Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 3 pp. 1272-1278, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.3.1272 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 조현성 1, 정광섭 2, 김철호 3* 1 서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원, 2 서울과학기술대학교공과대학건축학부 3 서울과학기술대학교공과대학기계 자동차공학과 An Experimental Study for the Performance Analysis of a Vertical-type Wind Power Generation System with a Cross-flow Wind Turbine Hyun-Sung Cho 1, Kwang-Seop Chung 2 and Chul-Ho Kim 3* 1 NID Fusion Graduate School, Seoul Nationall University of Science and Technology 2 School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology 3 Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology 요약본최근성장하고있는해상풍력의실험연구에서풍동시험이수직형횡류풍력발전시스템의성능을조사하기위해실시되었다. 풍동의시험부분은제한된크기로인해실제풍력발전의입구안내베인을약 1/5로축소시켰고, 터빈임펠러의지름을모형임펠러의 1/2로감소시켰다. 임펠러블레이드갯수는풍력발전시스템의출력에대한또다른중요한변수이기때문에 8개와 16개로변경하여시험하였다. 실험분석결과, 모형풍력터빈의출력제동력은정격풍속 12m/s에서블레이드갯수가 8개보다 16개일때 82% 출력이증가된 278와트로측정되었고, 정격제동력은정격작동조건에서 3.9kW로계산되었다. Abstract In this experimental study for the current growing offshore wind, a wind tunnel test was conducted to examine the performance of the vertical-type cross-flow wind turbine power generation system. Due to the limited size of the test section of the wind tunnel, the inlet guide vane of the original wind power generation was scaled down to about 1/5 and the turbine impeller diameter was also reduced to 1/2 of the prototype impeller. The number of the impeller blade is another important parameter to the output power of the wind power generation system and the number was varied 8 and 16. From the analysis of the experimental result, the output brake power of the model wind turbine was measured as 278watts with the 16-blade at 12 m/s of the rated wind speed and the rated brake power of the prototype wind turbine is calculated to 3.9kW at the rated operating condition. Key Words : Computational fluid dynamics, Cross-flow wind turbine, Wind tunnel test, Wind turbine 1. 서론 태양열, 수력, 조류, 조력등의다른종류의신재생에너지 에비해에너지밀도가매우낮아개발의가치가낮게평 대기의기압차에의해발생하는바람의운동에너지를 가되어왔었다. 최근바람의방향과세기가지상의바람에 전기에너지로변환하기위해에너지변환장치로풍력터 비해우수한해상풍력에너지자원의개발에풍력발전의 빈을개발하여활용해오고있다. 풍력에너지는태양광 / 선진국들이적극나서고있다. 본논문은국토해양부첨단도시개발연구개발사업의연구비지원 ( 과제번호 12첨단도시C12 ) 에의해수행되었음. * Corresponding Author : Chul-Ho Kim(Seoul National Univ. of Science and Technology) Tel: +82-10-5219-6304 email: profchkim@seoultech.ac.kr Received February 4, 2014 Revised March 3, 2014 Accepted March 6, 2014 1272
풍력발전을위한바람에너지의질은크게세가지로정의될수있다. 즉바람의방향과풍속그리고바람의지속성이바람의질을결정하는중요한요소이다. 이러한측면에서볼때지상에서의바람은해상에서발생하는바람에비해난류성이강한질이낮은풍력에너지자원이다. 본실험연구에서는선행설계연구 [1] 에서개발된 2kW 급풍력발전시스템의축소모델을제작하였으며개방형아음속풍동장치를이용하여풍속과풍력발전용터빈의날개기수의변화에따른제동출력을측정하였다. 이러한모델풍력발전장치의실험결과를바탕으로실물풍력발전장치에서생산하게되는출력성능을산출해보았다. 1.1 성능평가실험결과및분석모델풍력발전장치의풍속변화에따른터빈임펠러의회전수와토크의크기변화를알아보았다. 일정한풍속즉풍력발전장치로유입되는바람의운동에너지가일정한조건에서터빈의회전수를증가시키면토크는감소하게되며, 터빈날개의기수가증가할수록많은풍력에너지를흡수한다는사실을알수있다. 또한동일한풍속에서터빈의날개기수가 8개보다 16개일때가에너지흡수율이높다는사실을알수있다. 즉 8m/s 의풍속에서날개기수가 8개일때에는최대토크가 43.7 N m정도이나 16개일경우에는약 48.0 N m 정도로약 10% 정도제동토크가증가한다는사실을알수있다. 최대회전수역시날개기수가 16개일때가약 49% 증가하였다. 1.1.2 모델풍력발전장치에서터빈회전수변화에따른제동출력변화 Fig. 2는실제프로토형풍력발전시스템에비해약 (1/5) scale의크기인모델풍력발전시스템의제동출력의변화를나타내는선도이다. 일정한풍속에서터빈의회전수가증가할때출력이증가하나특정속도에도달하게되면제동토크의감소로출력이다시감소하게된다. 8m/s의동일한풍속에서터빈날개의기수가 8개인경우는최대출력이 65.3watt로측정되나 16개인경우는최대출력이약 42% 증가하는 92.8watt가측정되었다. 1.1.1 풍속변화에따른터빈의토크 / 회전수변화 Fig. 1에서알수있듯이일정한풍속에서유입되는바람의운동에너지가일정하므로회전수가감소하게되면터빈의제동토크는증가한다는사실을알수있다. (a) (a) (b) [Fig. 1] Variation of the model turbine speed with the brake torque with the change of the wind speed. (a) No. of turbine blade : 8ea, (b) No. of turbine blade : 16ea (b) [Fig. 2] Variation of the brake torque of the model turbine with the turbine rotational speed with the change of the wind speed. (a) Brake power (kw) of model turbine @ 8 blades, (b) Brake power (kw) of model turbine @ 16 blades 1273
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 1.1.3 실물풍력발전장치에서터빈회전수변화에따른제동출력변화본실험연구에서설계 / 제작하여출력성능을실험한모델풍력발전장치 (model wind power system) 의크기는실물풍력발전장치 (Prototype wind power system) 에비해기하학적으로입구의면적비가약 (1:5.6) 이며, 터빈임펠러의직경역시 (1:2) 의비율로축소된크기이다. 즉, (1) 실물풍력발전장치 (Prototype Wind Turbine) 의크기 : - 입구가이드베인면적 : 16m x 2m - 실물터빈의투영면적비 : 2m x 2m (2) 축소모델발전장치 (Model Wind Turbine) 의크기 : - 입구가이드베인면적 : 3.6m x 1.6m - 모델터빈의투영면적비 : 1m x 1.6m 위의실물형상과모델형상의기하학적형상의비율을고려하여실물형상풍력발전장치의출력성능을예측해보면, 유입되는공기의운동에너지의량이약 5.6배증가하게되며, 터빈임펠러를통해흡수되는에너지의량역시이론적으로약 2.5배정도증가하는것으로판단할수있다. 이러한기학학적상사 (geometrical similarity) 의개념을도입하여모델과실물형상풍력발전시스템의출력성능을예측해보면, Fig. 2에서알수있듯이날개의기수가 2배인 16개의터빈임펠러를장착하였을경우제동출력이매우크게증가한다는사실을알수있다. 정격풍속인 12m/s에서 8 개의기수인경우는출력이 153watt이며, 16개인경우는 278watt로산출되었다. 즉약 82% 정도출력이증가하는것으로나타났다. Fig. 3은실물풍력발전시스템의제동출력 (brake ower) 을산출한결과이다. 바람의정격속도인 12m/s에서날개의기수가 8개인경우출력이 2.14kW가산출되었으며, 16개인경우는제동출력이약 82% 증가한 3.9kW로산출되었다. 2. 본론 2.1 횡류형수직풍력발전장치의구조및형상설계 본연구에서개발중인풍력발전시스템은기존의축류형 (axial-flow type) 방식과는달리육상바람의질 (wind quality) 의문제를극복하기위해저풍속 (4m/s) 에서도발전이가능하도록터빈의입구에바람의에너지를모으는역할을하는입구가이드베인 (inlet guide vane) 을설치하였으며이가이드베인은바람의방향에상관없이바람의유입각도를터빈임펠러의최적유입각도를유지하는역할을하게된다. 본연구에서개발된수직축횡류형풍력터빈은양력식터빈이아닌항력식발전용풍력터빈으로바람의속도에너지가입구쪽의가이드베인을통과하는순간가속이되며, 터빈임펠러의입구에서압력에너지로전환되어터빈임펠러를회전시키는회전일로변환된다. Fig. 4에서알수있듯이터빈입출구에서의압력차가클수록터빈을구동하는가용에너지가커지게되며, 선행연구 [1] 를통해알수있었듯이터빈임펠러외부에설치되는가이드베인의구조물은터빈임펠러의출구부분에서강한와류현상을유발하며이로인해터빈임펠러전후방에서의압력차를증폭시키는역할을하게되며이는항력식풍력터빈에매우긍정적인작용을하게된다. [Fig. 3] Variation of the brake power of the prototype wind turbine with the wind speed with the change of the blade number. [Fig. 4] Physical concept of the model wind power generation system: 16m(W)x16m(L)x2m(H) 1274
2.1.1 풍력발전장치의구조 Fig. 5는본연구에서개발된횡류형터빈을장착한 2kW급수직풍력발전장치의평면형상을보여준다. 2.1.2 횡류형풍력터빈임펠러의구조 Fig. 7는본연구에서개발된횡류형터빈임펠러의평면도를보여준다. 본실험연구를위해 (1/2) scale의축소모델을제작하여출력성능실험을실시하였다. 임펠러블레이드의코드 (chord) 길이는 31.7cm이며, 붙임각 (θ) 은 15도이다. 임펠러의 (Rh/Rt)R는 0.4로설계하였으며임펠러날개의기수는 8개와 16개로고정하여설계하였다. [Fig. 5] Configuration of the developed model wind power generation system; (top-side view) 실제풍력터빈입구에설치되는가이드베인입구면적의크기는 (16mx2m) 로설계되어지나본실험연구에서는가용한아음속풍동의검사체적의크게에맞추어가이드베인입구의면적비를실물의약 1/5 scale로제작하여설계풍력터빈의성능평가시험을실시하였다. 실험을위한모델가이드베인의입구와목의면적비 (AR=Ath/Ain) 는 0.19로설정하였다. Fig. 6은아음속풍동의검사공간내부에설치된 1/5 축소모델풍력발전장치의형상을보여준다. [Fig. 7] 2-Dimensional view of the model turbine impeller and its geometry. [Fig. 8] The model turbine impeller assembled with 16 blades and mounted on the test d.fig. 8는터빈블레이드가 16개장착된임펠러가조립되어토크와회전수를측정하는장치에장착된모습을보여준다. [Fig. 6] The model wind turbine system with the guide vanes and turbine impeller installed at the test section of the subsonic wind tunnel. 2.2 풍력발전시스템의성능평가실험본실험연구에서는선행연구 [2] 를통해설계된수직형풍력발전시스템의최적화축소모델을완성하고, 제작하여풍력발전성능을평가하기위해실험용풍동실험을실시하였다. 실험풍속을 3단계로나누어모델터빈의출력성능을측정하였으며, 풍속변화에따른터빈의회전수 1275
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 와토크를측정하여제동출력을산출하였다. 2.2.1 실험을위한풍동시험장치개발된모델풍력발전장치의풍속조건변화에따른제동출력 (brake power) 을측정하기위해개방형풍동을사용하였으며풍동검사부의재원은폭 4.5m, 높이 2.5m 그리고길이 25m로자세한작동제원은아래 Table 1에주어진바와같다. 풍동은아음속개방형풍동으로검사부의폭과높이가각각 4.5m, 2.5m로검사부의크기를고려하여본연구에서개발한모델풍력발전장치의크기를결정하여가이드베인의크기는약 (1/5) 배로축소하고풍력터빈임펠러의경우는 (1/2) 배의크기로축소하여제작하여실험을실시하였다. [Table 1] Specification of the Wind Tunnel Type Subsonic Open-type Wind Tunnel Total Length 52m Test section size 4.5m 2.5m 25m Wind speed 0.3 17.5m/s Turbulent intensity 5% Flow uniformity within 1.5% Fig. 9은본연구에사용된개방형아음속풍동이평면도를보여주며검사부 (test area) 의중앙부에모델풍력터빈을설치하고바람속도변화에따른토크와임펠러회전수를계측하여터빈의제동출력을산출하였다. [Fig. 10] Assembly of the electric brake system and digital torque meter with the model turbine impeller. Fig. 10은터빈임펠러하단부위에설치된전자제어식제동장치 (electric controlled brake system) 과터빈임펠러축과제동장치축사이에설치되어축의제동토크 (brake torque) 변화를측정하기위한동력계의사진을보여준다. 2.2.2 터빈성능평가를위한주요실험변수 본연구에서설계 / 제작된풍력발전시스템은가이드베인의크기가 3.6m x 3.6m x 1.6m이며, 내부에장착되는횡류형터빈임펠러는 Fig. 4에서보듯이외경이 1.0m, 내경이 0.4m이며날개의기수가 8, 16개인 2종류를제작하여실험을실시하였다. 모델발전장치를풍동의시험부에설치후풍동의가용풍속을판단하기위해예비실험을실시하였으며그결과풍동팬속도의변화에따른최대풍속이 8.5m/s로계측되었다. 이를근거로실험을위한풍속을결정하였다. 발전장치의입구풍속은 4m/s, 6m/s, 8m/s 3단계로나누어실험하였으며이때바람의속도와온도는가이드베인입구의전방 3.5m에서측정하였다. [Table 2] Experimental Parameters and Its Ranges [Fig. 9] Top-view of the 4.5x2.5x25m open-type low speed wind tunnel. 제동출력의산출을위해터빈임펠러의하단부위에토크미터와전자제어식제동장치를부착하고각실험풍속 (4, 6, 8m/s) 에서터빈의회전수를변화시켜가며제동토크 (brake torque) 의변화를계측하였다. Parameter Range Wind speed 4~8m/s No. of Blade 8, 16 Wing-tip clearance 10mm 2.3 실험결과분석을위한이론풍속의변화에따라터빈임펠러의제동토크와임펠러회전수를측정하여제동출력은다음의식으로풍력터빈의제동출력을산출하는이론은다음과같다. 1276
- 풍력터빈의제동출력 (Pbrake), - 풍력터빈의유입에너지 (Pinlet), - 풍력터빈의제동효율 ( ) 3. 결론 본실험연구에서는현재까지설계된횡류형터빈을장착한수직형풍력발전시스템을제작하여풍동장치를이용하여풍속의변화에따른모델풍력발전장치에서의제동출력성능을측정하였다. 또한본실험을결과를바탕으로실물크기의프로토형풍력발전시스템에서의출력성능을산출하였다. 실험결과에의하면최초연구과제의목표치인풍속 12m/s에서풍력발전시스템당 2kW의출력을충분히생산할수있는풍력발전시스템의개발이가능한것으로판단된다. 본연구결과를정리해보면, (1) 모델풍력발전시스템출력성능의경우정격풍속인 12m/s의속도에서날개기수가 8개일때 153watt의출력이측정되었으며, 16개인경우는 82% 의출력이증가된 278watt의출력이계측되었다. 즉터빈날개의기수가증가할수록보다많은바람의속도에너지를흡수한다는사실을알수있었다. 선행의이론연구 [3] 에서는날개의기수가최대 24개까지출력이증가하는것으로나타났으므로추후보완적실험연구가필요한것으로판단된다. (2) 모델풍력발전시스템의실험결과를바탕으로기하학적상사의개념을도입하여프로토형실물풍력발전시스템의성능을산출해본결과정격풍속인 12m/s에서날개의기수가 8개인경우제동출력이 2.14kW가산출되었으며, 16개인경우는 3.9kW의출력이산출되었다. 이경우역시터빈날개의기수를최대 24까지늘였을때출력이더욱상승할것으로기대되며보완연구가필요한것으로판단된다. References [1] Kwang-Seop Chung, Chul-Ho Kim, Hyun-sung Cho, Effect of Rear-Vortex of a Convergent-Divergent Duct on the Flow Acceleration Installed in a Vertical Structure, Korean J. Air-Conditioning and Ref. Eng., Vol. 25, No. 2, pp. 94-10, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.6110/kjacr.2013.25.2.094 [2] Sang-Hoon Jung, Kwang-Seop Chung, Chul-Ho Kim, Development of a Cross-flow Type Vertical Wind Power Generation System for Electric Energy Generation Using Convergent-Divergent Duct, Korean J. Air-Conditioning and Ref. Eng., Vol. 23, No. 8, pp.543-548, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.6110/kjacr.2011.23.8.543 [3] Kwang-Seop Chung, Chul-Ho Kim, Final Report : A development of 10kW-class wind power generation system applicable for the roof of the building, high-tech city development project in 2012., Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2012. [4] Douglas, J. F., et al, Fluid Mechanics, Prentice Hall, pp. 406-447, 2001. [5] Y. A.Cengel and J. M.Cimbala, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, McGraw-Hill International, 2nd edition, pp.472-476, 2009. 조현성 (Hyun-Sung Cho) [ 정회원 ] 1993 년 10 월 : NSW 대학교기계 생산대학원산업공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 2 월 : 서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원나노 IT 융합기술프로그램학과 ( 공학박사과정 ) 1999 년 1 월 ~ 2009 년 1 월 : 트라이인컴기술연구소연구소장 2013 년 8 월 ~ 현재 : 서정대학교자동차과겸임교수 < 관심분야 > 메카트로닉스, CFD 시뮬레이션, 정보통신 1277
한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 2014 정광섭 (Kwang-Seop Chung) [ 정회원 ] 1974년 2월 : 한양대학교공대건축공학과 ( 공학사 ) 1991년 8월 : 한양대학교대학원건축공학과 ( 공학박사 ) 2008년 10월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교건축기계설비연구소소장 1981년 6월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교건축학부교수 < 관심분야 > 친환경건축, 건축공기조화설비 김철호 (Chul-Ho Kim) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 인하대학교공과대학원항공공학과 ( 공학석사 ) 1995 년 7 월 : NSW 대학교기계 생산공학부대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1984 년 2 월 ~ 1986 년 7 월 : 육군 3 사관학교대학부전임강사 1987 년 9 월 ~ 1996 년 2 월 : LG 전자연구소책임연구원 1996 년 3 월 ~ 현재 : 서울과학기술대학교공과대학기계 자동차공학과교수 < 관심분야 > 엔진설계, 자동차공기역학, CFD 시뮬레이션 1278