Transcript 특별학기_강의자료_정회갑 - 차세대 에너지융합 특성화 사업단

2016년도 차세대 에너지융합
특성화 사업단 특별학기
풍력 발전 시스템 : 풍력 터빈 출력 성능 시험
Wind Turbine Generator Systems : Wind Turbine
Performance Testing
2016년 01월 28일
담당 교수 : 정 회 갑
Department of Civil Engineering
Chonbuk National University
1/52
풍력발전기 성능평가 항목
 출력성능
 바람으로부터 추출할 수 있는 전력량이 얼마인지 확인
 측정된 출력으로부터 출력계수(효율)를 구하여 평가
 IEC 61400-12 : Wind turbine generator systems-wind turbine power performance
testing
 IEC 61400-12-1 : Power performance measurements of electricity producing wind
turbine
 소음
 친환경적이라는 재생에너지의 명성에 맞지 않는 소음문제 유발
 설치 장소 주민에게 불쾌감 유발 : 민원문제 발생
 풍력발전기 보급에 장애 요인으로 작용
 IEC 61400-11 : Wind turbine generator systems-Acoustic
noise measurement technique
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풍력발전기 성능평가 항목
 하중
 풍력발전기에 작용하는 기계적 하중측정
 측정하중 케이스
 작동개시, 정상가동, 고장 상태, 그리드 연계 상실 등
 측정하중
 블레이드 루트, 로터 하중(요잉 모멘트, 로터 토크 등), 타워 하중 등
 IEC 61400-13 : Wind turbine generator systems-measurement of mechanical
loads
 전력 품질
 IEC 61400-21 : measurement and assessment of power quality characteristics of
grid connected wind turbines
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 1차원 운동량 이론 (one-dimensional momentum theory)
 풍력터빈의 날개에 작용하는 힘과 출력을 구하기 위한 가장 기초적인 모델
 풍력터빈의 날개를 회전하지 않는 디스크로 가정
 디스크는 날개가 무수히 많은 경우
 에너지 손실 없이 단순히 바람으로부터 에너지만 뽑아내는 장치로 간주
 1차원 모델로 터빈의 축방향과 일치한 바람의 진행방향에서 속도와 압력의 변화를 고려
 날개 회전에 의해 발생하는 원주방향의 속도 및 날개에 작용하는 토크는 고려치 않음
 질량보존 법칙, 운동량이론, 베르누이 방정식에 기초
 바람의 가정
 정상상태 – 물체의 상태가 시간에 의해 변화하지 않는 상태, 유체의 흐름이 일정
 비압축성 – 압력이 가해져도 체적의 변화가 없는 유체
 비점성 – 유체의 유동시 마찰저항이 존재하지 않는 유체
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 압력 가정
 디스크 면에 작용하는 압력은 균일
 터빈에서 상당한 거리의 전방과 후방에서 바람의 정압은 주변 압력(대기압)과 같음
 풍력발전기 출력 유도
 베르누이 방정식
 유체에서 일을 하거나, 유체가 외부로 일을 하지 않으면 운동에너지, 위치에너지 및
정압으로 이루어진 총 에너지는 항상 일정
1
V
2
2
 p  gh  constant
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
1
V
2
 풍력발전기에 접근하는 바람
 터빈으로 인하여 점점 감속
 질량보존 법칙에 의해 차지하는 단면적이 넓어 짐
 터빈을 통과하기 전이기 때문에 한일은 없고 단지 속도만 감소
 베르누이 방정식에서 위치에너지 일정
 총 에너지의 일정을 만족하기 위해서 정압 증가
 속도가 감소되는 부분부터 정압은 대기압보다 크게 됨
6/52
2
 p  gh  constant
풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
1
V
2
2
 p  gh  constant
 디스크로 가정한 터빈 날개를 통과하면서
바람 속도의 변화는 없다
 터빈이 얻은 출력으로 인하여 정압은 감소
 후방에서 정압은 대기압보다 낮다
 터빈 후방에서 바람의 흐름을 후류라 함
 후류에서 바람의 속도는 계속 감소하며
바람의 정압이 대기압과 같게 될 때까지
바람의 속도는 감소
 터빈으로부터 뺏긴 후의 에너지를 유지하기 위해
속도는 감소됨
 공기의 질량유량(mass flow)은 일정하지만
공기의 속도가 감소하기 대문에 면적이 넓어짐
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 결과적으로 바람의 정압은 대기압으로 회복, 단지 바람의 속도만 감소하여
(V1 -> V2) 운동에너지의 감소 발생
 즉, 풍력터빈은 바람의 운동에너지 감소를 이용하여 회전 함
 질량 보존 법칙으로부터 공기의 질량유량(mass flow)
m  A 1V 1  A dV d  A 2V 2
(kg /s )
(1)
 디스크 전방에서 디스크까지 사이에서 속도변화를 나타내기 위해 a 도입
 a는 축방향 속도변화 인자(axial induction factor)
a 
V
V1

V 1 V d
V1
V d  V 1  V  V 1(1  a )
(2)
(3)
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 디스크를 통과하는 바람에 의해 가해지는 힘(추력) ->바람의 운동량 변화
 힘=질량흐름 X 속도
F  m (V 1 V 2 )  A dV d (V 1 V 2 )  (1  a )V 1(V 1 V 2 )A d
(4)
 힘은 전방과 후방의 바람 속도의 함수
 V1은 쉽게 구할 수 있지만 V2는 출력에 따라 변하는 값으로 구하기 힘듬
 식 (4)와 같은 힘을 나타내는 또 다른 표현
 디스크에 작용하는 힘은 디스크 앞면과 뒷면에 작용하는 압력 차이로부터
F  (p d  p d )Ad
(5)
 베르누이 방정식을 디스크 전면에 적용하면
1
1
V 12  p 1  V d2  p d
2
2
(6)
 후면에 적용
1
1
V 22  p 2  V d2  p d
2
2
(7)
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풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 식 (6)에서 (7)을 빼면 다음과 같은 압력 차이에 대한 식을 얻을 수 있다.
p d  p d 
1
(V 12 V 22 )
2
(8)
 식 (8)을 식 (5)에 대입하고 식 (4)와 같게 놓으면 속도에 대한 관계식을 얻을 수
있다.
1
(V 12 V 22 )  (1  a )V 1(V 1 V 2 )
2
V 2  (1  2a )V 1
or
a 
(9)
V 1 V 2
2V 1
(10)
 따라서 식 (10)을 식 (4)에 대입하면 디스크에 작용하는 힘은 터빈 전방의 바람
속도의 함수로 나타낼 수 있다.
F  m (V 1 V 2 )  AdV d (V 1 V 2 )  2AdV 12a (1  a )
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(11)
풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 Power=force x velocity이므로 바람으로 부터 얻을 수 있는 출력은 식 11의 힘에
풍속을 곱하여 다음과 같다.
Pw  FV d  2 AdV 13a (1  a )2
(12)
 전방의 바람속도(V1) 가지는 운동에너지가 풍력터빈의 날개를 회전시키는데 전부
소진 된다면 터빈의 후방에서 바람의 속도V2는 0이 된다.
 이 때 변환된 바람의 운동에너지는 다음과 같고, 이는 바람으로 부터 얻을 수 있는
최대출력이다.
1
mV
2
2
1

1
(AdV 1)V 12
2
(13)
 이 최대출력과 실제 풍력발전기의 출력의 비를 출력계수라 하며 다음과 같다.
Cp
2 A dV 13a (1  a )2

 4a (1  a )2
1
(A dV 1)V 12
2
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(14)
풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 출력계수로 다시 정리 하면 식 (15)와 같다.
 출력은 바람 속도의 3승에 비례
 출력은 공기 밀도에 비례
 출력은 날개 반경의 제곱에 비례 (반경이 10%증가하면 출력은 21%증가)
 출력은 속도의 함수인 Cp에 비례
1
2
1
2
Pw  C p (AdV 13 )  C p (R 2V 13 )
(15)
 식 (15)에서 동일 반경 및 동일 풍속에 대해서 최대 출력은 출력계수가 최대일 때
최대가 된다.
 식 (14)로 부터 최대 출력계수를 구하기 위해 양변을 a에 대해 미분하면
 출력계수는 a=1/3에서 최대값을 가지며 이때의 CP는 16/27로 약 0.593이다.
 즉, 불어오는 바람이 가지는 운동에너지의 59.3%를 출력으로 얻을 수 있으며, 이 값을
베츠의 한계(Betz limits)라 한다.
dC p
 0  (1  a )(1  3a )
da
(16)
12/52
풍력발전기 출력 및 베츠의 한계
 주어진 풍속에서 풍력발전기의 로터 효율(ηr), 기계적 효율(ηt), 발전기효율(ηg)을
고려한 전기에너지는 다음과 같다.
Pe 
1
V 3 AC P rtg
2
(17)
13/52
풍력발전기 출력 제어
 날개 피치각 제어 개요
 대부분 상용 풍력터빈
 양력을 이용하여 터빈을 구동
 날개의 피치각을 조절하여 양력을 감소 또는 증가시켜 풍력터빈의 출력제어

받음각(α, angle of attack)dl 크면 날개 윗면을 따라서 흐르는
공기는 완전히 날개 표면을 따라서 흐르지 못함

공기가 날개 표면에서 분리되면 그 분리점 이후 날개
윗면에서 와류가 발생하여 압력이 증가하고 전체 양력 감소

이러한 현상을 stall현상이라 하고 받음각이 계속 증가하면
양력을 발생하지 못하게 되어 날개는 회전력을 잃고 정지
14/52
풍력발전기 출력 제어
 받음각이 최적이면 최대의 양력 발생
 가능한 스톨이 발생하지 않도록 하기 위해 피치각을 조절
 풍속이 정격출력에 필요한 풍속보다 빠르면 피치각을 크게하여 날개에 스톨을
발생을 발생시켜 양력을 감소
 날개와 바람의 방향이 이루는 받음각이 작아서 날개에서 양력이 전혀 발생하지
않는 경우 -> feather 상태
15/52
풍력발전기 출력 제어
 풍력터빈 날개 특성
 풍력터빈의 날개는 로터 연결부에서 날개의 끝으로 갈수록 비틀려 있음
 로터가 같은 각속도로 회전시 날개 끝으로 갈수록 반경이 증가하기 때문에
회전속도 증가
 바람속도와 날개의 회전속도의 합성인 상대속도가 변화함
V r  V 12  (R )2
(18)
 날개 트위스트
 로터의 축가까이에서 받음각이 크며 멀수록 작아짐
 받음각이 크면 스톨이 발생할 수 있음
 스톨 발생을 방지하기 위해 날개 피치각을
반경에 따라 다르게 제작
 날개 끝으로 갈수록 피치각이 작아짐
16/52
풍력발전기 출력 제어
 날개 폭
 날개 끝으로 갈수록 반경이 증가하면서 회전속도(Rω) 증가로 바람의 상대속도 증가
 양력은 날개의 면적과 회전속도의 함수
L  AC LV 2 /2
(19)
 균일한 양력 발생을 위해 날개 반경 증가에 따라 폭을 축소
 결과적으로 날개 끝으로 갈수록 피치각은 작아지고 폭은 좁아진다.
17/52
풍력발전기 출력 제어
 날개 수
 1-blade
 바람의 흐름에 대한 방해가 가장 적고 출력이 높음
 제작비용 감소
 한 개의 날개로 두 개의 날개와 같은 출력을 얻기 위해서는 구조가 강해야하며
고속회전을 해야 함 – 소음이 큼
 한쪽에 치우친 무게의 평형을 위해 다른 한쪽에 여분의 무게를 부착해야 함
 2-blade
 세 개의 날개를 사용하는 터빈에 비해 제작비용 저렴
 날개 설치 용이
 바람의 방향이 변하면 동적 불안정 발생
 3-blade
 2-blade의 동적 불안정 해소
 날개 제작 비용이 높지만 안정적으로 작동
 대부분의 중대형 풍력터빈들이 3-blade 채택
18/52
풍력발전기 출력 제어
 출력계수와 날개 선단 속도 비(tip speed ratio) 관계
 유입풍속과 날개 선단 속도 비의 함수
𝑇𝑆𝑅 = 𝜆 =
𝜔𝑟 𝜋𝑛𝑟
=
𝑈
30𝑈
(20)
 선단속도는 블레이드의 길이가 증가함에 따라 증가
 일정속도를 초과하면 소음발생이유로 중요하게 취급
 2MW급 풍력발전기의 경우 75m/s 내외
 출력계수는 TSR에 따라 달라지며 최대의 출력이 나타나는 최적의 TSR이 존재
19/52
풍력발전기 출력 제어
 프로펠러형 중 양력형은 선단 속도가 풍속보다 5~10배 빠름
 TSR이 같더라도 대형 풍력발전기는 회전수가 낮고 소형은 높음
 양력형 프로펠러나 다리우스는 토크는 작지만 출력이 커 발전용으로 적합
 사보니우스나 다익형은 출력계수는 작지만 토크계수가 펌프구동 등에 적합
20/52
예제 1
 블레이드 개수가 3개이며, 반경이 41m이고, 회전속도가 15rpm이다. 다음의
그림을 이용하여 최대 출력계수를 가지는 풍속을 구하라.
그림에서 날개가 3개인 경우 최대 출력은 λ=7에서
발생. 다음 식으로 부터
𝑇𝑆𝑅 = 𝜆 =
𝑈=
𝜔𝑟 𝜋𝑛𝑟
=
𝑈
30𝑈
𝜋𝑛𝑟 𝜋×15×41
= 30×7 =9.2m/s
30𝜆
21/52
풍력발전기 출력 제어
 솔리디티(solidity)
 풍력발전기 성능을 특징짓는 중요한 특성계수
 풍력터빈의 로터 회전면적에 대한 로터블레이드의 전 투영면적의 비
 솔리디티는 TSR과 상관성이 큼
 솔리디티가 작은 풍력발전기는 주속비가 크게 되어 고속회전형이 됨
 솔리디티가 큰 풍력발전기는 주속비가 작고 다익형 풍력발전기처럼 낮은 회전으로
토크가 커짐
 수평축 : 다익형이 솔리디티가 큼
 수직축 : 사보니우스형이 다리우스형보다 솔리디티가 큼
 솔리디티가 작은 2, 3-blade는 고회전을 이용하지만, 기동 토크가 작아 발전을
시작하는 컷인 풍속이 높아짐
수평축
 
BS
R 2
수직축  
BC
2R
B : 블레이드 수, S : 수평축 블레이드 투영면적, R : 반경,
C : 수직축 풍력발전기 블레이드 코드 길이
22/52
(21)
풍력발전기 출력 곡선
 피치각, TSR과 출력계수의 관계
 풍력발전기의 출력은 TSR과 피치각의 함수로 다음과 같이 나타낼 수 있음
C P (, ) 
Pw
1
V 3 A
2
(22)
 날개의 형상을 설계하면 날개의 피치각 변화에 따른 출력계수에 대한 식이 유도됨
21
 116
  i
C P (, ) 
 0 .518 
 0 .4  5 e
 0 .0068 
1

3
 i

V A
2
Pw
1
i

(23)
1
0 .035
 3
  0 .08    1
S. Skolthanarat, “The modeling and control of a wind farm and grid interconnection in a multi-machine system”
23/52
풍력발전기 출력 곡선
 특정 풍력발전기의 피치각, TSR과 출력계수 관계
 날개의 피치각이 0o 일 때 날개 끝 속도비가 약 8에서 최대출력계수 약 0.48
– 이 때 풍력발전기로부터 최대의 기계에너지를 얻을 수 있음
 같은 피치각에 대해 TSR이 증가하면 출력계수가 최고치에 도달 후 감소
 풍력발전기의 날개가 가지는 피치각에 대하여 최대의 출력계수를 가지는 TSR이
존재
24/52
풍력발전기 출력 곡선
 식 (20) ~ (23)을 이용한 풍속, 회전각속도, 출력의 관계 1
 반경 40m, 피치각 0도
 각각의 블레이드 회전수에서 풍속이 증가하면 출력이 증가하다 감소
– 최대출력 후에는 풍속이 증가하면서 바람의 상대속도와 받음각이 증가
– 스톨발생으로 출력계수가 감소
 최대출력이 발생하는 풍속은 회전수에 따라 다름
– 즉, 각 풍속마다 최적 TSR이 존재
 특정 회전수에서 풍속이 증가하면 발전기에 과부하가 발생할 수 있음
– Ex) 18 rpm에서 정격출력 2MW 발전기 가정
풍속 9m/s에서 출력 1.0MW
풍속 18m/s에서 출력 2.9MW -> 과부하, 고장
rpm을 16으로 낮추면 25m/s까지 안전
낮은 풍속에서 효율이 낮음
 풍속에 따라 날개의 회전수를 적절히 제어해야 함
25/52
풍력발전기 출력 곡선
 식 (20) ~ (23)을 이용한 풍속, 회전속도, 출력의 관계 2
 반경 40m, 피치각 0도
 특정 풍속에서 풍력발전기의 회전수가 증가하면 출력은 증가하다 감소
 풍속이 높아짐에 따라 최적 rpm이 커짐
 정격출력 이하에서는 각 풍속에서 최대출력이 발생하는 회전수 부근에서 풍력터빈
작동
 정격출력에 도달하면 피치각을 조절하여 풍속이 증가하여도 정격출력만 발전하도록
제어
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풍력발전기 출력 곡선
 영역 I
 풍속이 풍력발전기의 시동풍속보다 작아 발전하지 못함
 영역 II
 풍속이 시동풍속보다 커 발전 시작
 풍력발전기가 생산하는 출력이 정격출력보다 작음
 가능한 최대의 출력이 생산되도록 제어
– 바람의 운동에너지가 최대한 출력으로 전환되도록 최적 TSR에서 작동하도록 제어
 영역 III
 정격출력보다 더 많은 출력 가능
 설계에 적용한 정격출력만 생산하도록 제어
 토크는 일정하게 유지하면서 피치각을 제어
하여 스톨 유발
 영역 III 이후
 풍속이 너무 커서 풍력터빈이 구조적으로
출력을 생산할 수 없는 상태
 강풍에 손상을 피하기 위해 피치각을 조절하여
페더(feather)상태 유지
27/52
예제 2
 풍력터빈의 날개 피치각(ϴ)이 0도이며 반경이 40m이고, 회전속도가
16rpm이다. 풍속이 9m/s인 경우 출력을 구하라

1
i
nR
  16  40

 7 .44
30V
30  9

 피치각이 0도인 경우 출력계수는 0.47이며
출력은 1.05MW이다
1
0 .0035
 3
 0 .0035  0 .1
  0 .08 
 1
21
 116
  i
C P (, )  0 .518 
 0 .4  5 e
 0 .0068 

 i

 0 .518 (116  0 .1  5 )e 210 .1  0 .0068  7 .44
 0 .47
Pw  0 .5C p (, )AV
3
 0 .5  0 .47  1 .225    40 2  9 3  1 .05 MW
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출력성능 평가 방법
 현장 실험
 현장에 직접 풍력발전기를 설치하여 출력 및 풍속측정
 소형 및 대형풍력발전기에 적용 가능
 장기간의 측정 기간 및 높은 설치 비용
 높은 난류강도로 인해 동일 풍속에서 일정하지 않은 성능
 풍동 실험
 소형 풍력발전기에 적합
 단기간의 측정시간
 풍속 조절 가능
 풍동시설의 한계로 인한 문제점 발생
 폐쇄효과
 축소모형 실험 시 상사의 문제 (레이놀즈 수, TSR 등)
 난류 모사의 어려움
29/52
풍동실험
 다양한 분야에 활용
30/52
풍동실험
 다양한 분야에 활용
31/52
풍력발전기 풍동실험
 풍력발전기 풍동실험
 출력성능
 로터 블레이드 소음
 풍력발전단지 설계
 블레이드 공력성능
 풍력발전기 후류 예측 등
32/52
풍력발전기 축소모형
 풍력발전기 축소에 따른 상사법칙
 Geometric
 Reynolds number
 TSR(Tip speed ratio)
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풍력발전기 축소모델 상사율
 기하학적 상사
 출력은 블레이드 형상에 매우 민감
 모형 스케일에 맞는 동일한 형상을 정교하게 제작
 레이놀즈 수
 관성력과 점성에 의한 마찰력과의 비율로 정의되는 무차원 수
 레이놀즈 수가 작다는 것은 점성작용이 강한 흐름을 의미
 레이놀즈 수가 크다는 것은 상대적으로 관성작용이 강한 흐름을 의미
Average chord Re 
U C RC



34/52
풍력발전기 축소모델 상사율
 풍력발전기 레이놀즈 수 범위
 Small scale : 3x103 ~ 3x104
 Medium scale : 6x104 ~ 4x105
 Full scale : 6x105 ~ 1x106
 Commercial : 1x106 ~ 5x106
35/52
풍력발전기 축소모델 상사율
 영각(angle of attack)과 양력계수
 레이놀즈 수가 변하여도 약 10도에서 최대 양력계수
 레이놀즈 수에 따른 양력과 항력
 레이놀즈 수가 변하여도 양력계수는 큰 변화가 없음
 레이놀즈 수가 작을 수록 항력계수가 커짐
 레이놀즈 수는 출력에 영향을 미치므로 상사율을 맞춰야 함
 후류실험의 경우 레이놀즈 수를 무시하여도 후류모사 가능
36/52
풍력발전기 축소모델 상사율
 레이놀즈 수는 모형이 줄어든 비율만큼 풍속이 높이거나 동점성계수가 작은
유체를 사용하여 실험
 풍속을 높이는 방법
 모형이 100배 축소되면 풍속이 100배 커져야 함
 풍동의 한계로 실현 불가능
 동점성계수가 다른 유체 사용
 수조를 이용하여 유속과 동점성계수를
작게 하여 상사
 레이놀즈 수 상사는 현실적으로 어려움이 따름
 출력성능 평가시 축소모형 실험은 불가능
 풍동실험을 통한 출력성능 실험은 대부분
소형 풍력발전기에 대한 평가
Average chord Re 
U C RC



37/52
풍력발전기 축소모델 상사율
 TSR 상사
 TSR 또한 풍력발전기 출력에 큰 영향을 미침
 풍력발전기 축소비율만큼 회전각속도가 증가되어야 함
 TSR 제어방법
 저항을 이용하여 전기적으로 제어하는 방법
 발전기가 아닌 모터로 강제회전 시키는 방법
– 대부분 풍동실험에서 TSR 제어가 쉽기 때문에 이용되는 방법
𝑇𝑆𝑅 = 𝜆 =
𝜔𝑟 𝜋𝑛𝑟
=
𝑈
30𝑈
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풍동실험시 고려사항 : 기준풍속
 출력성능 평가 시 기준풍속
 기준풍속을 정확히 하지 않으면 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 없음
 풍력발전기 너무 가까이에서 풍속 측정
 풍력발전기에 의해 공기흐름이 정체되어 풍속이 낮게 측정됨
 풍력발전기 출력성능 과대평가
 너무 멀리 떨어진 곳에서 풍속 측정
 풍동 수축부를 막 빠져나온 안정화 되지 않은 풍속 측정
 기준풍속과 출력의 상관관계가 낮아짐
 풍동 시험부가 비어있는 상태에서 풍속측정
 풍력발전기가 설치되면 풍동의 크기에 따라 막힘 정도가 달라짐
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풍동실험시 고려사항 : 기준풍속
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풍동실험시 고려사항 : 기준풍속
 IEC 61400에 따른 풍속 측정 위치
 수평축
 회전자 직경의 2~4배에서 측정
 직경의 2.5배 권장
 수직축
 등가 회전자 직경
 A는 회전자의 회전면적
D  2 A /
 기준풍속 측정위치와 풍력발전기 사이의 거리
거리  L  0 .5D
– Ex) 등가직경이 5m인 수직축 풍력발전기의 기준풍속 측정 위치는 풍력발전기 타워중심을
기준으로 사이의 거리를 10m로 해야한다.
5x 2 .5  12 .5  L  0 .5x 5
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풍동실험시 고려사항 : 기준풍속
 실험에 따른 기준풍속 측정위치
 풍력발전기로부터 거리에 따라 풍속 측정
 풍력발전기 RPM에 따른 영향
 풍속에 따른 영향 기준풍속 영향
 풍동 크기에 따른 영향
Normalized wind speed (U/U∞)
1.04
1.00
0.96
100rpm
300rpm
0.92
500rpm
700rpm
0.88
0
2
4
Normalized distance (x/D)
6
 풍력발전기 샤프트로부터 약 2.5배 이상거리
Normalized wind speed (U/U∞)
1.04
1.00
0.96
4.3m/s
0.92
6.4m/s
8.6m/s
0.88
0
2
4
Normalized distance (x/D)
6
Normalized wind speed (U/U∞)
1.04
1.00
0.96
3.5%
0.92
13.4%
24.7%
0.88
0
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2
4
Normalized distance (x/D)
6
풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법
 전기적 측정 방법
 저항을 조정하여 TSR을 조정
 저항을 바꿔가며 전압과 저항, 블레이드 rpm 및 풍속측정
 옴의 법칙으로부터 출력 산출
V
I
R
RG
V2
P  IV 
R
generator
RL
RS
Power
measure
R RG RL RS
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풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법
 저항과 전압 관계
 저항을 계속 증가시키면 전압이 증가하다 일정 값에 수렴
 저항과 출력 관계
 저항을 계속 증가시키면 최대 출력 이후 감소하며 최적의 저항이 존재 함
 따라서 각각의 풍속마다 최적 저항을 찾아 최대출력을 평가해야 함
Steel plate
4
0.9m/s^2
0.5m/s^2
1.6
0.7m/s^2
0.3m/s^2
0.9m/s^2
3
RMS Power (mW)
RMS Voltage (V)
Coil
2
1
0
0
Magnet
5
10
15
External Resistance (KΩ)
44/52
20
0.7m/s^2
1.2
0.5m/s^2
0.8
0.3m/s^2
0.4
0.0
0
5
10
15
External Resistance (KΩ)
20
풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법
 기계적 손실과 전기손실을 고려한 최종 출력인 전력을 얻는다는 장점이 있어 주로
실제의 대형 풍력발전기의 현장 실험에 주로 사용
 소형 풍력발전기 실험에서 발전기는 대부분 DC 모터를 이용하여 설계되며
발전기까지 설계가 완료된 풍력발전기에 주로 적용
 발전기의 전압과 회로구성에서 저항을 측정하면 쉽게 출력 산출 가능
 전기적 출력측정 방법은 발전기에서 몇 가지 요인으로 인하여 효율 저하
– 구리손실 : 도체에 전류가 흐르면서 내부의 에너지가 열로 발생하면 서 발생
– 기계손실 : 베어링이나 브러쉬 등의 마찰에 의해 에너지 손실
 기계적인 출력측정보다 성능이 낮게 평가 됨, 즉 같은 풍력터빈이라 할지라도 발전기
효율에 따라 출력이 다르게 평가될 수 있음
P
elec
V2

 VI
R
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풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법
 기계적 출력 측정 방법
 발전기 대신 모터와 인버터를 장착하여 블레이드를 회전속도 제어
 모터의 rpm, 토크 및 풍속을 측정하여 TSR에 따른 출력 산출
 발전기의 전기적인 부분을 분리하여 기계적인 효율만 평가하는 방법
 풍동실험에 사용되는 일반적인 방법
 낮은 TSR부터 높은 TSR까지 제어가 쉽다.
P WT  T WT 
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풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법
Motor
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 폐쇄율(blockage ratio)
 풍동실험에서 시험부에 대한 시험체의 상대적인 크기의 비
 시험부 단면적에 대한 시험체의 단면적
𝐴𝑆
𝛽=
𝐴𝑇
AS : 시험체 단면적
AT : 풍동 시험부 단면적
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 폐쇄효과(blockage effect or wind tunnel wall interference)
 경계면이 없는 자유기류(freestream)를 비행하고 있는 항공기나 경계면이 하나인
지면위의 자동차와 달이 풍동시험부에는 상하좌우면에 경계면이 존재하기 때문에
공기의 흐름 특성이 달라지게 됨
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 3가지 경계면 모두 공기의 흐름 안에 물체가 있다는 것은 동일
 풍동 시험부의 시험체와 흐름 경계면 까지의 거리는 실제 시험체가 운용되는
조건보다 보통작음 -> 폐쇄효과 발생
 폐쇄효과는 풍동 실험 결과에 오차를 유발
 풍동실험시 반드시 평가되어야 할 핵심적인 사항이며 폐쇄효과에 대한 보정이
필요
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 Solid blockage effect
 Solid blockage는 무한한 공간상에 존재하는 실제의 대상을 시험체로 하여
풍동이라는 경계면을 가진 제한된 공간에서 실험을 수행하기 때문에 발생
 시험체가 설치된 풍동의 경계면
 자유기류 조건에 비해 공기가 흘러야하는 면적을 감소시킴
 시험체에 의해 감소된 면적에서 질량흐름이 일정해야 하는 연속방정식 및 베르누이
방정식을 만족하기 위해 풍속은 증가하고 압력은 증가
 시험체 부근에서 증가되었던 풍속은 시험체를 지나 회복
 폐쇄효과를 피하기 위해 보통 폐쇄율은 5%이내로 제한
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 Wake blockage effect
 시험체가 바람을 맞으면 유입풍속보다 평균풍속이 낮은 wake를 발생 시킴
 Wake blockage는 시험체로부터 발생한 wake가 제한된 공간에 놓이기 때문에
발생
 solid blockage와 유사한 개념
 Wake 크기와 시험체 형상의 함수이기 때문에 복잡
 개방형 시험부에서는 무시해도 되는 것으로 간주되지만, 폐쇄형 시험부에서는
풍속을 증가시키기 때문에 고려해줘야 할 대상
Wake 영역의 풍속은 자유기류보다 낮기 때문에
wake의 바깥쪽의 풍속은 각각의 단면을 흐르는
체적을 일정하게 하기 위해 자유기류에서 보다
높아지게 됨
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과
 Total blockage effect
 Solid blockage와 wake blockage가 중첩될 수 있다면 wake blockage와 solid
blockage로 인해 발생한 풍속증가의 총 합을 total blockage라 정의하고 이는
풍동실험 결과에 영향을 미침
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