소형 풍력발전 시스템용 저소음 경량화 복합재 블레이드의 설계에 관한 연구

Abstract

인류는 수천 년에 걸쳐 여러 가지 형태로 바람에너지를 이용해왔다. 가장 오래된 풍력의 이용은 돛에 의한 배의 추진이지만, 중국, 이집트 등의 문헌에는 풍차에 관하여 기술해 놓은 것이 있고, 이 문헌들에 의하면 풍차는 3000년 이전부터 사용되어온 것이 된다. 이렇게 오랜 역사를 가진 풍력발전기술은 현재까지 가장 경제성이 있는 신ㆍ재생에너지 기술이지만 전적으로 바람에 의존함으로서 발전전력의 양과 시스템의 효용성이 다소 낮은 편이다.[1] 그러나 세계는 에너지 위기를 맞이하고, 환경 문제 등을 겪으면서 청정에너지의 필요성이 커져 세계 여러 나라들은 그들이 과거에 풍력을 이용했던 경험과 학문적 이론 및 신기술을 풍력발전 기술에 집중 투자하여 소형 발전 시스템에서부터 MW급 발전 시스템에 이르기 까지 많은 연구 결과와 이용을 보이고 있다. 이러한 연구 결과들은 상업화로 이어져 기존 에너지원 보다 사용상에 있어 많은 불편함을 가지고 있음에도 불구하고 그 수요가 날로 늘고 있으며 많은 나라에서 그 이용을 증가시키기 위한 연구 개발에 노력하고 있다.[2] 풍력 발전 시스템의 출력은 직경의 제곱에 비례하는 특성이 있어서 MW급의 발전기들이 운용되고 있기도 하지만 대규모의 풍력발전 단지나 정부의 지원이 없이는 불가능한 제약이 있다. 반면, kW급 이하의 소형 풍력 발전시스템은 저 비용으로 개인이 직접 설치가 가능하며 좁은 면적의 단지에서도 충분히 운용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 소형 풍력발전기들의 최근 개발 추세는 가정의 상전과 연계하여 운용하거나 전원이 공급되지 않는 곳에서는 독립적으로 운용될 수 있도록 되어있으며, 배터리 충전을 통해 바람이 없는 시간대에도 어느 정도의 지속적인 전기 공급이 가능하도록 설계되어있다. 뿐만 아니라 태양 전지와 연계하여 운용되는 풍력 태양광 발전기, 디젤기관과 연계하여 운용되는 풍력 디젤 발전기 등의 복합 발전 시스템도 개발되고 있다.[2] 그러나 외국에서 개발•판매되고 있는 소형 풍력발전기는 정격 풍속이 12m/s 이상이므로 년 평균 풍속이 4m/s 내외인 국내에서는 충분한 전력을 생산할 수 없다. 또한 평상시 바람이 많지 않더라도 태풍과 같은 경우에는 최대 풍속이 50m/s 이상이 되는 경우도 적지 않다. 따라서 국내의 저풍속에서도 제 성능을 발휘하고 매우 큰 풍속에서도 안전한 풍력발전용 블레이드의 설계가 필요하다. 풍력발전용 블레이드는 복합재료를 사용하게 되면서 구조적 강도, 강성 및 피로 수명, 경제성 등이 크게 향상되었다. 풍력발전용 블레이드의 복합재료로는 glass/epoxy, carbon/epoxy, wood/epoxy등 여러 가지가 있으나 이중 경제적이면서 성능이 우수하고 가벼운 재질의 glass/epoxy가 일반적으로 많이 사용되고 있다.[3] 풍력발전 시스템용 회전날개의 공력 형상은 과거의 경우 기존의 NACA계열이나 이를 개선한 SERI계열 등이 사용되었으나 최근에는 풍력발전 전용으로 개발된 에어포일들이 많이 있다. [3, 4] 본 논문에서는 한국과 같은 여건에 적용이 가능한 저 풍속 시동 특성을 가지며 효율이 높은 익형을 가진 500W급 소형 수평축 풍력터빈용 블레이드의 공력 및 구조에 관한 최적 설계를 수행하였다. 블레이드의 직경은 과도하게 커지지 않는 범위에서 가능한 낮은 풍속을 정격풍속으로 결정하여 저 풍속인 지형에 유리 하도록 하였고, 레이놀즈 수, 최대 양력 계수, 실속 받음각, 최대 양항비, 최대 두께 등의 특성이 비교적 양호한 DU 93-W-210 에어포일을 사용하였으며[5], 운동량 이론과 깃 요소 이론을 함께 사용하는 스트립(strip)이론에 의하여 기본 형상을 설계하여 익형의 시위 길이 및 날개의 비틀림 각 분포를 결정하였고, 높은 효율을 얻을 수 있는 최적 받음각으로 설계하는 방법을 채택하였다.[6] 축소모델에 대한 공력 시험은 대상 모델이 충분히 작아서 별도로 축소모델을 만들기 어려운 점이 있어 현장에서 공력시험으로 대체 하였다. 구조 설계에서는 skin-spar-foam의 샌드위치 구조로 하여 각 요소의 두께를 설계하였고, 사용 재질은 glass/epoxy를 사용하였다. 또한 블레이드의 제조 방법으로는 비용 절감을 위해 wet lay-up에 의한 matched die molding 을 고려하였다.[7, 8] 구조 해석은 유한요소법을 이용하여 응력 및 변형량을 해석하였으며, 굽힘 하중에 의한 국부 좌굴 문제를 고려하였고, 고유진동수 해석을 통해 회전날개의 고유 진동수와 진동 모드를 구해 공진 여부를 검토 하였으며[9, 10, 11] 블레이드에 대한 조류 충돌 해석을 수행하여 폭풍의 악천후 상황하에 있을지 모를 충돌에 대한 안전성을 확인하였다. 마지막으로 S-N 선형 손상 방법 및 피로하중에 대한 Spera의 실험식을 이용하여 요구 피로 수명 20년을 만족하는지를 검토하고[4, 12] 이와 같은 방법으로 설계 및 해석된 블레이드의 시제품 제작을 통한 구조시험을 수행하여 구조해석의 결과를 입증하였을 뿐만 아니라 구조적 안전성을 재확인 하였다.|Human beings have used the energy resource of wind in many types for several thousand years. Since the oldest use of it is propelling boats using canvas, we have found the old scripts about windmill written in Chinese and Egyptian, and it is said that the ancient people had used it from three thousand years before. In other words, the technology of the wind turbine system has a long and firm historical foundation. The wind turbine system is the cheapest technology which uses one of new and reusable energy resources, although it has a disadvantage of low efficiency of the system and little quantity of power generation because it is totally dependant upon wind resource. As the crisis of wasting natural resources and the pollution of the environment have become a current issue, our need of green energy is accelerating the development of the technical machinery. In many countries, people are focusing on this subject and trying to input their all experiences, knowledge, and skills, so that they have achieved a great result and utilization of the system from small sized power generation to the MW class. Even if it is inconvenient in use, demand is now increasing, the effort of reinforcing the use of it is recommended. Because the output of the generation system become larger in proportion to the square of the diameter, generators in the MW class is used sometimes, but it has a restriction of cost and location; it needs a great amount of investment and vast place to be located. In contrast, the small sized wind turbine system, which is the lower class than the kW class, requires just an individual installation with low cost, and it occupies only a small space. Lately, it has been developed to operate with the electricity in our houses and do so separately when it is not powered, and it is also designed to provide the power continually by charging batteries, even in a "no-wind area." Furthermore, Wind-Solar photovoltaic power generation system coordinated with a solar battery and Wind-Diesel generation system working with a diesel engine are on the process. However, the small sized system that is made and sold by other countries is not effective enough, because, to operate properly, it needs an appropriate wind velocity; more that 12 m/s, but this condition will not be satisfied with our environment. And we have also a situation of exceeding the limit of velocity levels. A typhoon is a good example of it; it is more than 50 m/s in summer. This is why we need our own effective and safe blades for power generation. As compounded resources are used, the blades have achievement in structural intensity, hardness, durability, and cost. There are many kinds of the compounded resources: glass/epoxy, carbon/epoxy, wood/epoxy, etc, but the glass/epoxy is generally used because it is cheap, light, and it has a great performance. In the past, NACA and SERI, which is a developed version of NACA, were used in aerodynamic design, but, in these days, the air foil customized for this work is popular. This thesis is mainly about designing the aerodynamic and the structure of blades for 500W class wind turbine system, which is qualified with the condition of Korea, having a characteristic of starting machinery effectively with low wind velocity and airfoil. The diameter of blades were considered not to be large exceedingly, but profitable for environment in low velocity. The air foil, DU 93-W-210, which has a quite good performance in Reynolds numbers, maximum lift coefficient, stall angle of attack, maximum lift-drag ratio and maximum thickness, was used. Based on the Strip theory, which includes both the Momentum Theory and the Blade Element Theory, the basic configuration was designed in order to decide the distribution of the chord length and the twist angle with high effectiveness was took into account. In the aerodynamic evaluation with a reduced model, it was replaced by performance test at the real site, because it was small enough. The structure was planned for the thickness of each element using the sandwich structure of the skin-spar-foam, and the glass/epoxy was applied. Besides, the matched die molding was implemented for producing the blades, and the wet lay-up was used in order to reduce the cost. For analysis of the structure, FEM was applied as a mean for explaining stress and displacement, and the problem of buckling resulted by weight of bending was considered. Moreover, resonance was checked by eigenvalue analysis which could explain natural frequency of the blades and acoustic mode. The explicit problem in the middle of the performance like as bird strike was took account for its safety. Using the Spera’s empirical equations about the manner of S-N linear damage method and cyclic load, the durability which was required for twenty years was examined. Additionally, by making the products according to the procedure mentioned above, the test of the structure was conducted, and the result was quite satisfying in proving the safety. Finally, in order to check its performance, the manufactured blade was tested by using truck and the results of test were good accorded with its analysis result.