고효율 저소음 소형 수직축 풍력터빈의 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] 이러한 이유로 전 세계의 풍력 발전기들은 점차 대형화 되어 현재 직경이 60 m가 넘는 MW급의 풍력 발전기가 개발되어 운용되고 있는 실정이다. 그러나 이와 같은 대형 발전기들은 대부분이 독립 및 연계 운용이 가능하도록 설계되고 있으며, 주로 대규모의 풍력 발전 단지를 조성하기에 적합한 것들이므로, 국가적인 차원의 지원이 이루어지지 않는다면, 설치 및 운용에 큰 어려움이 따른다. 이에 반하여 수 kW급 이하의 소형 풍력 발전기들은 저 비용으로 개인이 직접 설치하여 에너지 절약 효과를 느낄 수 있는 장점이 있기 때문에 대형 시스템과는 별도의 시장을 확보하고 있으며, 지속적으로 기술 개발이 이루어지고 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. 그러나 선진국에서 개발 판매되고 있는 소형 풍력발전기들의 정격 풍속은 대부분이 12 m/s 이상이므로 년 평균 풍속이 4 m/s 내외인 국내에서는 설계 출력을 생산할 수 있는 날이 많지 않고, 설계 풍속보다 저 풍속에서 운용되기 때문에 효율 또한 좋지 않다. 이는, 지속적인 전력 공급이라는 소형 풍력 발전기의 장점에 상반되는 것이므로, 비효율적이다. 즉, 국내의 저 풍속 기상 조건에 맞는 회전 날개의 설계가 필요한 것이다. 한편 국내 기상의 또 다른 특징은 평상시 바람이 많지 않더라도 태풍과 같은 경우에는 최대 풍속이 40 m/s 이상이 되는 경우도 적지 않다. 이와 같이 풍속의 차이가 크고 풍속 에너지 수준이 낮은 여건에서도 요구하는 성능을 발휘하고, 매우 큰 풍속에서도 안전하게 견딜 수 있는 회전날개를 위해서는 설계단계에서부터 특별한 배려가 있어야 한다. 풍력터빈은 가장 많이 보급된 수평축 방식과 소형 중심의 수직축 방식으로 구분된다. 수직축 풍력 발전기는 지면의 방향과 회전하는 로터 축이 평행한 반면, 수직축 풍력 발전기는 지면의 방향과 로터축의 방향이 수직한 형태를 갖는다. 수직축 풍력터빈은 양력을 이용한 다리우스(Darrieus)[3]방식과 항력을 이용한 사보니우스(Sagacious) 방식으로 나눌 수 있다. 수직축 풍력터빈은 수평축 풍력 터빈에 비해 효율이 낮으나, 풍향에 관계없이 작동이 가능하며 로터 회전 속도가 상대적으로 낮아 높은 정밀도를 요구하지 않으므로 소형 풍력 터빈에 많이 활용된다. 그리고 동력 전달장치, 발전기 등의 주요 부품들이 지면 부근 설치가 가능하며, 수평축에 비해 소음이 낮아 장점이 있다. 이는 인구 밀집형 지역에 적용이 유리함을 가진다. 양력형 수직축 풍력 터빈은 Georges Jean- Marie Darrieus에 의해 처음으로 제시 되었으며 캐나다와 미국의 U.S Depart of Energy에 의해 본격적으로 공력, 구조, 피로, 발전시스템등이 연구 되었으며 1988년 NCR에서 4MW급 대형 수직축 풍력 터빈을 설계 하였다.[4] 또한 요즘 수직축 풍력 터빈의 단점인 시동특성의 개선이나 효율의 증가에 관한 연구가 진행중이다.[5] 국내에서 1992년 유능수[6]은 수직축 풍력터빈의 공기역학적 해석 방법과 성능예측에 대한 방법을 제시 하였으며, 2009년 이장호등[7]은 다리우스형 풍력 회전 날개의 설계 방법에 대해 제시 하였다. 2010년에는 정수윤등[8]과 김영덕등[9]은 수직축 풍력 터빈의 수치해석에 관한 방법을 제시 하였다. 현재 풍력터빈은 복합재료를 사용하게 되면서 구조적 강도, 강성 및 피로 수명, 경제성 등이 크게 향상되었다. 풍력터빈 회전날개용 복합재료로는 유리섬유/에폭시(glass/epoxy), 카본/에폭시(carbon/epoxy), 우드/에폭시(wood/epoxy)등 여러 가지가 있으나 이중 경제적이면서 성능 또한 우수한 유리섬유/에폭시(glass/epoxy)가 일반적으로 많이 사용되고 있다.[10] 본 연구에서는 한국과 같은 지형에 적용이 가능하도록 양호한 저 풍속 시동 특성을 가지며 효율이 높은 500W급 소형 수직축 풍력터빈 시스템을 새롭게 제안하고 공력 및 구조에 관한 최적 설계를 수행하였다. 또한 설계된 회전 날개에 대한 이론적인 성능해석을 수행하였으며, 시제품 제작 및 실험을 통하여 설계결과를 확인 하였다. 공력 설계에서는 여러 가지 다양한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계변수에 따른 회전 날개 설계결과를 충분히 검토하여 사용 목적에 맞도록 최적화하였다. 또한 상용 프로그램 ANSYS CFX를 이용하여 공력 해석을 수행하였다. 구조 설계에서는 스킨-스파-폼(skin-spar-foam)의 샌드위치 기본 구조를 기준으로 구조 설계 및 해석을 하였으며, 사용 재질은 국내 업체에서 제조하여 그 물성이 입증된 유리섬유/에폭시(glass/epoxy)를 사용하였다. 또한 회전 날개의 제조 방법으로는 비용 절감을 위해 수적층(hand lay-up)에 의한 matched die molding을 고려하였다.[13, 16, 17] 구조 해석은 유한요소법을 이용하여 응력 및 변형량을 해석하였으며, 굽힘 하중에 의한 국부 좌굴 문제를 고려하였고, 또한 피로 요구 수명 20년을 만족하는지 확인 하기 위하여 하중 스펙트럼 생성 및 마이너 법칙을 통하여 확인 하였다.[12, 21] 그리고 이와 같은 방법으로 설계 및 해석된 회전 날개의 시제품 제작을 통한 구조시험을 및 성능 시험을 수행하여 구조해석 및 공력 해석의 결과를 입증하였다.|Recently, both the energy crisis and the environmental issue have been focused, hence the strong interest of the wind power has been considered as an important renewable energy source. The trend of the wind turbine system development has become much larger scale over several MW class. However, because the small-scale wind turbine system has some advantages, which it can be personally and easily built using low cost and without any limitation of location, i.e. even in city, it has been continuously developed. Currently, most commercialized small scale wind turbine systems have been designed at the rated wind speed more than 12 m/s, hence they have a great reduction of aerodynamic efficiency at the low wind speed region like Korea. [1] This work is to design a high efficiency 500W class composite vertical axis wind turbine blade which is applicable to relatively low speed region like Korea. In the aerodynamic blade design, the parametric study is carried out to find an optimal aerodynamic configuration having high efficiency in both low and high wind speed region using the proposed design procedure. The aerodynamic design parameters are number of blades, solidity, airfoil, height to radius ratio, etc. Basic profile was designated by the multi stream Theory used for both of the Momentum Theory and the Blade Element Theory. and the calculation flow is coded by a computer program. In the Aerodynamic analysis there were utilized the CFD and analyzed the torque and Stream line for fluid flow. In the structural design, the blade adopts the skin-spar-foam core sandwich structure concept. The glass fabric/epoxy composite material, which is supplied by a domestic company, is used for both skin and spar. The bending force is endured by the spar flange layered with the ply angle of 0°/90° and the torsion is endured by the upper and lower skins layered with the ply angle of ±45°. In manufacturing, the wet lay-up and the matched die molding methods are applied. After various load cases study, The initial design of the composite blade is performed using the netting rule and the rule of mixture which were used in the previous study, and then the designed feature is repeatedly modified by structural analysis results using a FEM tool, NASTRAN. In this analysis, stresses, strains, tip deflections, buckling loads, Tsai-wu failure and natural frequencies are found. To estimate fatigue life of the designed blade, the wind speed data, which was measured at a particular region during a year, is used to obtain the load spectrum. and Moreover the fatigue requirement for more than 20 years use is investigated using the the Miner's rule. 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 was good accorded with its analysis result.