ĊONṪ ENTS 풍력에너지저널제 6 권, 제 1 호 2015 년 6 월 기고문 풍력융복합기술 5 김현구 유기완 논문 엘리뇨 / 라니냐강도변화와해상풍력자원의상관성 10 김현구 강용혁 윤창열 이순환 김동혁 이화운 해상풍력단지의해저케이블접근한계에대한분석 15 김미영 Tra

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영린 문
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1 제 6 권, 제 1 호 2015 년 6 월 풍력에너지저널 Journal of Wind Energy

2 ĊONṪ ENTS 풍력에너지저널제 6 권, 제 1 호 2015 년 6 월 기고문 풍력융복합기술 5 김현구 유기완 논문 엘리뇨 / 라니냐강도변화와해상풍력자원의상관성 10 김현구 강용혁 윤창열 이순환 김동혁 이화운 해상풍력단지의해저케이블접근한계에대한분석 15 김미영 Transmission Code 2007에따른 WinDS3000 TM 의 Low Voltage Ride Through 제어전략 22 이상회 강한 박희철 김성태 이정훈 열-구조연성해석을통한극후물용접조건최적화 29 김일동 다물체동역학해석기반 5 MW급풍력발전기의 Yaw 연결부의동적하중응답특성 36 송창용 이대용 6 kw급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 45 오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현

3 논문풍력에너지저널 제 6 권, 제 1 호, 2015 pp, 45~52 6 kw급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 1) 오민우 * 김동현 신요셉 * 김기하 * 김수현 ** Verification Test and Facility Construction for Real-Scale Test of a 6 kw Grid-Tied Wind Turbine Min-Woo Oh, Dong-Hyun Kim, Yo-Seph Shin, Ki-Ha Kim * and Su-Hyun Kim ** Key Words : Wind turbine( 풍력터빈 ), Grid-tied( 계통연계 ), Wind tunnel( 풍동 ), Turbulent intensity( 난류강도 ) ABSTRACT The site performance testing of a wind turbine during the development process frequently requires long-term evaluation test period over 1 year and induces enormous necessary expenses. In this study, the real-scale wind tunnel test and performance verification of a 6 kw grid-tied wind turbine has been performed using a recently constructed large wind tunnel facility in Gyeongsang National University (GNU) of South Korea. Real-time data acquisition (DAQ) and monitoring systems are originally developed based on National Instrument (NI) LabVIEW modules. An anchorless tower base structure is also designed and manufactured for the present experimental test of the 6 kw horizontal-axis wind turbine. The measured wind-tunnel test data for the wind turbine are compared with the long-term field-test data. The results show very good agreement with each other. 1. 서론 풍력터빈시스템은무한무공해에너지인바람을동력원으로한다는장점을가진대체에너지원으로전세계적으로급격한기술발전과꾸준한시장성장이이루어져왔다. 1990년대중반부터국내에서도다양한형태의소형및중대형풍력터빈연구및상용화가활 * 국립경상대학교, 기계항공공학부대학원 ** 씨에이코리아 ( 주 ) 국립경상대학교, 기계항공정보융합공학부및풍력 / 산업기기풍동시험센터 ( 교신저자 ) dhk@gnu.ac.kr Received : April 03, 2015, Revised : June 15, 2015 Accepted : June 발하게수행되었으며알려진성공적인사례가다수있다. 하지만풍력터빈의경우원하는수준의강한풍속이유지되는지역이매우제한적이고개발과정중에잦은원거리필드테스트는막대한개발비용및시간적손실을유발하게된다. 풍력터빈개발과정에공통적으로경험하고있는애로사항은설계된풍력터빈의종합적인성능과신뢰성판정을위한시험평가에상당한제약이따르고장기간의평가기간이필요하다는점이다. 유기완 [1] 등은이미 2007년도에아음속풍동을활용하여최적화된블레이드에대한공력특성파악을위한풍동시험과공력해석을수행하고평가한우수사례가있으며, 국내에서도이미구축된다수의풍동시험설비가소형풍력터빈의성능평가에활용되어오고있다. 하지만기구축된대부분의풍동설비가풍력터 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호,

오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 빈성능평가목적의설비가아니기때문에바람면적과테스트섹션의공간제약으로인해 1~2 kw급용량의소형풍력터빈에대한실규모평가만가능한수준에머물러있었다. 본연구팀도실규모평가를위해과거에는자체적으로차량시험평가시스템을구축하여활용하여왔었다 [2~4].

4 오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 빈성능평가목적의설비가아니기때문에바람면적과테스트섹션의공간제약으로인해 1~2 kw급용량의소형풍력터빈에대한실규모평가만가능한수준에머물러있었다. 본연구팀도실규모평가를위해과거에는자체적으로차량시험평가시스템을구축하여활용하여왔었다 [2~4]. 현재 10~20 kw급풍력터빈의실규모 (real scale) 성능평가및 5~10 MW급규모풍력터빈의축소모델 (scaled model) 시험이가능하고, 다양한종류의풍력터빈시스템및부품의시험평가에특화된길이 30 m, 바람면적 8 m 8 m, 최대풍속 40 m/s 이상을가지는대형풍동설비가 2014년 7월국내최초로완공되었다. 이번에경상대학교에구축된대형풍력 / 산업용풍동시험설비는아시아권에서도최대의시험부를가지는설비에해당하기때문에, 풍력시스템및부품생산과관련된기업뿐만아니라항공우주, 토목건축, 정보통신 ( 보안 ), 일반기계, 산업안전, 실외조명및광고설비분야등에서광범위한활용이가능한장점이있다. 또한다양한산업분야제품의실규모강풍및태풍안전성과유체유발진동안정성시험평가등을단기간에수행가능하게되었다. 본논문에서는대형풍동설비의실용적인응용예로서아시아최초로 6 kw급계통연계형 (grid-tied) 수평축풍력터빈에대한실규모풍동시험을수행하였다. 또한실제사이트에설치하여장기간계측한풍력터빈의성능선도를풍동시험데이터와비교및검증하여풍동의실용성을입증하였다. 2. 풍동및실험기법 2.1 풍동 2014년 7월경상대학교 ( 진주시본교 ) 에설비완공되어운영서비스중인대형산업용풍동설비의내부및외부사진을 Fig. 1에제시하였다. 본설비는개방형풍동으로터널길이는 30 m, 시험부는 8 m 8 m 이고통상적인운용풍속범위가 2~40 m/s ( 최대 60 m/s) 이므로 1~20 kw급풍력터빈의성능및내풍안정성평가를태풍풍속범위까지단기간에시험평가하는것이가능하다. 본풍동은개별속도제어가가능한 9 대 (3 3 배열 ) 의송풍용팬으로구성되어있어필요에따라자연풍과유사하게테스트섹션의난류도 (turbulent intensity) 를조절할수있는기능이포함되어있으며, 개별송풍기는최대약 60 m/s 의풍속을 생성할수있는파워를가지고있다. 또한 3 3 배열의고성능송풍기들을수평및수직방향으로개별제어하여난류를포함한경계층효과및돌풍효과등의직간접구현이가능한장점이있다. Fig. 1 GNU large wind tunnel system and installed 6 kw grid-tied horizontal-axis wind turbine for experimental test 본풍동의테스트섹션은 10 m (x) 8 m (y) 8 m (z) 크기의개방형공간으로설계되어고중량시험평가대상물을 2.5톤천정형크레인으로용이하게설치할수있다. 또한다양한종류의풍력터빈을용이하게장착및평가할수있는멀티프레임형태의이동형베이스가구비되어있다. 필요시시험평가모델을 20 m 길이의덕트형터널내부로이동하여평가할수있으며, 풍력터빈외에도강풍및태풍조건에서산업안전및작동기능평가가요구되는다양한제품및장비들에대한시험평가를지원하고있다. 일예로, 삼성그룹산하의에스원 ( 주 ) 에서는펜스상단에연속설치되는광섬유방식의신개념보안센서에대한태풍상황시정상작동및신뢰성에대한시험평가를 3차에걸쳐서수행한사례가있다. 이는기존방식으로통상 1년이상소요되며, 강풍에서원격지실시간작동상황모니터링을위해고비용의추가계측설비가요구되는시험평가내용에해당한다. 하지만본풍동센터의설비를활용하여 1개월이내의짧은기간에 3차에걸친시험평가와보완을통해제품성능검증을성공적으로완료할수있었으며, 이는대형풍동설비의전형적인활용성과중하나에해당한다. 46 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호, 2015

Prototype Machine) 는 0.9 (x) 0.6 (y) 0.9 (z) 크기의 3차원설계부품을한번에제작지원할수있다.

2와같이다양하고복잡한형태의소형풍력터빈블레이드, MW급풍력터빈축소시험용블레이드, 피치 (pitch) 베어링, 요 (yaw) 브레이크, 부유식풍력플렛폼 (platform), 시험장치부품, 항공우주및조류발전기용부품등의모델제작에활용된사례들이있다.

5 6 kw 급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 Fig. 2 Application of 3D printer for the manufacturing of a twisted vertical-axis wind turbine model 추가적으로풍력 / 산업기기풍동시험센터에서구축및운용중인대형 FDM(fused deposition modeling) 방식의 3차원프린터 ( 쾌속조형기, Rapid Prototype Machine) 는 0.9 (x) 0.6 (y) 0.9 (z) 크기의 3차원설계부품을한번에제작지원할수있다. 3차원프린터의소재는비강도및비강성특성이우수한 ABS (acrylonitrile butadiene styrene) 를기본으로하며, 현존하는 3차원프린터중비금속계재료중가장높은내열성, 강도및강성특성을가지는비결정성열가소성플리에테르이미드 (PEI) 수지로구성된 ULTEM 소재로제작이가능하다. 큰부품단위로일체적인제작이가능하기때문에 Fig. 2와같이다양하고복잡한형태의소형풍력터빈블레이드, MW급풍력터빈축소시험용블레이드, 피치 (pitch) 베어링, 요 (yaw) 브레이크, 부유식풍력플렛폼 (platform), 시험장치부품, 항공우주및조류발전기용부품등의모델제작에활용된사례들이있다. 이외에도다양한산업용부품의시제작에유용하게활용되고있으며, 이를활용하면고비용의금형제작이나정밀기계가공을하지않고도모의시험평가에필요한부품이나시제품등을효율적으로정밀제작하는것이가능하다. Fig. 3 Accurate blade performance measuring system using dynamometer 2.2 실험기법 풍력터빈의풍속변화에따른성능평가을위해서는기본적으로풍속, 블레이드회전속도 (rpm), 출력전압 (voltage), 전류 (current), 생산전력 (power) 등을측정해야하며, 부수적으로블레이드및타워구조물의진동가속도 (vibration acceleration) 와변형율 (strain) 등을계측한다. 이를위해본센터에서는 LabVIEW 기반의실시간 Data Acquisition (DAQ) 하드웨어를구축하고관련모니터링및제어프로그램을자체적으로개발하여운용하고있다. 또한다양하게개발된풍력터빈용 블레이드의공력성능평가를전문적으로수행하기위해정밀도가우수한다수의다이나모미터시스템을별도로설계제작및구축하여활용하고있다. 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호,

오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 Fig. 4 Performance measuring diagram based on LabView data aquisition system Fig. 5 Front panel of data acquisition system VI for wind turbine performance measurement Fig.

또한자체설계제작된다이나모시스템의가장큰장점으로는수평또는수직방향으로시험용타워에장착가능하다는점이다. 이는동일한다이나모시스템으로수평축및수직축풍력터빈의시험평가를가능하게해준다. Figs. 4~5는본연구팀에서사용하고있는성능측정프로그램구성도와실시간계측프로그램의예를보여주고있다.

6 오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 Fig. 4 Performance measuring diagram based on LabView data aquisition system Fig. 5 Front panel of data acquisition system VI for wind turbine performance measurement Fig. 3은본풍동시험센터에서설계제작및운용하고있는다이나모미터시스템의구성예를보여주고있다. 다이나모미터시스템은낫셀 (nacelle) 은베어링, 커플링, 토크센서, 서보모터구성되어있는데, 주축부분은플랜지를장착하여다양한형태의풍력터빈블레이드에대한시험평가준비및수행과다수의풍력터빈설치조건에대한간섭시험평가가용이하도록총 3개세트 (set) 의다이나모시스템을구비하여활용하고있다. 또한자체설계제작된다이나모시스템의가장큰장점으로는수평또는수직방향으로시험용타워에장착가능하다는점이다. 이는동일한다이나모시스템으로수평축및수직축풍력터빈의시험평가를가능하게해준다. Figs. 4~5는본연구팀에서사용하고있는성능측정프로그램구성도와실시간계측프로그램의예를보여주고있다. 구성된성능측정프로그램은 IEC 의규정에따라연결된모든센서들은최소 2 Hz 이상의 sampling frequency를가지도록되어있다. 실시간저장값으로는날짜와시간별로풍속, 전압, 전류, 회전속도를측정하고, 전력값은전압과전류치를기반으로연산하여기록하도록되어있다. 또한블레이드회전속도및토크값을실시간계측하여시험평가풍력터빈모델의주속비 (tip-speed ratio, TSR) 대 비파워계수 (power coefficient, Cp) 를실시간으로모니터링가능하도록구현하여풍동시험평가중에도난류도 (turbulent intensity, T.I.) 및풍속변화에따른풍력터빈의성능효율을즉시확인할수있도록하였다. 풍력터빈에서생산되는전압및전류센서의측정범위는전압의경우최대 500 V이며, 전류의경우는최대 100 A이다. 풍동의순간및평균풍속은 2기의컵형풍속계또는 2기의초음파풍속계를시험평가모델의허브높이부근에설치하여측정하고있다. 풍속대비파워출력시험은 IEC 에준하여풍동에서설정한풍속별 10분평균데이터를평균하여활용하고있다 [5]. 참고로성능측정프로그램구축시에는 noise에따른신호교란가능성에유의할필요성이있다. 본연구팀도이런상황을경험하여신호교란특성을배제하기위해서보모터, 센서및계측장비의전원소스를분리하였으며, 초음파풍속계의경우는풍속계용타워와풍속계연결부구조부품을금속재로가공하지않고 3 차원프린터로제작하는방식으로문제를해결하였다. 3. 실험결과 본논문에서는최근완공된대형풍동시험설비를활용하여국내최초로 6 kw 급수평축풍력터빈에대한실규모풍동시험을수행하였, 실제야외설치사이트에서 1년이상측정한평균데이터와비교검증을수행하였다. 본풍동시험평가에서고려한풍력터빈모델은 6 kw 급수평축풍력터빈으로 UL 제품인증 (product certification) 을획득하였으며, 장기간다양한설치사이트에서계측한성능곡선과본연구에서의실스케일풍동시험결과를비교검증하였다. 48 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호, 2015

6 kw 급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 Table 1 Design specification for the 6 kw wind turbine Performance Specifications Start-up Wind Speed 2.2 m/s Cut-in Wind Speed 2.

7 6 kw 급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 Table 1 Design specification for the 6 kw wind turbine Performance Specifications Start-up Wind Speed 2.2 m/s Cut-in Wind Speed 2.2 m/s Rated Wind Speed 12 m/s Rated power 6.0 kw Maximum Design Wind Speed 60 m/s Peak Power 6.7 kw Rotor Speed 0~400 rpm Pitch Control Fixed Yaw Control Passive Mechanical HAWT Type 3-Blade Upwind Rotor Diameter 6.2 m Blade Mass (1 unit) 24 kg Total Mass (Blade+Hub+Nacelle) 350 kg Electrical Output Form 240 VAC, 1-Phase, 60 Hz Generator Type Permanent Magnet Alternator Fig. 6 3D CAD modeling of the movable tower base structure Table 1은본풍동시험평가에서고려된 6 kw 급계통연계형 (grid-tied) 풍력터빈의기술사양을보여주고있다. 시험평가모델은 3개의블레이드를가지는업윈드 (upwind) 방식의수평축풍력터빈으로정격풍속은 11 m/s 이며, 발전개시풍속 (cut-in wind speed) 는 2.2 m/s이고정격출력은 6.0 kw 이다. 로터직경은 6.2 m 이고, 블레이드의하나당무게는 24 kg 이 며, 낫셀의무게는 278 kg로타워를제외한풍력터빈의총무게는 350 kg 이다. 또한풍력터빈의정격회전속도는약 400 rpm 이고, 구조지지최대허용풍속은 60 m/s 까지견딜수있도록설계되어있다. 풍력터빈과연결된계통연계인버터의경우 240 VAC, 단상, 60 Hz 로출력이도출되며높은수명의영구자석 (permanent magnet) 식전기발전기가장착되어있다. 정격풍속이상의풍속에서는꼬리날개의방향을돌리는방식으로블레이드회전면을기울여정격출력을제어하는방식을가진다. Fig. 6에풍력터빈을지지하기위한모형지지부설계도면을나타내었다. 모형지지부는풍동터널내부에무앙카 (anchorless) 구조로지지하기위해별도로설계제작된범용베이스구조의 3차원설계도면을보여주고있다. 풍동터널에서는다양한종류의풍력터빈에대한평가가이루어져야하기때문에특정모델에만사용할수있는베이스를구비하는것은비효율적이며또한다른종류의시험을위해기사용한베이스를외부로분해하여이동시킬필요성이자주발생한다. 본연구팀은이러한특성을고려하여자체적으로다목적으로활용가능한풍동시험용베이스를설계및제작하여활용하고있다. 또한기업체에서요구하는다양한종류의타워를용이하게장착할수있도록중간연결부가탈부착가능하며새로설계제작된베이스부품을장착할수있도록설계하였다. 풍력터빈의종류및크기에따라서하부의 H-beam 지지구조는목적에따라분해하여위치를이동하여재배치고정할수있도록설계되었다. 설계된풍동시험용베이스는최대 20 kw급풍력터빈에유발되는추력, 모멘트및가진주파수수준을버티면서안정적인시험평가를수행할수있도록제작되었다. 이를위해최대허용용량풍력터빈에유발가능한최대추력, 모멘트하중및블레이드회전속도를고려하여구조강도, 변형량, 전복방지및공진가능성에대한평가를유한요소구조진동해석으로설계단계에서검증하였다. 다양한풍력터빈모델의풍동시험을수행하다보면타워의위치를이동할경우가자주발생하기때문에하부타워지지구조는풍동터널내부의천정형크레인을활용하여용이한이동이가능하도록설계되었다. Fig. 7은대상풍력터빈모델의인증을위해장기간필드에서계측한파워 (power) 의풍속대별 10분평균그래프를보여주고있다. 그래프를보면 6 m/s 에서약 1.2 kw의출력을 10 m/s에서는 4.6 kw의전력이생산되는것을확인할수있다. 또한정격풍속부근인 12 m/s 에서는약 6 kw 의전력출력이도출됨을확인할수있다. 이는풍력터빈의전기발전기및계통연계형인버터의효율이모두고려된순수전기생산량에해당한다. 설치사이트에서측정한값은그이상의풍속에서정격풍속의경우보다다소증가된전력출력 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호,

이는풍속증가에따라꼬리날개가발생시키는양력을증가시켜서 nacelle 이강제적으로증가된 yaw 각도를유지하도록하여블레이드회전면이바람방향에대해경사지게되어회전속도및출력을저감하는방식으로일정한출력을유지하도록하는일종의수동식브레이크 (passive brake) 역할을하게된다. Fig.

8 오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 을나타낸것으로보이나이는계통연계방식과특성에따라다소차이가발생할수있는부분이다. 본풍력터빈모델은정격풍속이상에서풍속에따라낫셀의요 (yaw) 회전각이비례하여증가하는방식으로출력과풍하중을제어하게된다. 본풍력터빈모델의경우풍속증가에따라특정방향으로낫셀을회전을용이하게하기위해꼬리날개끝단의일부를꺽어서항공기날개의플랩과유사하도록제작하는개념을적용하고있다 (Fig. 9 참조 ). 이는풍속증가에따라꼬리날개가발생시키는양력을증가시켜서 nacelle 이강제적으로증가된 yaw 각도를유지하도록하여블레이드회전면이바람방향에대해경사지게되어회전속도및출력을저감하는방식으로일정한출력을유지하도록하는일종의수동식브레이크 (passive brake) 역할을하게된다. Fig. 8 Installed 6 kw wind turbine in the GNU wind tunnel Fig. 9 Remote CCTV monitoring screens of the GNU wind tunnel test system Fig. 7 Averaged power curve for various wind speed (field test data, 10 min average) Fig. 8은풍동시험대상풍력터빈을터널에서직접조립하는과정및풍동터널내부에최종장착되어있는사진을보여주고있다. 풍력터빈의회전반경이 6.2 m이고, 설치되어있는풍력터빈의허브중심까지의높이는풍동바람면적의중심위치인약 4 m 이다. 터빈의무게가 350 kg에달하기때문에조립설치시풍동실내부의 2.5 ton 천정형호이스트를활용해서수행하였다. Fig. 9는풍동시험수행동안풍력터빈및풍동실의상태를실시간으로원격모니터링할수있는 CCTV 설치화면의예를보여주고있다. 풍동시험진행과정을인터넷을활용하여주야간원격으로실시간모니터링할수있으며, 설치된 CCTV의해상도는 2.1 메가픽셀을가기고있기때문에고해상도로실시간상황을모니터링가능하도록하였다. Fig. 10 Field test and wind tunnel test comparing the performance curve Fig. 10은본연구에서고려한 6 kw급계통연계형수평축풍력터빈의단기풍동시험결과와성능인증을위해외부설치사이트에서장기간실제계측한데이터의평균파워선도에대한비교결과를보여주고있다. 풍속측정을위해풍력터빈의허브지점에서초음파풍속계를이용하였고, 풍동기의 RPM을조절하면서각풍속에서 5 10분간측정된데이터를평균하였 50 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호, 2015

6 kw 급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 다. 성능평가결과는동일풍속에서최소 2회이상반복시험을수행하여재현성을평가하였다. 참고로내부적인검토결과본시험센터풍동의경우설정된풍속및난류도에따라약 5% 의이내의편차는있으나, 약 5분정도측정된평균측정값이그이상의시간으로측정한평균값에거의동일하게수렴함을관찰하였다. Fig.

또한본풍동설비의경우송풍기로부터 20 m 까지가덕트형터널로되어있고, 이후에위치한공식테스트섹션은터널이아닌 open-type으로구성되어있다. 시험평가대상풍력터빈은터널이끝나는지점에서 5 m 후방의개방형공간에설치되어있기때문에 blockage ratio에의한영향이최소화될수있도록하였다.

9 6 kw 급계통연계형풍력터빈의실규모시험을위한설비구축및검증시험 다. 성능평가결과는동일풍속에서최소 2회이상반복시험을수행하여재현성을평가하였다. 참고로내부적인검토결과본시험센터풍동의경우설정된풍속및난류도에따라약 5% 의이내의편차는있으나, 약 5분정도측정된평균측정값이그이상의시간으로측정한평균값에거의동일하게수렴함을관찰하였다. Fig. 11 Unsteady wind speed on a wind tunnel Fig. 11은성능시험수행시풍동터널내부에서 7분간측정된풍속변화이다. 풍속 7.07 m/s 일때난류강도는약 7.3 %, m/s 일때난류강도는약 5.2 % 정도로일반적인자연바람조건과유사한수준을보였다. 또한본풍동설비의경우송풍기로부터 20 m 까지가덕트형터널로되어있고, 이후에위치한공식테스트섹션은터널이아닌 open-type으로구성되어있다. 시험평가대상풍력터빈은터널이끝나는지점에서 5 m 후방의개방형공간에설치되어있기때문에 blockage ratio에의한영향이최소화될수있도록하였다. 결과를보면전반적으로단기풍동시험결과가장기간설치사이트에서계측한평균출력값과잘일치하고있음을알수있다. 또한본풍동시험에서정격풍속이상의풍속에서풍속을변화시켜가면서꼬리날개의방향전환에따른낫셀의요 (yaw) 방향회전으로블레이드회전면의기울어짐효과로인해일정하게출력이유지되는수동식브레이크기능의원활한작동또한평가할수있었다. 참고로구축된풍동설비는 8 m 8 m 의바람면적을 3 3 배열 (9대) 의고성능송풍기로개별제어가가능하도록구성되어있기때문에난류강도변화에대한시험평가도가능하나난류강도변화에따른영향에대한연구는추후에수행할계획이다. 풍동시험에서계측한대상풍력터빈의순수전기생산출력은 6 m/s 에서약 1.2 kw, 10 m/s에서 4.3 kw, 12 m/s에서는 6 kw의정격출력을확인할수있다. 또한정격풍속이상의풍속에서는블레이드회전축 ( 추력방향 ) 과타워중심축 ( 요방향 ) 을어긋하게설치하고꼬리날개에플랩을장착한형태로하여증가된풍속에서유발되는낫셀의요 (yaw) 모멘트로블레이드회전면을바람방향에경사지게유지하는수동제어방식으로일정한출력을유지하게됨을출력계측결과에서도확인할수있다. 대상풍력터빈은계통연계형으로풍력터빈발전기에서 3상전력을생성하여이를 MPPT(maximum power point) 기능이내장된풍력발전기용계통연계형인버터로입력받은후풍력터빈이연결된전력망으로단상 220~230 V 범위의일정전압수준의출력을만들어낸다. 풍동시험계측결과를보면외부에설치하여실제장기간측정한데이터와풍동에서측정한파워선도가전반적으로매우잘일치함을확인할수있다. 다만정격풍속 12 m/s 이상에서는풍동시험에서계측한결과와설치사이트에서측정한결과가약간의편차를보이는데, 이는본연구팀이운영중인경상대학교풍동터널이들어있는풍동시험센터건물의삼상전력입력최대는 20 kw 이나단상입력최고피크허용용량이 6 kw로제한되어있기때문이다. 풍동시험센터계통전력망의단상입력허용전력최대치를확장보완화면실제필드테스트결과에보다근접한결과가도출될수있을것으로판단된다. 본논문에서소개한풍력터빈모델이외에도수직축및루프윙방식을포함한다양한소형풍력터빈모델및 5 MW급대형터빈의축소모델에대한간섭시험평가가진행중에있으며, 풍력터빈개발단계에서시스템및부품의단기성능평가및태풍안전성등을확인할수있어향후대형풍동설비의매우유용한활용이가능할것으로판단된다. 또한풍동터널내부에수조설비를보완하여부유식수직축해상풍력터빈 [6] 에대한풍동시험평가및검증기능보완을수행할예정이다. 마지막으로본논문에서검증한 5 kw급풍력터빈의성능선도에대한기본적인부연설명을추가하고자한다. 국내중소기업및아이디어를가진일반인들에 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호,

10 오민우 김동현 신요셉 김기하 김수현 대한풍력터빈설계개발관련기술지원을수행하다보면강풍또는태풍상황에서바람에너지를모두전력으로전환하도록터빈개발을희망하는경우가많이있었다. 또는반대로튼튼하게만들면되지높은풍속에서강제로출력을유지또는저감시키려고브레이크기능을추가하는이유에대한질문을받는경우도많았다. 이는실제풍력터빈설계와하중해석을직접수행해본전문엔지니어들은상식적으로이해하고있는사항으로 MW급의대형풍력터빈의경우도블레이드피치 (pitch) 제어를통해동일하게적용되는사항이다. 좀더상세히설명하면정격풍속이상에서출력 ( 회전속도 ) 을제어 ( 유지 ) 하지않으면급격한하중증가로풍력터빈에심각한파손이초래되는것을전제로설계및제작되기때문에그이상으로임계하중이초래되지않도록회전속도제어 ( 또는브레이크 ) 기능이장착되는것이다. 이때문에제어장치에고장이발생하게되면풍력터빈에심각한파손이나부품의손상을초래하게된다. 아이디어시제품개발관점에서는태풍상황에서도지속적인발전가동이될수있는풍력터빈을제작하는것도얼마든지가능하나, 이경우에는고풍속고하중조건에서풍력터빈블레이드및모든부품들이충분한강도를가지도록설계되어야하기때문에필연적으로제작단가가급격히상승하게되는단점이발생한다. 즉매해간혹발생하는태풍상황및발생빈도가매우낮은고풍속조건을모두에너지로변환하기위해풍력터빈을상용화한다면타경쟁사풍력터빈에비해가격경쟁력을상실하게되고, 풍력터빈자체의가격증가로 COE(Cost of Energy) 가매우증가하게되어시장에서구매력을상실하게될것이다. 이러한풍력터빈은상품적인가치를가질수없게되기때문에태풍과같은상황에서의발전을통상적인풍력터빈제품에서는고려하지않고있는것이다. 4. 결론본논문에서는신규로완공한대형풍동시험설비를활용하여국내최초로 6 kw 급계통연계형수평축풍력터빈의풍속변화에대한실스케일단기성능시험을수행하고설치사이트에서장기간계측한데이터와비교및검증하였다. 풍동시험은 5~7% 수준의난류도를가지는바람수준에서수행되었으며, 실규모단기풍동시험방법이기존설치사이트에서 1년이상계측한풍력터빈의출력성능을정확하게예측할수있음을 확인하였다. 구축된대형풍력시험용풍동설비는최고 40 m/s의풍속범위에대한극한시험이가능하기때문에추후태풍상황에서의구조안정성검증시험과난류도및돌풍상황등에대한추가적인시험평가를수행할예정이다. 구축된대형풍동설비는풍력터빈시스템및부품개발단계에서단기간에소형풍력실스케일및대형풍력축소모델의성능곡선검증과다양한산업구조물의태풍상황에서구조안전성등을사전에확인할수있어향후유용한활용이가능할것으로판단된다. 후기본논문은산업통상자원부한국에너지기술평가원 (KETEP) (No ) 및동남지역사업평가원의광역경제권선도산업육성사업과제의일부로수행되었으며지원에감사를표하는바입니다. 참고문헌 [1] Ryu, K. W., Yoon, S. J., Lee, C. S., and Choy, S. O., 2007, Aerodynamic Perfomance for Horizontal Axis Wind Turbine Model using Subsonic Wind Tunnel, Journal of the Korean Society for Aeronautics and Space Sciences, Vol. 35, No. 11, pp [2] 이종욱, 김동현, 박강균, 최현철, 김대룡, 2010, 차량장착시스템을이용한소형풍력발전기시스템의성능평가, 한국풍공학회지, 제14권, 제3호, pp [3] 황미현, 오민우, 김동현, 2010, 소형수직축풍력발전기의유동해석및실험비교, 한국전산유체학회지, 제15권, 제4호, pp [4] 류경중, 김동현, 추헌호, 심재박, 2011, LES난류모델을이용한 4엽형수직축풍력발전기공력해석및실험, 한국전산유체공학회지, 제17권, 제3호, pp [5] KS C IEC Power Performance, [6] Oh, M.W. and Kim, D.H. 2012, Design and Computational Analysis of Small Vertical-Axis Wind Turbine for Ocean Buoy System, Journal of the Wind Engineering Institute of Korea, Vol. 16, No. 2, pp 풍력에너지저널 : 제 6 권, 제 1 호, 2015

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA 논문 Original Paper DOI: http://dx.doi.org/0.5293/kfma.203.6.3.005 ISSN (Print): 2287-9706 타워강성효과를고려한소형수직축풍력발전기운전진동실험및해석 추헌호ㆍ심재박 * ㆍ오민우 * ㆍ김동현 *) **2) Operational Vibration Experiment and Analysis of a Small