자이로밀형 수직축 풍력터빈의 로터 블레이드 설계 및 유동-구조 연성해석에 관한 연구

A Study on the Design and Fluid-Structure Interaction Analysis of
Gyromill Type Vertical Axis Wind Turbine Rotor Blade

기계공학과 조 우 석
지 도 교 수 김 현 수

본 연구는 수직축 풍력터빈 중 블레이드가 직선형으로서 그 단면형상이 일정하기 때문에 상대적으로 저비용으로 제작이 가능하고, 양력형 로터 블레이드의 채용에 의해 성능이 양호한 200W급 자이로밀형 수직축 풍력터빈 로터 블레이드를 자력기동이 가능한 캠버 익형을 사용하여 설계하고 유동해석 및 단방향 유동-구조 연성 해석을 이용하여 성능 및 안전성 평가를 수행하였다. 로터 블레이드에 대한 전산해석을 수행하여 출력 검증과 구조적 안전성을 확인한 후 제작된 200W급 자이로밀형 수직축 풍력터빈에 대하여 실증 시험을 수행하였다. 실증 시험은 로터의 회전수에 따른 발전기의 전압, 전류를 측정하고 풍력터빈의 출력을 검토하여 로터 블레이드 설계 방법의 타당성을 확인함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 수직축 풍력터빈 로터 블레이드의 설계방법은 단일유관이론을 적용하였다. 2차원 형상의 로터 블레이드에 대한 설계 결과에 대해서 2차원 유동해석을 수행하여 단위 길이당 129W의 출력을 얻었으며 길이가 2m임을 고려하면 258W의 출력을 나타내기 때문에 로터 블레이드의 설계가 타당함이 확인되었다. 그리하여 해석결과의 검토를 통하여 3차원 로터 블레이드의 형상을 결정하였으며 3차원 유동해석을 이용한 수직축 풍력터빈 로터 블레이드의 출력을 해석한 결과 설정한 출력보다 높은 211W의 출력을 얻었고 제안된 설계방법의 유효성과 타당성이 확인되었다.
2. 자이로밀형 수직축 풍력터빈은 방위각에 따라서 회전방향 각 위치에서의 블레이드 표면 압력분포 및 속도분포가 크게 달라진다. 구조해석에 의한 변형량은 각 블레이드 방위각 위치에 따라서 다르게 나타나며, 최대 변형량은 블레이드의 상부 끝단 측면의 후연에서 발생하였다.
3. 단방향 유동-구조 연성해석을 이용한 로터 블레이드에 대한 등가응력은 블레이드의 표면과 스트럿이 접합하는 부분에서 응력 집중이 가장 높게 발생하였다. 최대설계 풍속인 60m/s를 적용하였을 경우 최대 등가응력이 126.81MPa이고 Al6061 알루미늄 항복강도가 280MPa이므로 안전율은 2.21이다.
4. 풍력터빈의 두 운전조건인 정격풍속과 극한풍속에 대해 Goodman 선도를 이용한 피로강도 기준은 강도저하를 고려하지 않으면 안전영역 내부에 존재하나 실제 강도저하를 고려하면 안전영역 경계에 있어 유한수명에 접근한다. 따라서 블레이드의 피로강도기준은 Al6061 알루미늄 인장강도의 30%를 이용하여야 설계 운전점에서 구조적으로 안전하다고 판단된다.
5. 자이로밀형 수직축 풍력터빈의 실제 출력을 확인하기 위해 실증 시험을 진행하였다. 실시간으로 수집된 일정 구간에 대한 평균값으로 데이터를 획득하였고 풍속 9.88m/s 일 때 출력은 203W를 확인하였다. 설계된 풍력터빈의 유동해석 결과와 설치된 풍력 터빈을 통한 실증 시험 결과를 비교해본 결과 약 4%의 오차를 가지고 있으며 이를 통하여 본 설계 방법의 타당성을 검증할 수 있었다.
6. 자이로밀형 수직축 풍력터빈 시스템 시험 결과로 부터 출력과 풍속간의 커브피팅을 시도한 결과 실험식을 구할 수 있었다.

주요어 : 소형 풍력터빈(Small wind turbine), 수직축 풍력터빈(Vertical axis wind turbine), 자이로밀형(Gyromill type), 로터 블레이드(Rotor blade), 형상설계(Shape design), 전산유체역학(CFD), 유동-구조 연성 해석(Fluid-Structure Interaction analysis)