Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 11 pp. 663-667, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.11.663 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 이민구, 박왈서 * 원광대학교전기공학과 Output Characteristics of Small Wind Power Generator Applying Multi-Layered Blade Min-Gu Lee, Wal-Seo Park * Department of Electrical Engineering, Wonkwang University 요약최근화석연료의사용으로인한연료고갈및환경문제가대두되고있으며이를해결하기위한대체에너지개발이시급한실정이다. 풍력에너지는대체에너지중지속적으로무제한사용할수있고공해물질배출이없는청정에너지로각광받고있다. 풍력발전은바람에너지가로터블레이드를통해서운동에너지로변환되고다시발전기를통해서전기에너지를발생시키는에너지변환기술이며, 풍력발전기의중요부품인블레이드의설계및제작은매우중요한요소이지만, 우리나라는이에대한기초자료및핵심기술등이부족하여아직도중요부품들을외국에서수입하여사용하고있는실정이다. 본연구에서는저풍속에서도발전가능한다층형구조의블레이드를소형풍력발전기에적용하여풍속및블레이드개수에따른발전기의출력특성을분석하였다. 연구결과, 최대풍속 8m/s일때블레이드 3개를적용하면블레이드를 1개및 2개를적용했을때보다발전기출력전압은 33% 및 18% 로증가되었고, 발전기출력전류는 33% 및 15% 로증가되었으며발전기 RPM은 23% 및 13% 로증가되었다. 본연구에서다층형구조의블레이드를소형풍력발전기에적용한결과발전기의출력특성이향상되었고저풍속에서도전기에너지의수집이가능함을확인하였다. Abstract Fuel depletion and environmental problems due to the use of fossil fuels have been worsening of late, and the development of alternative energy sources is urgently required to address these problems. Among the alternative energy sources, wind energy is attracting much attention as a clean energy source, because it can be used unlimitedly without any pollutant emissions. In wind power generation, wind energy is converted to kinetic energy through rotor blades and this kinetic energy is converted to electric energy through generators. The design and manufacturing of the blades, which are the major parts of wind power generators, are very important, but South Korea still lacks the requisite basic data and key technologies and, therefore, has to import the blades from overseas. In this study, multi-layered blades capable of generating power at low wind speeds were applied to a small wind power generator and the output characteristics of the generator according to the wind speed and the number of blades were analyzed. As a result, at the maximum wind speed of 8m/s, the application of three blades achieved up to 33% and 18% higher generator output voltage, up to 33% and 15% higher generator output current, and up to 23% and 13% higher generator RPM than the application of one or two blades, respectively. In this study, the application of multi-layered blades to a small wind power generator was shown to improve the output characteristics of the generator and make the collection of electric energy possible even at low wind speeds. Keywords : Horizontal Axis Wind Turbine(HAWT), Multi-Layered Blade, Output Current, Output Voltage, Small Wind Power Generator 본논문은 2016학년도원광대학교의교비지원에의해서수행되었음. * Corresponding Author : Wal-Seo Park(Wonkwang Univ.) Tel: +82-63-850-6890 email: wspark@wku.ac.kr Received October 16, 2017 Revised (1st October 31, 2017, 2nd November 2, 2017) Accepted November 3, 2017 Published November 30, 2017 663
한국산학기술학회논문지제 18 권제 11 호, 2017 1. 서론최근우리사회는화석연료의사용으로인한지구에너지의고갈및환경오염등의문제가발생되고있으며이를해결하는방안으로그린화를목적으로소형풍력발전시스템에대한관심이증가하고있다 [1-4]. 세계최대의 NGO 중하나인그린피스에서는향후신재생에너지의 1순위를풍력발전으로내세우고있으며최근유럽이나미국등에서는건물에적용가능한소형풍력발전시스템의보급이크게유행하고있다 [5,6]. 현재국내풍력발전기의현황으로대형풍력발전기는설치비가고가이며, 12m/s 이상의정격풍속을요구함에따라내륙에서의풍력발전의설치는어려운상황이다 [7]. 반면에소형풍력발전기의경우설치비가저가이고시공기간및보수기간이짧아최근에는미풍에도기동되는소형풍력터빈이개발되어지고있다 [8,9]. 풍력발전용블레이드는바람의운동에너지를기계적회전에너지로변환하여발전기를구동시키는핵심부품이기때문에블레이드의설계및제작은매우어려운과제이며중요한요소이다 [10-12]. 따라서본연구에서는풍력을이용한출력특성을향상시키기위하여기존에사용되어지고있는 1층의블레이드에 2층과 3층을추가로적용한다층형구조의소형풍력발전기를제안하였으며, 풍속에따른발전기의출력특성을분석하였다. 이를통하여블레이드설계의타당성과풍력발전기의상용화가능성을검토하고자한다. 발전기는자동차용발전기 (150A, DC24V) 를사용하였고, 발전기의계자권선의전압은전원공급기를통하여 DC12V를인가하였다. 발전기는지상으로부터 150cm의높이로고정하여풍속측정이용이하도록하였다. 프로펠러형블레이드는길이 50cm, 넓이 12cm 크기의아크릴로제작하였으며 120도의각도로 3매를조합하였다. 조합되어진블레이드는총 3개를제작하였으며각각의블레이드설치에따라풍속을인가한후발전기의출력전압, 출력전류및 RPM을측정하였다. AD Power HPM-300A 측정장비를이용하여발전기의출력전압및출력전류를측정하였으며, B사의 RPM 측정기를이용하여발전기회전수를측정하였다. 3. 실험결과 3.1 발전기출력전압측정 Fig. 2는풍속이변화될때블레이드개수에따른발전기의출력전압을측정한데이터이다. 블레이드 1개를적용한결과풍속 1m/s 4m/s까지는출력전압이측정되지않았으며풍속 5m/s 8m/s일때 0.4V 1.5V의출력전압이측정되었다. 블레이드 2개를적용한결과풍속 1m/s 2m/s까지는출력전압이측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 0.5V 1.5V의출력전압이측정되었다. 2. 실험방법 다층형구조의블레이드를적용한소형풍력발전기의실험시스템은 Fig. 1과같이구성하였다. Fig. 2. Generator output voltage according to wind speed Fig. 1. Configuration of experimental system 664
또한블레이드 3개를적용한결과블레이드 2개를적용한결과와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는출력전압이측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 1.1V 2.0V의출력전압이측정되었다. 블레이드개수에따른발전기출력전압을비교한결과최대풍속 8m/s일때블레이드 3개를적용하게되면블레이드 1개및 2개를적용하였을때보다각각 33% 및 18% 의발전기출력전압이증가되었다. 3.2 발전기출력전류측정 Fig. 3은풍속이변화될때블레이드개수에따른발전기의출력전류를측정한데이터이다. 블레이드 1개를적용한결과풍속 1m/s 4m/s까지는출력전류가측정되지않았으며풍속 5m/s 8m/s일때 10mA 32mA의출력전류가측정되었다. 블레이드 2개를적용한결과풍속 1m/s 2m/s까지는출력전류가측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 12mA 37mA의출력전류가측정되었다. 또한블레이드 3개를적용한결과블레이드 2개를적용한결과와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는출력전류가측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 14mA 42.5mA의출력전류가측정되었다. 블레이드개수에따른발전기출력전류를비교한결과최대풍속 8m/s일때블레이드 3개를적용하게되면블레이드 1개및 2개를적용하였을때보다각각 33% 및 15% 의발전기출력전류가증가되었다. 3.3 발전기 RPM 측정 Fig. 4는풍속이변화될때블레이드개수에따른발전기의 RPM을측정한데이터이다. 블레이드 1개를적용한결과풍속 1m/s 4m/s까지는 RPM이측정되지않았으며풍속 5m/s 8m/s일때 40회 110회의 RPM이측정되었다. 블레이드 2개를적용한결과풍속 1m/s 2m/s까지는 RPM이측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 45회 120회의 RPM이측정되었다. 또한블레이드 3개를적용한결과블레이드 2개를적용한결과와동일하게풍속 1m/s 2m/s까지는 RPM이측정되지않았으며풍속 3m/s 8m/s일때 75회 135회의 RPM이측정되었다. 블레이드개수에따른발전기 RPM을비교한결과최대풍속 8m/s일때블레이드 3개를적용하게되면블레이드 1개및 2개를적용하였을때보다각각 23% 및 13% 의발전기 RPM이증가되었다. Fig. 4. Generator RPM according to wind speed Fig. 3. Generator output current according to wind speed 3.4 분석및고찰소형풍력발전기는대형풍력발전기에비하여저풍속의낮은곳에설치하므로, 기존의 1층의블레이드를갖는소형풍력발전기는투자대비회수율이낮아거의보급되지않으므로본논문에서는풍력의이용률을높이는데목적을두었다. 다층형블레이드의출력특성향상을위하여항력형의블레이드를제작하였으며, 1, 2, 3층으로블레이드개수를증가시키며실험을수행하였다. 1층블레이드를적용할때보다 2층블레이드를적용하였을때가출력이증가 665
한국산학기술학회논문지제 18 권제 11 호, 2017 하며, 2층블레이드를적용할때보다 3층블레이드를적용하였을때가출력이증가하는것을확인할수있었다. 블레이드를다층으로적용하면 1층블레이드에서동력화하지못한풍력을 2층과 3층블레이드에서동력화가가중되기때문에출력이증가함을알수있다. 이와같은결과는, 다층블레이드는저풍속에서풍력의이용률을증가시키므로소형풍력발전기의출력특성향상에기여할수있을것으로사료된다. 4. 결론본연구는다층구조의블레이드를소형풍력발전기에적용하여발전기출력향상및상용화가능성을검토하기위하여실험을수행하였으며그연구결과를요약하면다음과같다. 풍속에따른발전기출력특성을분석한결과블레이드 1개를적용시풍속이최소 5m/s 이상이되어야만발전기출력특성이나타났지만블레이드 2개및 3개를적용시풍속이최소 2m/s 이상이되면발전기출력특성이나타났다. 또한최대풍속 8m/s일때블레이드 3개를적용하게되면블레이드 1개를적용했을때보다출력전압 33%, 출력전류 33%, RPM 23% 가증가되었다. 연구결과블레이드 3개를적용하게되면저풍속에서도전기에너지의수집이가능함을확인하였다. 본연구에서얻어진결과를통해다층구조의블레이드가소형풍력발전기의출력향상에적합함을확인하였고, 다층형블레이드의보완및최적설계를수행한다면, 향후저풍속에도효율적인소형풍력발전기를개발및제작할수있을것이다. and Power Converter Efficiency according to change of Wind Velocity, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 29, no. 7, pp. 8-13, July, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5207/jieie.2015.29.7.008 [4] S. Y. Kim, H. S. Choi, J. H. Eum, An Analysis of Building-connected Wind Turbines according to Changes of Environmental and Energy Policy, New & Renewable Energy, vol. 12, no. 2, pp.12-19, June, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2016.06.12.2.12 [5] Y. S. Lee, J. Y. Kim, Generation Efficiency Characteristics of Small Wind Power for Green Energy Utilization, Appl. Chem. Eng., vol. 26, no. 4, pp. 489-494 August, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.14478/ace.2015.1063 [6] K. P. You, Y. M. Kim, Evaluating the Output of Small-size Wind Power Generators Using Weibull Data, Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 32, no. 2, pp. 95-104, April, 2012. DOI: https://doi.org/10.7836/kses.2012.32.2.095 [7] Small and Medium Business Administration, The Wind Energy Market Technical Report, Daejeon, Korea, 2009. [8] A. N. Celik, Energy output estimation for Small-scale wind power generators using Weibull-representative wind data, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 91, pp. 693-707, 2003. DOI: http://doi.org/10.1016/s0167-6105(02)00471-3 [9] H. J. Yun, Green Power Generation with Urban Small-Scale Wind Turbines, New Physics: Sae Mulli, vol. 66, no. 9, pp. 1190-1199, September, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.3938/npsm.66.1190 [10] 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. 85-91, February, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.1.085 [11] C. H. Park, C. H. Lee, J. W. Moon, S. J. Kim, Test and Method for Measuring of Small Wind Generator Performance, Conference of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 100-100, April, 2017. [12] J. Y. Yoon, I. S. Paek, N. S. Yoo, Development of an aerodynamic design program for a small wind turbine blade, Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 33, no. 1, pp. 40-47, February, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7836/kses.2013.33.1.040 References [1] Y. S. Lee, J. Y. Kim, Small Wind Turbine Installed at the University Building Rooftop for Green Energy Utilization, New & Renewable Energy, vol. 10, no. 3. pp. 14-21, September, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2014.10.3.014 [2] J. C. Park, N. H. Kyung, A Study on the Application of Small Wind Power System in Apartment Housing, Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 23, no. 2. pp. 21-34, June, 2003. [3] Y. S. Song, W. K. Han, J. S. Jung, H. S. Lim, S. K. Cho, T. H. Jeon, A Study on Generator Temperature 666
이민구 (Min-Gu Lee) [ 정회원 ] 2016 년 2 월 : 한밭대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 2016 년 3 월 현재 : 원광대학교대학원전기공학과박사과정 < 관심분야 > 재생에너지, 전기화재 박왈서 (Wal-Seo Park) [ 정회원 ] 1985 년 2 월 : 조선대학교대학원전기공학과 ( 공학석사 ) 1992 년 2 월 : 원광대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 9 월 현재 : 원광대학교전기공학과교수 < 관심분야 > 재생에너지, 변환장치개발 667