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수평축 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 및 실증에 관한 연구

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Alternative Title
Research on aerodynamic analysis and verification of horizontal axis small wind turbine blade
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.
Author(s)
강명보
Issued Date
2024
Awarded Date
2024-02
Type
Dissertation
URI
https://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000011869
Alternative Author(s)
Kang Myung Bo
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 에너지응용시스템학부
Advisor
박윤철
Table Of Contents
I. 서 론 ·1
1. 연구 배경 1
1) 신재생에너지 보급 정책 ·1
2) 소형풍력발전기 국내외 시장 현황 ·2
3) 소형풍력발전기 기술 현황 4
2. 연구 목적 6
II. 이론적 배경 7
1. 풍력발전기 구조 및 원리 7
1) 풍력발전기 구조 7
2) 풍력발전기의 분류 9
3) 풍력발전 원리 12
2. 블레이드 구조 및 원리 ·14
1) 블레이드 구조 14
2) 블레이드 원리 16
3. 공력해석 이론 18
1) 액추에이터 디스크 이론 18
2) 운동량 이론 20
3) 로터 디스크 이론 24
4) 각운동량 이론 26
5) 날개요소 이론 29
4. 전산유체역학 ·35
1) 전단응력 수송 난류 모델 35
2) ANSYS-CFX 37
3) Q Blade 38
5. 블레이드 설계 및 제작 ·40
1) 역설계 기법 40
2) 블레이드 제작 기법 ·42
III. 해석 방법 47
1. 3kW급 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 및 실증 과정 47
1) 3kW급 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 절차 수립 ·47
2) 3kW급 상용 소형풍력발전기 사양 분석 49
2. 3kW급 소형풍력발전기 블레이드 3D 모델링 ·50
1) 역설계 기법을 통한 블레이드 3D 모델링 및 익형 추출 50
2) 데이터베이스를 활용한 익형 선정 및 블레이드 3D 모델링 54
3. 3kW급 소형풍력발전기 공력해석 ·58
1) 익형별 2차원 공력해석 ·58
2) 블레이드 형상별 3차원 공력해석 ·62
4. 소형풍력발전기 실증 66
1) 소형풍력발전기 설치 66
2) 소형풍력발전기 운영데이터 수집 ·69
IV. 해석 결과 및 분석 73
1. 3차원 공력해석 모델 타당성 검증 73
2. 익형별 2차원 공력해석 결과 분석 75
1) 기본 익형 공력해석 결과 분석 75
2) S822 익형 공력해석 결과 분석 ·77
3) S823 익형 공력해석 결과 분석 ·79
4) FX63 익형 공력해석 결과 분석 81
5) BW-3 익형 공력해석 결과 분석 ·83
6) SG6042 익형 공력해석 결과 분석 85
7) 익형별 공력해석 결과 종합 분석 ·87
3. 블레이드 케이스별 설계에 따른 출력성능 결과 분석 ·89
1) S822 airfoil Case #1 출력성능 결과 분석 90
2) S822 airfoil Case #2 출력성능 결과 분석 92
3) S822 airfoil Case #3 출력성능 결과 분석 94
4) S822 airfoil Case #4 출력성능 결과 분석 96
5) S823 airfoil Case #1 출력성능 결과 분석 98
6) S823 airfoil Case #2 출력성능 결과 분석 ·100
7) S823 airfoil Case #3 출력성능 결과 분석 ·102
8) S823 airfoil Case #4 출력성능 결과 분석 ·104
9) 블레이드 설계안 최종 선정 106
4. 신형 블레이드 실증 및 운영데이터 분석 108
V. 결론 112
참고문헌 115
부록 ·119
Degree
Doctor
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
강명보. (2024). 수평축 소형풍력발전기 블레이드 공력해석 및 실증에 관한 연구.
Appears in Collections:
Faculty of Applied Energy System > Mechanical Enginering
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
  • Embargo2024-02-12
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