ABSTRACT
In this study, a 10 kW horizontal-axis lift-type wind turbine is analyzed and verified. The three-bladed wind turbine is modeled and analyzed with FAST which is a multi-body dynamics code for a wind turbine. The turbine without any advanced over speed protection except an on/off control was simulated and experimentally verified. In the verification, the field test results were found to be well predicted by the simulation. Also, a side-furling system was proposed for the wind turbine without changing parameters of the current system much. From the dynamic simulation for verification, the furling system was found to work well up to 20 m/s with a modified torque control schedule. Although the proposed furling system could not be verified experimentally in the field, a similar 10 kW wind turbine whose experimental results are available in the literature was used for a verification. It was found from the simulation that the prediction from the simulation with the furling system was close to the experimental results in the literature.
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KEYWORDS: Furling system, Small capacity wind turbine, Aeroelastic modeling
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KEYWORDS: 펄링 시스템, 소형 풍력 터빈, 공탄성 모델링
1. 서론
2017년 정부가 ‘재생에너지 3020 이행계획(안)’을 발표함에 따라 최근 우리나라에서는 2030년까지 재생에너지 발전량 비중20% 달성을 위한 연구들이 진행 중이다.
1 특히 풍력의 경우 추가적으로 16.5 GW 이상의 풍력발전단지 건설이 필요한 것으로 알려지고 있으며, 단지용량의 큰 부분을 차지하게 될 대형 풍력에 대한 유망후보지선정, 풍력자원평가, 풍력 터빈 이용률향상 또는 하중저감을 위한 다양한 기술들에 대한 연구가 진행되고 있다.
2-7
소형 풍력 터빈의 경우 국가의 전력계통 망에 연결되어 있지 않은 도서지역이나 대형 풍력 터빈의 설치 및 운반이 어려운 지역 또는 소규모 전력공급이 필요한 곳의 전력문제를 해결할 수 있는 해결방안으로서 신재생에너지 발전량 비중 20% 달성을 위해 수행되어야 할 연구 중 하나이다. 세계적 동향을 살펴보면 2015년부터 설치용량이 전년도 대비 약 10% 정도씩 지속적으로 증가해오고 있다.
8
국내 KS 소형 풍력 터빈 인증 심사기준에 의하면, 소형 풍력터빈은 로터 회전면적이 200 m
2 미만이며, 정격전압이 AC 1000 V 또는 DC 1500 V 미만의 풍력 터빈으로 정의된다.
9 블레이드 3개의 수평축 양력식 풍력 터빈이 표준이 되어버린 대형 풍력 터빈과 달리, 소형 풍력 터빈은 수평축 양력식, 수직축 양력식, 수직축 항력식 등 다양한 터빈들이 상용화되어 있다.
10
이 중 3개의 블레이드를 갖는 수평축 양력식 소형 풍력 터빈은 대형 풍력 터빈의 축소형으로서 대형 풍력 터빈에 비해 제작이 용이한 점이 있지만, 대형 풍력 터빈과는 다른 작동환경 및 제약조건으로 인해 기술적인 어려움이 존재하게 된다. 예를 들어 블레이드의 경우 대형 풍력 터빈에 비해 블레이드 및 단면 익형 시위선의 길이가 매우 작기 때문에 풍속변화에 따른 레이놀즈 수 변화에 의해 블레이드의 공력성능이 상대적으로 크게 변화하는 것으로 알려져 있다.
11 또한, 대형 풍력 터빈에는 능동 피치제어를 이용한 출력 및 하중저감 기술이 적용되어 오고 있지만,
12 소형 풍력 터빈은 경제적인 제약으로 인해 블레이드 개별 피치액츄에이터에 의한 과 풍속 제어기술의 적용이 쉽지 않아, 정격풍속 이상의 영역에서 시스템을 정지시키거나, 출력제한을 위해 수동 피치시스템 또는 펄링 시스템이 적용되어 왔다.
13,14
소형 풍력 터빈의 설계 및 성능해석을 위해서는 대형 풍력터빈에 주로 사용되는 다물체동역학 기반의 프로그램인 FAST, GH-Bladed 등의 프로그램을 이용할 수 있다.
15,16 하지만, 펄링시스템이 적용된 소형 풍력 터빈에 대한 해석의 경우 이용 가능한 해석 프로그램은 현재까지 FAST 프로그램으로 국한된다. 이와 같은 소형 풍력 터빈 또는 축소모델에 대한 시뮬레이션 및 성능실증에 대한 문헌은 제한적이지만 몇몇 풍력 터빈에 대해 제시되어 왔다.
13,14,17-23
6 kW급 수평축 양력식 소형 풍력 터빈 상용화를 위한 실증연구결과를 살펴보면, 약 6개월 동안의 실증시험을 통해 발전량 자료를 수집하여 분석하였다. 하지만 시뮬레이션 해석이 수행되지 않아 수집된 자료와 비교할 수 있는 대상이 없었고 수동피치 시스템이나 펄링 시스템이 적용되지 않은 모델로 실증 연구가 수행되었으며 논문에 과 풍속구간에서의 출력제어에 대한 내용은 제시되어 있지 않았다.
17 또한 수동형 피치제어 모듈에 관한 연구 논문을 살펴보면 피치제어 모듈 설계를 위하여 블레이드에 발생되는 양력, 항력, 추력, 토크, 피치모멘트 등의 산출방법을 제시 하였다. 하지만 시뮬레이션 해석 또는 실제 모델로 설계 및 제작되지 않아 시뮬레이션 해석 및 실증시험을 통한 결과를 확인 할 수 없었다.
13
펄링 시스템이 적용된 대표적인 상업용 풍력 터빈으로서의 10 kW 풍력 터빈의 경우, 펄링 시스템에 대한 시뮬레이션 해석결과와 출력성능시험 결과가 문헌에 제시되어 있다.
18 하지만, 펄링 시스템의 설계에 대한 내용이 생략되어 있으며, 실험결과와 해석결과에 대한 비교 분석이 정량적인 데이터로 이루어지지 않아 결과 검증의 정확성을 판단하기에 어려운 단점을 갖고 있다. 또한, 유사한 수평축 양력식 풍력 터빈에 대한 실험적 연구에서는 풍동시험을 통해 로터와 꼬리날개에서의 회전 모멘트를 측정함으로써 과풍속 조건에서 출력제어가 발생할 수 있음을 확인하였다.
22 하지만, 실제 풍력 터빈이 아닌 축소모델에 의한 결과 분석이었고, 시뮬레이션 결과와의 비교분석 없이 풍동에서의 실험 결과만을 제시하고 있기 때문에 연구결과를 활용하기에는 한계점을 갖고 있다.
따라서 본 논문에서는 펄링 시스템이 적용되어 과풍속제어가 이루어지는 소형 풍력 터빈에 대한 시뮬레이션 및 검증, 그리고 과풍속 영역에서의 출력제어 성능개선을 위한 펄링 시스템 설계를 통해, 출력제어를 위한 펄링 시스템의 적용 가능성을 알아보고자 하였다. 이를 위해 상용 10 kW 수평축 양력식 소형 풍력 터빈에 대한 FAST 시뮬레이션 및 해석을 진행 하였으며, 해석결과의 검증을 위하여 문헌에 제시된 실증자료와 비교 검토를 수행하였다. 대상 터빈은 현재 과풍속 제어시스템이 적용되어있지만, 해석 프로그램을 통한 설계가 이루어지지 않아, 과풍속 영역에서의 출력제어가 원활히 이루어지지 않는 문제점을 갖고 있다. 따라서 대상터빈의 과풍속 영역에서의 출력제어 성능을 개선하기 위해 사이드 펄링 시스템의 적용방안과 FAST시뮬레이션 해석에 대한 결과를 함께 제시하고자 하였다.
2. 모델링
본 연구의 대상 풍력 터빈은 수평축 양력식 10 kW 풍력 터빈으로서 과풍속 제어를 위해 펄링 시스템이 사용된다.
Table 1에 제시된 바와 같이 대상 풍력 터빈의 허브높이는 약 18 m, 로터직경은 7.5 m이다. 또한 대상 풍력 터빈의 정격풍속 및 정격회전속도는 각각 10 m/s, 161 RPM이다. 하지만, 우선적으로 펄링시스템이 적용되지 않은 상태에서의 시뮬레이션 프로그램의 해석 정확도를 알아보기 위해 펄링 시스템이 적용되지 않은 터빈을 모델링 하였다.
Table 1 Specification of wind turbine
Table 1
|
Property |
Units |
Value |
|
Rated electrical power |
kW |
10 |
|
Rotor orientation, configuration |
- |
Upwind, 3blades |
|
Rotor diameter |
m |
7.5 |
|
Hub height |
m |
18 |
|
Cut-In, Rated, Cut-Out wind speed |
m/s |
4,10,15 |
본 연구에서는 대상 풍력 터빈의 정상상태 및 동적 시뮬레이션을 위해 미국 국립 재생 에너지 연구소(NREL)에서 제공하는 공탄성 해석프로그램인 FAST를 사용하였다. FAST는 풍력 터빈설계 및 성능해석을 위해 전 세계적으로 많이 사용되는 프로그램 중 하나로서 대형 풍력 터빈의 경우 인증사로부터 해석 정확성을 인정받고 있으며, 또한 풍력 터빈 전용 성능해석 프로그램 중 유일하게 펄링 시스템에 대한 모델링 및 해석이 가능하다.
15
FAST 프로그램으로 풍력 터빈 모델링 해석을 하기 위해서는 여러 매개변수가 포함된 입력 정보들이 요구된다. 즉 풍력 터빈을 구성하는 타워, 블레이드, 나셀 및 펄링 시스템과 관련된 인자들이 입력정보로서 필요하며, 공기역학적 해석과 관련하여 익형과 공력특성, 그리고 난류바람에서의 동적해석을 위해 난류바람장이 입력정보로서 사용된다. 우선적으로 펄링 시스템이 적용되기 전의 대상 모델에 대하여 해석정확도를 판단하기 위한 해석 및 실증을 진행하였기 때문에 펄링 시스템에 대한 입력정보는 사용하지 않았다.
2.1 블레이드모델링
MW급 대형 풍력 터빈의 경우 블레이드의 크기에 기반하여 주된 작동영역에서의 레이놀즈 수가 크기 때문에 블레이드의 공력성능(출력계수)이 풍속 변화에 대해 크게 변화하지 않는 것으로 알려져 있다. 하지만, 소형 풍력 터빈의 경우 상대적으로 블레이드의 크기가 작아 블레이드의 공력성능이 풍속(레이놀즈수)에 따라 상대적으로 크게 변화하는 특성을 갖고 있다.
11 이를 고려한 풍력 터빈의 성능 해석을 위해 풍속별 블레이드 섹션마다의 선속도를 고려한 레이놀즈 수를 산출하고 해당 레이놀즈수와 받음각을 적용하여 블레이드의 각 섹션마다의 양력계수와 항력계수를 산출하였다. 즉, 블레이드를 길이방향(Spanwise)으로 총 20개의 섹션으로 나누고, 동일한 바람에 대해 각 섹션의 회전 선속도 차이에 의해 발생하는 레이놀즈수 범위의 차이를 고려하여 공력해석을 수행하였다. 블레이드의 각 익형에 대한 양력계수와 항력계수는 Qblade에 내장된 패널이론에 기반을 둔 X-Foil 프로그램을 사용하여 추출하였으며, 이 값을 FAST 프로그램에 적용하였다.
24 Fig. 1은 본 연구에서 적용한 풍력 터빈의 블레이드에서 양력계수와 항력계수가 산출된 20개의 섹션 위치를 보여준다. 그림을 통하여 알 수 있듯이 블레이드 길이는 3.65 m이며 가장 긴 시위선과 짧은 시위선의 길이는 각각 0.46 m, 0.14 m이다. 또한
Figs. 2와
3은 각각 블레이드 루트부로부터 30% 지점에 해당하는 섹션의 익형, 블레이드 루트부로부터 70% 지점에 해당하는 섹션의 익형에 대해 풍속 및 받음각 변화에 따른 양항비의 변화를 보여준다. 레이놀즈 수가 높아지면서 똑같은 섹션과 받음각에서 양항비 역시 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 최대 양항비를 갖는 받음각이 풍속변화에 따라 다소 변화하는 것을 알 수 있다.
Fig. 1Blade modeling
Fig. 2Lift to drag ratio (30% from root)
Fig. 3Lift to drag ratio (70% from root)
2.2 타워 모델링
타워 모델링은 NREL에서 제공하는 Modes 프로그램을 사용하여 진행하였다.
25 대상 풍력 터빈의 타워는 원형 관(Tubular)형태로서 해당 모델의 높이, 직경 및 재질을 입력정보로 하여 모델링하였다. 또한 본 모델은 기립식 타워이지만 시뮬레이션 해석에서는 기립을 위한 유압실린더 장치를 제외한 타워로 단순화하여 해석을 진행하였다.
동적 해석에 필요한 바람장은 NREL에서 제공하는 Turbsim 프로그램을 이용하여 모델링을 진행하였다.
26 모델링된 바람은
Fig. 4를 통하여 알 수 있듯이 로터회전 중심을 기준으로 36 m × 36 m 크기의 바람 장을 형성한다. 또한 각 축의 양의 방향은 X축은 바람방향, Y축은 바람의 방향을 바라 봤을 때 좌측, Z축은 지면으로부터 위로 향하는 방향이다. 세로, 가로 각각 타워 높이의 2배 길이만큼 영역을 설정하였으며 이것은 시뮬레이션 중로터의 편심, 편향이 발생하더라도 로터회전 면적이 바람의 영역을 벗어나지 않기 위한 것이다. 바람모델링은 3종류의 랜덤시드를 적용시켜 각각 풍속에서 3차례에 걸쳐 진행 되었다. 즉, 랜덤 시드를 3종류를 사용함으로써 바람조건을 다르게 하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다.
Fig. 4Wind source area
2.4 기타(기어박스, 발전기효율 등)
대부분의 양력식 소형 풍력 터빈은 대형 풍력 터빈과 달리 로터 회전속도가 100-200 RPM 이상으로 상대적으로 높기 때문에 기어박스를 적용하지 않고 있으며, 본 과제의 대상 풍력 터빈도 기어박스가 없는 직접 구동식(Direct Drive) 풍력 터빈이다. 또한, 발전기는 영구자석 동기발전기로 발전기 효율은 개발사에서 제시한 발전기 출력성능 시험자료를 토대로 90%의 값을 적용하여 모델링 하였다.
3. 시뮬레이션
3.1 출력계수
풍력 터빈의 블레이드는 날개형상, 피치각, 풍속 및 로터 회전속도에 따라 공기역학적 특성이 달라진다. 공기역학적 특성은 1차원 운동량 이론(One-Dimensional Momentum Theory)에 의하여 로터 회전방향의 힘에 의한 출력과 로터 회전면적에 수직방향의 힘에 의한 추력으로 나타낼 수 있으며 식으로는
식(1)과
식(2)로 표현된다.
27
식(1)과
식(2)에서 P는 출력,
ρ는 공기밀도,
v는 풍속,
A는 로터단면적,
CP는 출력계수,
FT는 추력,
CT는 추력계수를 각각 나타낸다.
선단속도비는
식(3)과 같이 입력 풍속과 날개 끝단 선속도의 비로 정의되며 로터직경, 로터회전속도 및 입력 풍속에 따라 공력 성능이 달라진다.
27 Fig. 5는 대상 풍력 터빈의 각 풍속마다의 선단속도비에 따른 출력계수를 보여준다. 출력계수는 선단속도비와 피치각의 함수이지만 본 연구의 대상 풍력 터빈은 능동피치제어를 사용하지 않기 때문에 고정된 피치각에 따른 출력계수를 풍속별로 제시하였다.
Fig. 5Aerodynamic performance of wind turbine rotor
Fig. 5에 표시된 검은색 점은 풍속 6, 8, 10, 12, 14 m/s에서의 최대 출력계수를 나타내며 각각의 값은
Table 2와 같다.
Table 2Maximum power coefficients for various wind speeds
Table 2
|
v [m/s] |
λ
|
CPmax
|
|
6 |
5.8 |
0.4503 |
|
8 |
6.0 |
0.4628 |
|
10 |
6.0 |
0.4663 |
|
12 |
6.0 |
0.4672 |
|
14 |
6.0 |
0.4673 |
3.2 정상상태 해석
FAST 프로그램을 사용하여 대상 풍력 터빈의 정상상태 해석을 진행하였다. 시뮬레이션 해석에 필요한 토크스케쥴은 대상 풍력 터빈 제어기에 적용된 토크 스케쥴을 사용하였으며
Table 3은 토크 스케쥴을 정격 로터회전속도와 정격 토크로 정규화 한 값이다. 실제로 로터회전속도는 계속 증가하지만 표에서는 정격로터회전속도까지만 나타내었다.
Table 3Torque schedule for wind turbine (RPM vs. torque)
Table 3
|
RPM [Normalized] |
Torque [Normalized] |
|
0 |
0 |
|
0.364 |
0.066 |
|
0.455 |
0.122 |
|
0.546 |
0.263 |
|
0.637 |
0.419 |
|
0.727 |
0.548 |
|
0.818 |
0.692 |
|
0.910 |
0.855 |
|
1.000 |
1.000 |
정상상태 해석결과는
Fig. 6과 같으며 각각 로터 회전속도, 발전기 토크, 전기적 출력, 추력을 나타낸다.
Fig. 6에서 살펴보면 시동 풍속인 4 m/s 이후에 기동을 위해 발전기 토크가 상대적으로 낮게 설정되어 있어, 로터 회전속도가 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 5-9.5 m/s 의 풍속 범위에서는
Table 2에 제시된 최대 효율을 내기 위해 최대 출력계수 선단속도비를 유지하기 위한 풍속 별 발전기 토크가 적용되고 있는 것을 알 수 있다. 풍속 9.5 m/s 이상에서는 별도의 출력제어시스템이 적용되지 않았기 때문에 대형 풍력과 마찬가지로 정격 토크 값으로 일정하게 토크가 적용되도록 해석을 진행하였다. 따라서, 결과적으로 9.5 m/s 이후에 출력이 정격출력 10 kW를 초과하여 출력되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 6Result of steady state simulation (without furling system)
3.3 동적해석 및 출력곡선 도출
FAST 프로그램을 통하여 대상 풍력 터빈의 동적해석을 진행하였다. 시뮬레이션 해석에 사용되는 토크스케쥴은 정상상태 해석에 적용된 것과 동일한 토크 스케쥴을 사용하였다. 시뮬레이션 해석결과는
Fig. 7과 같으며 각각 발전량, 발전기 회전속도 및 발전기 토크를 나타낸다. 앞서 제시한 바와 같이, 3개의 서로 다른 바람장을 이용하여 각각의 풍속에서 동적해석을 진행하였다. 동적 해석결과 100 ms 마다의 출력자료를 1분 평균값으로 변환하여 나타내었다. 그림에서 검정색 점은 해석결과의 1분 평균을 나타내며, 빨간색 선은 1분 평균값의 회귀분석(Regression Analysis)결과의 피팅커브(Fitting Curve)를 나타낸다. 피팅커브는 1분 평균값을 해라고 가정했을 때 그 해를 이용하여 역으로 구한 다차항식의 계수로 다차항식 곡선을 그린 것이다.
Fig. 7Analysis of dynamic simulation values
정상상태 해석과 마찬가지로, 10 m/s 이후 구간에서 발전기 토크가 고정 되어 있는 것을 알 수 있다. 정격 풍속 이상에서의 출력제어를 위한 제어기, 피치제어 그리고 토크스케쥴이 적용되어 있지 않으므로 출력이 정격풍속 이 후 구간에서도 계속 증가 하는 경향을 보여주고 있다.
4. 실증시험
4.1 시험환경
출력성능 시험은 국내 소형 풍력 성능검사장인 A지점에서 진행 되었으며
Fig. 8은 시험 장소의 전경을 보여준다. 대상터빈은 사이드 펄링이 적용되지 않은 상태에서의 풍력 터빈으로 실증시험은 2017년 3월부터 2018년 2월까지 약 1년의 기간 동안 이루어졌으며, 풍황자료는 대상 풍력 터빈으로부터 2.5 D 이격된 기상관측타워에서 허브높이에 맞춰 18 m의 높이에서 수집되었다. 해당기간 평균 풍속은 4.6 m/s이며 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 주풍방향 이외의 수집 자료는 결과 분석에 사용하지 않았다.
Fig. 8Field of performance test
4.2 성능시험 결과
성능시험 결과는 약 1년간 수집된 자료를 바탕으로 만들어졌으며 인위적 가동정지 상태, 불량방위 등의 데이터는 결과 분석에서 배제되었다.
Fig. 9는 각각 풍속에 따른 발전량, 발전기회전속도 및 발전기 토크 값을 보여준다. 그림에서 검정색 점은 1분 동안의 평균값을 의미하고 곡선은 그 데이터를 회귀 분석한 곡선을 나타낸다. 실증실험은 과 풍속 제어 시스템이 적용되어 있지 않은 대상 풍력 터빈의 기계적 안전성을 고려하여, 풍속 9m/s 이상에서 강제 가동정지 상태가 되도록 제어 알고리즘을 적용하여 수행되었다. 따라서 9 m/s 미만의 풍속 영역에서의 풍력 터빈 성능 실측자료해석 결과를 검증하기 위해 사용하였다.
Fig. 9는 8 m/s 영역까지의 실증 결과를 보여주며 최대출력은 약 5 kW 임을 알 수 있다.
Fig. 9Analysis of field test values
5. 토론
앞서 해석에 사용된 공력해석 값은 풍력 터빈 거동에 따른 응답을 확인하기 위해 각 풍속마다 20개의 섹션에서 레이놀즈수를 각각 산출하여 적용 하였다. 하지만 시뮬레이션 특성상 한 풍속에서 하나의 레이놀즈 수만을 입력할 수 있기 때문에 풍속 마다의 시뮬레이션 해석에서는 풍속이 조금씩 변하였지만 그 풍속들의 평균에 해당하는 레이놀즈 수를 적용 시켰다.
5.1 운전성능비교
실험 데이터 수집 과정에서 제한적인 상황 때문에 풍속 9 m/s 이하의 구간의 출력성능이 주로 수집 되었으며 수집된 실측자료와 FAST를 통하여 모델링된 모델의 시뮬레이션 결과 값을 비교하였다.
Fig. 10은 각각 발전량, 발전기 회전속도 및 발전기 토크 값의 비교결과를 보여준다. 그림을 통하여 알 수 있듯이 발전량의 평균오차는 4.13%, 발전기 회전속도의 평균오차는 2%, 발전기 토크의 평균오차는 3.62%로 비교대상의 값들 모두 5% 이내의 오차 값을 갖는다.
Fig. 10Comparison of field test and simulation
5.2 펄링 시스템을 통한 과 풍속제어 적용방안
펄링 시스템은 꼬리날개로 요잉을 유도하여 로터 회전면적으로 부는 바람의 입사 각도를 변화시켜 출력을 제어할 수 있는 기계적 제어방식이다.
Fig. 11은 펄링 시스템의 개략도(Schematic Diagram)를 보여준다. 그림에서 살펴보면, 로터회전평면과 요축과의 수직거리(
D2)와 로터회전중심과 요축과의 수직거리(
D1) 값은 펄링 모멘트를 생성하며 펄링에 직접적인 영향을 주는 파라미터이다.
식(4)는 펄링 모멘트의 방정식을 나타내며
D2와
D1의 값에 따라 펄링 모멘트의 값이 증가 또는 감소하는 것을 알 수 있다.
14 D2와
D1의 최적 값을 찾기 위하여 파라메트릭 스터디(Parametric Study)를 수행하였다. 파라메트릭 스터디 수행 결과를 살펴 보았을 때
D2는
D1에 비해 상대적으로 적은 차이가 나타났으며
Fig. 12는
D1의 파라메트릭 스터디 결과를 보여준다. 그림을 통하여
D1의 길이가 작을수록 펄링과 요잉이 상대적으로 작은 각도로 발생함으로써 로터 회전속도가 증가하고, 출력제어가 어려움을 알 수 있다. 따라서 펄링 시스템을 설계 할 때 이 점을 고려하여
D1 값을 적용하였다.
Fig. 11Free body diagram of furling system14
Fig. 12Parametric study for various offset
5.3 펄링 시스템 적용 및 해석결과
Fig. 13은 파라메트릭 스터디를 수행하기 전의 모델에 대한 FAST 시뮬레이션 해석결과를 보여준다. 그림은 각각 요잉각, 펄링각, 발전기 토크, 발전기 회전속도, 전기적 출력을 나타낸다.
Fig. 14는 정상상태 해석과 같은 조건으로 수행한 동적 해석결과를 보여준다. 검은색 점은 데이터의 1분 평균값, 빨간색 곡선은 그 값을 회귀 분석한 곡선을 나타낸다. 정상상태 해석결과와 동적 해석결과를 통하여 알 수 있듯이 현재 펄링 시스템은 과풍속 영역에서 허용 발전기 회전속도를 초과 할 뿐만 아니라 정격출력도 2배 이상 초과하는 것을 알 수 있다. 이것으로 인해 기계적 결함과 발전기 파손을 예상할 수 있으며 이를 통하여 파라메트릭 스터디 수행 전 모델은 출력제어의 한계점이 있다는 것을 확인하였다.
Fig. 13Result of simulation for furling system (Steady-State)
Fig. 14Result of simulation for furling system (Dynamic)
정격풍속 이후 구간에서 출력제어를 위하여 파라메트릭 스터디를 기반으로 펄링 시스템을 설계 하였으며
Fig. 15는 이를 적용 시킨 모델에 대한 FAST 해석 결과를 보여준다. 또한 정격풍속 이후 구간에서 출력을 일정하게 유지하기 위한 토크 스케쥴링을 적용하여, 해석을 진행하였다. 그림은 각각 요잉각, 펄링각, 발전기 토크, 발전기 회전속도, 전기적 출력을 나타낸다. 그림에서 살펴보면, 펄링이 시작됨에 따라 요잉이 시작되는 것을 알 수 있다. 또한, 정격풍속 이후 구간에서 발전기 반력 토크가 작아짐에 따라 회전속도가 증가하고 출력이 유지됨을 확인 하였다. 발전기 반력토크 감소에 의한 로터 회전속도 증가는 최대 출력계수 유지를 위해 최적 값으로 고정되어 있어야 할 선단속도비의 증가를 의미하며, 결과적으로 출력계수가 감소한다.
Fig. 15Result of simulation for furling system (Steady-State)
Fig. 16은 정상상태 해석과 같은 조건으로 동적 해석을 진행한 FAST 해석 결과를 나타낸다. 동적 해석에서도 역시 정격풍속 이후 구간에서 출력을 일정하게 유지하기 위한 토크 스케쥴링을 적용하여, 해석을 진행하였다. 그림은 각각 요잉각, 펄링각, 발전기 토크, 발전기 회전속도, 전기적 출력을 나타낸다.
Fig. 16Result of simulation for furling system (Dynamic)
5.4 펄링 시스템 해석결과 검증
펄링 시스템이 포함된 대상 풍력 터빈의 FAST 해석결과 검증을 위하여, 본 연구의 대상터빈은 아니지만, 문헌에 실측 결과가 제시되어 있는 펄링 시스템이 적용된 상용 터빈을 동일한 방법으로 FAST 프로그램을 이용하여 모델링한 후 해석을 진행하였다.
Table 4는 문헌에 제시된 상용터빈의 제원을 보여준다.
18
Table 4Specification of wind turbine18
Table 4
|
Property |
Units |
Value |
|
Rated electrical power |
kW |
10 |
|
Rotor orientation, Configuration |
- |
Upwind, 3blades |
|
Rotor diameter |
m |
6 |
|
Hub height |
m |
25 |
|
Cut-In, Rated, Cut-Out wind speed |
m/s |
4, 13, 20 |
Fig. 17은 FAST 해석 결과와 문헌상에 제시된 실험결과와의 비교결과를 보여준다. 해석결과 값은 문헌상에 제시된 실측 자료와 비교 검증 되었으며 문헌에서 수치 값이 아닌 그림으로 결과가 제시되었기 때문에 그림에서 데이터를 추출하여 값을 비교하였다.
Fig. 14를 살펴보면, FAST 해석결과가 문헌에 제시된 실험결과와 매우 유사함을 알 수 있다.
Fig. 17Comparison of simulation result and test result18
6. 결론
본 논문에서는 10 kW급 소형 풍력 터빈을 NREL에서 개발한 공탄성 모델 해석 프로그램인 FAST를 이용하여 모델링 하였으며 해당 모델의 시뮬레이션 결과와 실증시험을 통하여 얻은 실측자료와 비교검토를 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 풍속 8 m/ 이하에서의 실측자료와 비교되었으며 각각의 평균오차는 발전량 4.13%, 발전기 회전속도 2% 그리고 발전기 토크 3.62% 로 높은 예측 정확도를 보여주었다.
또한, 대상 풍력 터빈의 과 풍속 구간 운전을 위하여 펄링 시스템 적용을 제안 하였다. 펄링 시스템이 적용된 모델은 FAST프로그램을 통하여 모델링 되었으며 정상상태 및 시뮬레이션 결과 과 풍속구간 출력유지를 위한 펄링 시스템 적용 가능성을 보여주었다. 펄링 시스템 적용에 대한 검증은 대상터빈이 아닌 문헌에 실험결과값이 존재하는 유사 풍력 터빈에 대한 해석을 통해 이루어졌다. 검증결과 펄링 시스템을 포함하는 유사 풍력터빈의 성능이 매우 근사하게 나타났다. 발생된 오차는 문헌에 제시된 실험결과값이 정량적으로 제시되지 않고 그림으로 제시되어있기 때문에 그림으로부터 데이터를 추출하는 과정에서 발생 된 것으로 생각된다.
펄링 시스템 적용에 대한 검증은 완료하였지만, 향후 시뮬레이션 모델링 실험적 검증을 위한 펄링 시스템 적용 실제 모델에 대한 추가적인 실증시험의 수행이 필요할 것으로 판단된다.
ACKNOWLEDGMENTS
이 논문은 2015, 2017년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20153010024470, 소형 풍력발전시스템 최적화 엔지니어링 기술개발, 2017010025010, 풍력 개발 단지 마이크로사이팅 기술 고도화) 본 논문은 김동명의 강원대학교 대학원 기계융합공학과 석사학위논문을 바탕으로 작성되었습니다.
NOMENCLATURE
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Biography
- Dongmyoung Kim
Ph.D. candidate in the Department of Advanced Mechanical Engineering, Graduare School, Kangwon National University. His research interests is small wind turbine performance analysis.
- Insu Paek
Professor in the Division of Mechanical and Biomedical·Mechatronics and Materials Science Engineering, Kangwon National University. His research interest is in wind engineering (micrositing, wind farm design, and wind turbine performance analysis and control.)
- Jeonghwan Kim
Senior researcher in the Laeuntech Co., Ltd. His research interests are small wind turbine development.
