와 같이 전체 격자계는 블레이드와 허브를 포함하는 부분에 대해 회전하는 상대좌표계로 설정하였고, 허브의 반경은 원점에서 플랜지(Flange) 양끝까지의 거리인 1.75m로 설정하였다. 효율적인 계산을 위하여 하나의 블레이드를 계산 영역의 가운데에 포함하는 원통 영역의 1/3에 대해서만 계산을 수행하였으며, 120도로 분할된 경계면에는 주기조건(Periodic condition)을 부여하였다.

유동해석 격자는 혼합 격자계(Hybrid mesh)를 사용하였고, 전체 계산영역은 두 개로 나누었다. 블레이드가 포함된 형상이 복잡한 부분은 비구조 격자계(Unstructured grids)를 사용하여 구성하였고, 형상이 비교적 단순한 부분에 대해서는 구조격자(Structured grids)를 사용하여 구성하였다. 회전하는 터빈날개에서는 날개 끝 근처의 회전 속도가 높고, 날개의 앞날(Leading edge)과 뒷날(Trailing edge)에서 압력변화가 심하게 발생한다. 특히 흡입면 쪽에서 발생하는 낮은 압력의 정확한 추정은 블레이드 성능 해석의 정확성에 직접적인 영항을 준다. 따라서 블레이드 주위에서 비구조 격자계를 생성할 때, 계산의 정확도를 높이기 위해서 도 3에서 보는 바와 같이 풍력터빈 블레이드의 앞날과 뒷날 주위를 조밀한 구조형 격자로 구성하였다.

2.3 수치해석 방법

본 발명에서는 회전체 유동을 해석하기 때문에 비관성 좌표계(Non-inertial coordinate system)를 채택하였으며, 날개에 고정된 원통좌표계 (x,r,θ)에서 상대적인 속도를 가지고 회전하게 되므로 좌표계의 회전에 의한 추가적인 항 즉, 원심력과 코리올리(Coriolis) 힘이 발생된다. x-축을 중심으로 각속도 Ω로 회전하는 비관성 원통좌표계에서의 Navier-Stokes 방정식은 다음과 같다. 여기서 원통좌표계 (x,r,θ)의 x는 유입류의 방향이며, r과 θ는 각각 반경방향과 회전방향을 나타낸다.

(x방향)

(r방향)

(θ방향)

여기서 (U,V,W)와 (u,v,w)는 각각 (x,r,θ)방향의 평균속도와 난류속도 성분이며, Ω 는 터빈의 회전 각속도로서 원통좌표계의 회전속도에 해당한다.

수치해석은 ANSYS사의 유동해석 프로그램인 Fluent를 사용하였다. 난류모델로는 realizable k-e 모델을 사용하였으며, 벽면에서는 압력구배 효과를 고려한 wall function을 사용했다. 운동량 방정식의 이산화를 위해 대류항(Convection term)은 2차 상류차분법, 확산항(Diffusion term)은 2차 중심차분법을 채택하였으며, 속도-압력 연성을 위해서 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.

풍력터빈 날개의 성능을 나타내는데 있어서 가장 보편화된 방법은 주속비(Tip speed ratio, TSR, λ)의 변화에 따른 동력계수의 변화를 나타내는 것이다. 주속비는 날개 전면으로 불러오는 바람의 유입속도 V _i와 날개 끝 부분에서의 회전 속도(RΩ 여기서 R: 블레이드 반경, Ω: 회전 각속도)의 비를 다음과 같은 무차원 식으로 정의한다.

본 연구에서는 날개의 정격 회전속도인 22.36 rpm에 대해서 유입풍속을 6 m/s에서 20 m/s까지 2 m/s씩 증가시키며 계산을 수행하였으며, Table 1에 계산조건을 요약하여 나타내었다.

Table 1 Simulation condition

3. 유동해석 결과

3.1 2차원 날개 형상에 대한 검증

유동해석 결과의 신뢰도를 확인하기 위하여 간단한 2차원 날개 형상에 대하여 수치계산 결과를 검증하였다. NACA0012 날개에 대해 받음각을 변화시키며 정상 상태에서의 유체력을 계산하였다.

실험값이 제공되어 있는 Re=9.0×10⁶ 에 대하여 2차원 유동해석을 2.3절의 수치계산 방법을 사용하여 수행하고, 그 결과를 실험값 (Abbott and Doenhoff [1949])과 비교하였다. 도 4 및 도 5에 보인 바와 같이 받음각 15도 전후까지는 계산된 양력과 항력계수가 실험과 잘 일치함을 확인할 수 있으며, 그 이상의 받음각에서 실속(Stall) 현상이 발생하게 되면 약간의 차이를 보였다. 하지만 대부분의 양력 발생장치는 설계 속도에서 실속의 발생을 피하고 있기 때문에 도 4 및 도 5의 2차원 유동해석 결과로 볼 때, 본 발명에서 채택한 수치계산 방법이 터빈 날개의 양력 및 항력, 즉 유체력 추정을 위한 공학적인 정확도는 제공하고 있다고 할 수 있겠다.

3.2 블레이드 날개주위의 유동해석

상술한 2차원 검증 계산 결과를 바탕으로 도 1에 보인 2 MW급 풍력터빈 날개에 대한 난류유동장 해석을 수행하였다. 자세한 계산조건은 Table 1에 정리되어 있다. 계산 결과로 얻어진 양력과 항력을 바탕으로 터빈에 작용하는 토오크를 산정하였으며, 터빈 날개 전체의 출력을 계산하였다. 바람의 유입속도 14 m/s에서 블레이드 출력은 1.856 MW이고, 이때의 출력계수(Power coefficient, Power/0.5 _ρ AU ³)는 약 0.391로 나타났다. 정격 작동 조건에서 축마력 추정 결과인 2.2 MW와는 조금 차이는 있지만 근접한 결과로 볼 수 있다. 도 6에 유동해석 결과로 얻어진 출력계수를 TSR에 따라 도시하였다. TSR이 7.0 정도에서 높은 효율을 보였으며, 최대 효율은 0.46정도로서 이는 Betz law에 의한 이론적으로 가능한 최대효율인 0.593의 77％ 정도에 해당하는 효율이다. 실제로는 풍력발전 터어빈의 정격 풍속 이후에는 블레이드에 대한 피치제어를 통해 출력을 제어하지만 본 연구에서는 블레이드 피치변화는 고려하지 않았다.

풍력터빈 날개 주위의 압력 분포를 풍속 14m/s인 경우에 대하여 도 7에 도시하였다. 블레이드의 반경방향 위치가 70％ 지점에서 코드방향의 표면 압력계수와 날개 주위의 압력을 나타내었다. 회전하는 날개에 대한 압력계수를 다음과 같이 정의하였다.

도 8은 풍속변화(12m/s, 20m/s)에 따른 풍력 터빈 블레이드 흡입면(Suction side)에서 표면 유선분포를 대표적으로 나타내었다. 풍력터빈 날개의 경우 허브 근방에서는 원통형상을 가지기 때문에 유동박리 현상이 발생하는데, 터빈 전체의 출력에는 큰 영향을 미치지 않는다. 풍속이 12 m/s인 경우에는 허브 근방을 제외하면 블레이드 대부분의 영역에서 안정된 유선이 형성되고 있다. 하지만 속도가 높아지면 날개의 설계 각도보다 과도한 유동각이 형성되기 때문에 유동의 박리 영역이 넓어짐을 알 수 있다. 최근에 개발된 풍력 터빈의 경우, 풍속이 설계 속도를 넘으면 날개를 회전시켜 피치각을 키우는 것으로 알려져 있다.

3.3 끝판이 부착된 날개에 대한 유동해석

본 발명에서는 풍력터빈의 날개에 끝판(End plate)을 부착하여 유동해석을 수행하고, 그 결과를 부착하지 않은 경우와 비교하여 성능 향상의 정도를 확인하고자 하였다. 날개 끝판은 블레이드 끝단에서 chord 길이의 1/4에 해당하는 0.2 m의 판을 Table 2와 같이 세 가지 조건으로 부착하였다. 날개의 압력면, 흡입면, 그리고 두 면 모두에 각각 부착하여 유동해석을 수행함으로써 그 효과를 확인하였다. 도 9는 도 1의 풍력터빈 날개 끝단에 끝판을 부착한 세 가지 경우를 도시하고 있다.

Table 2 날개 끝판 부착 방향에 따른 조건

풍력 터빈의 경우에는 터빈의 출력을 결정짓는 토오크의 증가가 성능 향상이라고 할 수 있다. 또한 바람의 유입방향에 해당되는 추력은 터빈 날개에 구조적인 하중으로 작용하기 때문에 날개 끝판의 부착으로 인해 크게 증가하는 것은 바람직하지 않다.

수치계산 조건은 정격 출력 조건에 가까운 풍속 14 m/s, 즉 TSR=5.1에서 세 가지 날개 끝판에 대하여 수행하였으며, 얻어진 추력(Thrust force)과 토오크(Torque) 값을 날개 끝판이 없는 앞 절의 결과와 비교 검토하였다. 여기서 추력은 로터에 작용하는 바람이 풍력터빈을 후방으로 미는 힘이며, 토오크는 블레이드 회전면에서 발생하는 양력 성분이 회전축과 이루는 모멘트로서 터빈의 출력은 블레이드 회전수와 토오크의 곱으로 나타나므로 풍력터빈에서 중요한 성능요소이다. 즉, 추력이 증가하면 타워와 날개에 작용하는 힘은 증가하여 구조강도를 크게 설계하도록 하기 때문에 블레이드 구조강도 측면에서는 추력이 작을수록 좋은 것이고, 풍력터빈의 성능 측면에서는 토오크가 클수록 좋은 것이다.

Table 3 날개 끝판(End plate)을 부착한 경우의 추력 비교

Table 4 날개 끝판(End plate)을 부착한 경우의 토오크 비교

수치해석 결과를 Table 3과 4에 나타내었다. 압력면(Pressure side)과 흡입면(Suction side)에 모두 날개 끝판을 부착한 case 1의 경우, 추력과 토오크가 모두 증가하였다. 압력면에만 끝판을 부착한 case 2의 경우에는 추력은 감소하였지만 토오크의 증가는 미미했다. 마지막으로 흡입면에만 끝판을 부착한 case 3의 경우 추력은 비슷한 값을 나타낸 반면, 토오크는 약간 높은 값을 나타내었다. 전체적인 블레이드 추력과 토오크 측면에서 효율성으로 보면 날개 끝판을 흡입면 방향에 설치하였을 경우가 가장 좋은 것으로 보인다. 날개 끝에 끝판을 부착하지 않았을 때, TSR=5.1에서 출력계수가 0.391로 계산되었는데, 흡입면 방향에 끝판을 붙였을 경우(case 3)에는 출력계수가 0.398로 약 2％ 정도 증가하였다. 따라서 본 발명을 통하여 잘 설계된 끝판을 날개 끝단의 흡입면(Suction side)에 부착하면 축방향의 추력 감소와 회전방향의 토오크 증가를 동시에 만족할 수 있다는 가능성을 보았다고 할 수 있겠다.

4. 결론

본 발명에서는 최근 관심이 높아지고 있는 해상풍력 터빈의 성능평가에 CFD 기술을 적용하기 위한 기초 연구로서 2 MW급 풍력터빈 날개 주위의 점성 유동장 해석을 수행하였다. Fluent package를 사용하여 회전하는 비관성 좌표계상에서 난류 유동장을 수치계산 하였다. 2차원 날개 단면에 대한 유동해석을 통해 수치계산 결과를 검증하였으며, 2 MW급 풍력터빈 날개를 대상으로 회전수와 피치각을 고정시킨 상태에서 풍속을 변화하여 각 TSR 별로 성능해석을 수행하였다. 유동해석 결과 최대 출력계수는 TSR=7.2 (V_i=10m/s)에서 0.46으로 추정되었으며, 정격 풍속에 가까운 TSR=5.1 (V_i=14m/s)에서 터빈 블레이드 세 개의 총 출력은 1.856 MW 정도로 예측되었으며, 이때의 출력계수는 약 0.391로 나타났다. 그리고 풍력터빈의 성능향상을 위해 날개의 끝에 세 가지 형태의 날개 끝판을 붙여 성능 변화를 추정하였다. 그 중에서 날개의 흡입면에 끝판을 붙인 경우가 가장 우수한 성능을 보였다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

날개의 끝단에 끝판을 부착하는 것을 특징으로 하는 끝판을 부착한 풍력터빈 날개.
제 1 항에 있어서,
상기 끝판은 날개의 흡입면에만 부착하는 것을 특징으로 하는 끝판을 부착한 풍력터빈 날개.