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동주 풍
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 12 pp , ISSN / eissn 이민구, 오훈, 박왈서 * 원광대학교전기공학과 Experimental Study of Small Vertical Axis Wind Turbine according to Type of Blades Min-Gu Lee, Hun Oh, Wal-Seo Park * Department of Electrical Engineering, Wonkwang University 요약풍력은자원이풍부하고, 끊임없이재생되며, 공해물질배출이없어서친환경적인점에서화석에너지고갈시에대비한유망한대체에너지원으로서각광받는에너지이다. 풍력발전기는회전축의방향에따라수평축풍력발전기와수직축풍력발전기로구분되며, 수직축은발전효율이낮은단점이있는반면에바람의방향에영향을받지않아요잉시스템이필요가없어구조가간단하고, 저풍속에서도풍력발전이가능한장점이있어현재소형수직축풍력발전기가주목받고있다. 본연구에서는저풍속에서도발전가능한자이로밀형, 힌지형, 양문형의블레이드형태에따른소형수직형풍력발전기를이용하여 1m/s 11m/s 의가변풍속에따른발전기의출력전압및출력전류를분석하였다. 연구결과최대풍속 11m/s일때발전기출력전압은양문형블레이드를적용시자이로밀형블레이드보다 67%, 힌지형블레이드보다 9% 가증가되었으며, 발전기출력전류는양문형블레이드를적용시자이로밀형블레이드보다 93%, 힌지형블레이드보다 5% 가증가되었다. 본연구를통해저풍속및고풍속에서의발전이용이한양문형블레이드의우수한출력특성과실용화가능성을확인하였다. Abstract Owing to the depletion of fossil energy, wind power is attracting attention as a promising environmentally friendly alternative energy source, because it is abundant, renewable, and non-polluting. Wind turbines are divided into horizontal axis wind turbines (HAWTs) and vertical axis wind turbines (VAWTs) according to the direction of the rotating shaft. VAWTs have a low power generation efficiency, but are not affected by the wind direction and, thus, no yaw system is required and their structure is simple. Small VAWTs are attracting much attention because they can generate power even at low wind speeds. In this study, the output voltages and output currents of small VAWTs with gyromill type, hinge type and double door type blades capable of generating power even at low wind speeds were analyzed at variable wind speeds in the range of 1~11 m/s. At the maximum wind speed of 11m/s, the application of the double door type blades achieved 67% and 9% higher wind turbine output voltages than that of the gyromill type and hinge type blades, respectively. As regards the wind turbine output currents, the application of the double door type blades gave rise to 93% and 5% higher results than that of the gyromill type and hinge type blades, respectively. Through this study, the excellent output characteristics and commercialization potential of the double door type blades, which can generate power both at low and high wind speeds, were confirmed. Keywords : Double Door Type, Gyromill Type, Hinge Type, Output Characteristics, Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) 1. 서론 최근화석에너지의과도한사용으로다량의이산화탄 본논문은 2017학년도원광대학교의교비지원에의해서수행되었음. * Corresponding Author : Wal-Seo Park(Wonkwang Univ.) Tel: wspark@wku.ac.kr Received October 24, 2017 Revised November 8, 2017 Accepted December 8, 2017 Published December 31, 2017 소가배출되어짐에따라지구의평균온도가상승되어열대야현상, 집중호우등의이상기후가발생하고있다. 화석에너지고갈및지구온난화를해결하기위한대체 88

2 에너지원중풍력발전은사용범위가광범위하고, 무제한사용가능하며공해물질배출이없는청정에너지라는점에서각광받고있다 [1,2]. 풍력발전은바람의운동에너지를블레이드를통해기계적인회전력으로변환하고, 그회전력으로발전기를통해전기에너지를생산하며 [3,4] 풍력발전기는회전축의방향에따라수평축풍력발전기 (Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT) 와수직축풍력발전기 (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT) 로구분된다 [2,5,6]. 수평축풍력발전기는대형화가용이하고발전효율이높은장점이있는반면에바람의방향에따라낫셀 (Nacelle) 의방향을변화시켜주는요잉 (Yawing) 시스템이필요하다는단점이있다 [7]. 이에비해수직축풍력발전기는바람의방향에관계없이운전이가능하기때문에요잉 (Yawing) 시스템이필요하지않아구조가단순하여제작및유지보수가용이할뿐만아니라비용이저렴한장점이있지만수평축에비해발전효율이떨어지는단점이있다 [8,9]. 이중최근들어소음이거의없고저풍속에서도직접발전이가능한독립형소형수직축풍력발전기에대한관심이증가하고있으며 [10], 그중단순한형태로실용화가용이한자일로밀형수직축풍력발전기에대한연구가활발히진행되고있다 [11-13]. 한편조우석 [14,15] 등은 200W급자이로밀형소형수직축풍력터빈로터블레이드의형상설계및유동해석과, 유체-구조연성해석을각각수행하였고, 강덕훈 [16] 등은도시형소형수직축풍력발전기의형태별성능에대한실험적고찰을수행하였지만자이로밀형 (gyromill type), 힌지형 (hinge type), 양문형 (double door type) 블레이드에대한실험적연구는아직수행된적이없다. 이중양문형의경우, 저풍속에서는양쪽문이닫혀있어바람을받는면적이넓어가장큰토오크가발생하고, 중풍속에서는양쪽문이열려지기시작하여바람을받는면적이조금씩작아져토오크가자동조정되며, 강풍에서는양쪽문이모두열려져회전토오크가최소화되는특징을갖고있다. 이에본연구에서는양문형블레이드의우수성을검증하기위해블레이드형태에따른자이로밀형, 힌지형, 양문형을제작하였으며, 출력특성실험을수행하였다. 2. 실험방법본연구에사용된자이로밀형수직축풍력발전기블레이드는 Fig. 1에서보는바와같이블레이드수는총 3매이며, 블레이드의재질은나무를사용하였다. Fig. 2 와 Fig. 3은힌지형및양문형수직축풍력발전기블레이드로블레이드수는자이로밀형과동일하게총 3매이며, 블레이드재질은알루미늄판을사용하였다. 힌지형은각블레이드의중간에경첩을달아제작하였으며, 양문형은수직으로세워진두개의직사각판에서, 직사각판의수직변한개씩을마주보게 V자형으로놓고, V자형의외각쪽직사각판면적에서높이에따르는수평길이의중심부에각각수직회전축을고정하였다. V자형의내각을 120~160도로놓으며, V자형을유지하도록 V자형의외각쪽두개의직사각평판표면사이를스프링으로각각연결하였다. 풍력발전기는최대출력 71W급의스텝모터 (P22 NR x B-LNN-NS-00) 에결선을바꾸어모터가발전기의역할을할수있도록구성하였다. 풍속발생장치를이용하여최대풍속이 12m/s가되도록구성하였으며, 블레이드의효율을향상시키기위해지상에서 170cm의높이로풍속발생장치와블레이드의높이를일치시켰으며발전기의축은 90도가맞추어프레임에고정시켰다. AD Power HPM-300A 측정장비를사용하여풍속이변화될때블레이드형태에따른발전기의출력전압및출력전류를측정하였으며, 측정되어진결과값을이용하여출력전류를계산하였다. Fig. 1. Gyromill type 89

한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 Fig. 2. Hinge type Fig. 4. Generator output voltage according to wind speed 3.2 발전기출력전류데이터 Fig. 5는풍속이변화될때블레이드형태에따른발전기의출력전류를측정한데이터이다.

양문형의경우힌지형블레이드와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는출력전류가측정되지않았으며, 풍속 3m/s 11m/s일때 27mA 83mA의출력전류가측정되었다. Fig. 3. Double door type 3. 실험결과 3.1 발전기출력전압데이터 Fig. 4는풍속이변화될때블레이드형태에따른발전기의출력전압을측정한데이터이다.

3 한국산학기술학회논문지제 18 권제 12 호, 2017 Fig. 2. Hinge type Fig. 4. Generator output voltage according to wind speed 3.2 발전기출력전류데이터 Fig. 5는풍속이변화될때블레이드형태에따른발전기의출력전류를측정한데이터이다. 자이로밀형의경우풍속 1m/s 4m/s까지는출력전류가측정되지않았으며, 풍속 5m/s 11m/s일때 18mA 43mA의출력전류가측정되었다. 힌지형의경우풍속 1m/s 2m/s까지는출력전류가측정되지않았으며, 풍속 3m/s 11m/s일때 22mA 79mA의출력전류가측정되었다. 양문형의경우힌지형블레이드와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는출력전류가측정되지않았으며, 풍속 3m/s 11m/s일때 27mA 83mA의출력전류가측정되었다. Fig. 3. Double door type 3. 실험결과 3.1 발전기출력전압데이터 Fig. 4는풍속이변화될때블레이드형태에따른발전기의출력전압을측정한데이터이다. 자이로밀형의경우풍속 1m/s 4m/s까지는출력전압이측정되지않았으며, 풍속 5m/s 11m/s일때 0.8V 2.1V의출력전압이측정되었다. 힌지형의경우풍속 1m/s 2m/s까지는출력전압이측정되지않았으며, 풍속 3m/s 11m/s일때 1.1V 3.2V의출력전압이측정되었다. 양문형의경우힌지형블레이드와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는출력전압이측정되지않았으며, 풍속 3m/s 11m/s일때 1.1V 3.5V의출력전압이측정되었다. Fig. 5. Generator output current according to wind speed 3.3 발전기출력전력데이터 Fig. 6 은풍속이변화될때블레이드형태에따라측 90

4 정되어진발전기의출력전압및출력전류를계산한데이터이다. 자이로밀형의경우풍속 5m/s 11m/s일때 14.4mW 90.3mW의출력전력이계산되어졌다. 힌지형의경우풍속 3m/s 11m/s일때 24.2mW 252.8mW의출력전력이계산되어졌다. 양문형의경우풍속 3m/s 11m/s일때 29.7mW 290.5mW의출력전력이계산되어졌다. Fig. 6. Generator Output Electric Power according to wind speed 3.4 분석및고찰최대풍속 11m/s일때블레이드형태에따른발전기출력전압을측정한결과, 양문형의경우자일로밀형보다 67% 의증가율로다소큰차이를보였으나, 힌지형보다는 9% 의증가율로미세한차이를보였다. 최대풍속 11m/s일때블레이드형태에따른발전기출력전류를측정한결과, 양문형의경우자일로밀형블레이드보다 93% 의증가율로다소큰차이를나타내었으나, 힌지형보다는 5% 의증가율로미세한차이를보였다. 최대풍속 11m/s일때출력전력을계산한결과, 양문형의경우자이로밀형보다 222% 의증가율로다소큰차이를나타내었으나, 힌지형보다는 15% 의증가율로미세한차이를보였다. 양문형과힌지형의경우자이로밀형보다블레이드의면적이넓어풍력발전이용이하기때문에출력특성이증가되었다고판단되어진다. 또한양문형은저풍속에서는넓은면적의두개의사각판이풍력을받아미풍에서도발전이가능하고, 풍속이증가할수록사각판의사이가벌어져풍력을받는면적이좁아지게되어고풍속에서도안정된출력이가능하다고판단되어진다. 이 를통해양문형블레이드를적용하면자이로밀형및힌지형블레이드를적용했을때보다출력이증가됨을확인하였다. 4. 결론 본연구에서는자이로밀형, 힌지형, 양문형의블레이드를적용한소형수직형풍력발전기의출력특성을분석하였고, 그연구결과를요약하면다음과같다. 1) 블레이드형태에따른출력특성을분석한결과자이로밀형은풍속이최소 5m/s 이상이되어야만발전기출력특성이나타났지만, 힌지형과양문형은최소 2m/s 이상이되면발전기출력특성이나타났다. 2) 최대풍속 11m/s일때출력전압을측정한결과자이로밀형은 2.1V, 힌지형은 3.2V, 양문형은 3.5V 의출력전압이측정되었다. 3) 최대풍속 11m/s일때출력전류를측정한결과자이로밀형은 43mA, 힌지형은 79mA, 양문형은 83mA 의출력전류가측정되었다. 4) 본연구를통해양문형블레이드를적용하면자이로밀형및힌지형보다발전기출력특성이개선됨을확인하였고, 본연구자료는추후소형수직축풍력발전기설계및제작에기초자료로활용될수있을것으로판단된다. References [1] B. K. Kim, Y. H. Kim, W. S. Song, S. B. Lee, S. K. Nam, S. M. Kim, An Experimental Study on the Performance of the Vertical-Axis Wind Turbine, The KSFM Journal of Fluid Machinery, vol. 10, no. 3, pp , June, DOI: [2] J. H. Kim, I. H. Ryu, B. G. Kim, C. J. Yang, A Study on the Vertical Axis Wind Turbine Performance in Different Blade Shapes, The KSFM Journal of Fluid Machinery, vol. 20, no. 4, pp , August, DOI: [3] D. S. Choi, Structural Analysis and Design of Small Wind Turbine Blade, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 14, no. 1, pp , February, DOI: [4] K. S. So, C. W. Choi, D. C. Lee, K. W. Kang, 91

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