수평축 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 및 실증에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 소형풍력발전기의 역설계를 통한 익형 형상 데이터 취득에서부터 공력해석을 통한 신형 블레이드 설계 및 제작, 현장 실증을 통한 성능 데이터 수집 및 검증까지 전주기에 관한 연구를 수행하였다. (1) 상용 3kW급 소형풍력발전기와 역설계를 통한 공력해석 모델을 풍속 구간별 출력량 오차율을 계산한 결과 평균 오 차율은 5.1%로 3kW급 소형풍력발전기 공력해석을 위해 수립한 3차원 공력해석 모 델의 타당성을 확보하였다. (2) 익형 S822, S823, FX63, BW-3, SG6042 총 5종에 대해 ANSYS-CFX를 활용하여 받음각 1° ~ 12°까지 2차원 공력해석을 수행 후, 출 력 곡선 경향성 및 익형의 형상이 가장 유사한 S822, S823 익형을 선정였고 Q Blade를 출력성능을 분석한 결과 성능이 소폭 증가한 총 8가지 케이스를 3차원 공 력해석을 위한 블레이드 설계안으로 선정하였다. (3) ANSYS-CFX를 활용한 3차원 공력해석을 통해 8가지 케이스 별 토크값을 계산한 결과, S823 airfoil Case #4의 경우 토크값은 109.3730N·m, 출력값은 3.281kW로 산출되어 정격 출력 구간에서 기존 상용 풍력발전기 대비 7.4%의 출력 향상을 나타내었다. (4) 최종 선정한 S823 airfoil Case #4를 실제 제작하여 상용 소형풍력발전기에 탑재 후 운영데이 터를 확보하였다. 공력해석 결과와 운영데이터 결과를 상호 비교 분석한 결과 평균 7.28%의 오차율로 3차원 공력해석 모델의 타당성을 검증하였다. 특히 정격 출력 구간인 10m/s에서는 오차율이 5.5%로 매우 정확한 3차원 공력해석 모델임을 검증 할 수 있었다.