수평축 풍력터빈의 성능해석을 위한 CFD연구

Abstract

본 논문에서는 수평축 풍력터빈의 후류 특성을 고려한 풍력발전단지 조성을 위해 NREL 풍력터빈 로터를 이용하여 연구를 수행하였다. 블레이드의 에어포일의 해석과 더불어 NREL 풍력터빈 블레이드의 압력분포, 원거리에 대한 공력해석을 수행하였다. NREL 풍력터빈 에어포일인 S809에 대해서는 상용유동해석코드인 Fluent에서 층류/난류의 영역으로 구분하여 계산을 수행하였는데 천이점이 에어포일 중간의 위치해 있는 받음각에서는 좋은 결과를 가져왔다. 하지만 에어포일 전 지역이 박리영역에 포함되어 있는 받음각에서는 실험치와 값이 잘 맞지 않았다. 블레이드 표면의 압력해석은 NREL/NASA Ames에서 실행된 실험결과와 비교하였다. 속도의 변화에 따른 단면 압력분포 및 pathline의 확인 결과 실험치와 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 블레이드 상의 박리점을 확인하고 실험 결과와 비교하여 저속에서는 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 속도가 증가하면 suction side에서의 압력계수 결과가 약간의 오차를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 단일풍력터빈 로터의 후류해석결과 후류의 영향이 로터 직경의 15배까지 미친다는 것을 알 수 있었다. 전후방 풍력터빈 해석 결과 전방로터의 후류가 후방로터의 성능저하의 요인이 된다는 것을 확인할 수 있었다.; For the construction of wind farm, it is essential condition to decide the optimum interval between wind turbines. The wake of front rotor reaches negative influence to the performance of the rear rotor. Generally, It was widely known that the wake of the rotor affect to the rear to the extent of 10 times of rotor diameter. The wake effect is shadowing from one wind turbine to the next and much further downstream. A turbine placed downwind of another turbine produces less energy, typically 10～20 % less but in the worst cases where turbines are closely spaced up to 60 % less. Therefore, this research describes aerodynamic characteristics and wake effect of the NREL Phase VI rotor using the Fluent which is a commercial flow analysis tool to construct the wind farm. For the calculation, rotating reference frame that the blade is fixed while the reference axis is rotating was used. Also, hybrid mesh mixed multiple hexahedral mesh and triangle mesh at tip was used. Using periodic boundary condition, computational domain can be half reduced. Rotor blade pitch is defined at 75% span and the pitch axis is at the 30% chord line. All five NREL Phase VI rotor cases have 0 degree yaw angle and 3 degree tip pitch angle. All computations are performed as rotor-only computations, excluding the tower and nacelle. For the validation, results of aerodynamic characteristics and wake effect analyses are compared with experimental results by the NREL/NASA Ames wind tunnel tests. Computed results are represented good agreement with the experimental results. In this research, the CFD research was performed to calculate the wake effect of wind turbine rotor. From those results, it will be possible to predict the interval between wind turbines.