풍력발전시스템 풍력터빈출력성능시험 WindTurbine Generator …ck-energy.jbnu.ac.kr/data/cmu02/1908811586_456ebd4... · 3/63 풍력발전기성능평가항목 §하중

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풍력 발전 시스템 : 풍력 터빈 출력 성능 시험Wind Turbine Generator Systems : Wind Turbine

Performance Testing

2016년도 차세대 에너지융합특성화 사업단 특별학기

담당 교수 : 정 회 갑

Department of Civil Engineering

Chonbuk National University

2016년 01월 28일

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풍력발전기 성능평가 항목

§ 출력성능

Ø 바람으로부터추출할수있는전력량이얼마인지확인

ü측정된출력으로부터출력계수(효율)를구하여평가

Ø IEC 61400-12 : Wind turbine generator systems-wind turbine power performance

testing

Ø IEC 61400-12-1 : Power performance measurements of electricity producing wind

turbine

§ 소음

Ø 친환경적이라는재생에너지의명성에맞지않는소음문제유발

ü설치장소주민에게불쾌감유발 : 민원문제발생

ü풍력발전기보급에장애요인으로작용

Ø IEC 61400-11 : Wind turbine generator systems-Acoustic

noise measurement technique

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풍력발전기 성능평가 항목

§ 하중

Ø 풍력발전기에작용하는기계적하중측정

Ø 측정하중케이스

ü작동개시, 정상가동, 고장상태, 그리드연계상실등

Ø 측정하중

ü블레이드루트, 로터하중(요잉모멘트, 로터토크등), 타워하중등

Ø IEC 61400-13 : Wind turbine generator systems-measurement of mechanical

loads

§ 전력 품질

Ø 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)

Ø 풍력터빈의날개에작용하는힘과출력을구하기위한가장기초적인모델

Ø 풍력터빈의날개를회전하지않는디스크로가정

ü디스크는날개가무수히많은경우

ü에너지손실없이단순히바람으로부터에너지만뽑아내는장치로간주

ü1차원모델로터빈의축방향과일치한바람의진행방향에서속도와압력의변화를고려

ü날개회전에의해발생하는원주방향의속도및날개에작용하는토크는고려치않음

Ø 질량보존법칙, 운동량이론, 베르누이방정식에기초

Ø 바람의가정

ü정상상태 –물체의상태가시간에의해변화하지않는상태, 유체의흐름이일정

ü비압축성 –압력이가해져도체적의변화가없는유체

ü비점성 –유체의유동시마찰저항이존재하지않는유체

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Ø 압력가정

ü디스크면에작용하는압력은균일ü터빈에서상당한거리의전방과후방에서바람의정압은주변압력(대기압)과같음

§ 풍력발전기 출력 유도

Ø 베르누이방정식

ü유체에서일을하거나, 유체가외부로일을하지않으면운동에너지, 위치에너지및

정압으로이루어진총에너지는항상일정

constant=++ ghpV rr 2

2

1

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Ø 풍력발전기에접근하는바람

ü터빈으로인하여점점감속ü질량보존법칙에의해차지하는단면적이넓어짐ü터빈을통과하기전이기때문에한일은없고단지속도만감소

Ø 베르누이방정식에서위치에너지일정

Ø 총에너지의일정을만족하기위해서정압증가

Ø 속도가감소되는부분부터정압은대기압보다크게됨


2

1

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Ø 디스크로가정한터빈날개를통과하면서바람속도의변화는없다

Ø 터빈이얻은출력으로인하여정압은감소

Ø 후방에서정압은대기압보다 낮다

ü터빈후방에서바람의흐름을후류라함

Ø 후류에서바람의속도는계속감소하며바람의정압이대기압과같게될때까지바람의속도는감소

ü터빈으로부터뺏긴후의에너지를유지하기위해

속도는감소됨

ü공기의질량유량(mass flow)은일정하지만공기의속도가감소하기대문에면적이넓어짐


2

1

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Ø 결과적으로바람의정압은대기압으로회복,단지바람의속도만감소하여

(V1 -> V2) 운동에너지의 감소발생ü 즉, 풍력터빈은바람의운동에너지감소를이용하여회전함

Ø 질량보존법칙으로부터 공기의질량유량(mass flow)

Ø 디스크전방에서디스크까지 사이에서속도변화를 나타내기위해 a 도입üa는축방향속도변화인자(axial induction factor)

)/(2211 skgVAVAVAm dd rrr ===&

1

1

1 V

VV

V

Va d-

=D

º

)1(11 aVVVVd -=D-=

(1)

(2)

(3)

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Ø 디스크를통과하는바람에의해가해지는힘(추력) ->바람의 운동량변화ü힘=질량흐름 X 속도

ü힘은전방과후방의바람속도의함수üV1은쉽게구할수있지만 V2는출력에따라변하는값으로구하기힘듬

Ø 식 (4)와같은힘을나타내는또다른표현ü디스크에작용하는힘은디스크앞면과뒷면에작용하는압력차이로부터

ü베르누이방정식을디스크전면에적용하면

ü후면에적용

ddd AVVVaVVVAVVmF )()1()()( 2112121 --=-=-= rr& (4)

ddd AppF )( -+ -= (5)

++=+ dd pVpV 21

21

2

1

2

1 rr

-+=+ dd pVpV 22

22

2

1

2

1 rr

(6)

(7)

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Ø 식 (6)에서 (7)을빼면다음과같은압력차이에대한식을얻을수있다.

Ø 식 (8)을식 (5)에대입하고식 (4)와같게놓으면속도에대한관계식을얻을수

있다.

Ø 따라서식 (10)을 식 (4)에대입하면디스크에작용하는힘은터빈전방의바람

속도의함수로나타낼수있다.

(9)

)(2

1 22

21 VVpp dd -=- -+ r (8)

)()1()(2

1211

22

21 VVVaVV --=- rr

1

2112

2)21(

V

VVaVaV

-=-= or (10)

)1(2)()( 212121 aaVAVVVAVVmF ddd -=-=-= r& (11)

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Ø Power=force x velocity이므로바람으로부터얻을수있는출력은식 11의힘에

풍속을곱하여다음과같다.

Ø 전방의바람속도(V1)가지는운동에너지가풍력터빈의 날개를회전시키는데 전부

소진된다면터빈의후방에서바람의속도V2는 0이된다.

Ø 이때변환된바람의운동에너지는다음과같고, 이는바람으로부터얻을수있는

최대출력이다.

Ø 이최대출력과실제풍력발전기의 출력의비를출력계수라 하며다음과같다.

231 )1(2 aaVAFVP ddw -== r (12)

211

21 )(

2

1

2

1VVAmV dr= (13)

2

211

231 )1(4

)(2

1

)1(2aa

VVA

aaVAC

d

dp -=

-=

r

r(14)

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Ø 출력계수로다시정리하면식 (15)와같다.ü출력은바람속도의 3승에비례ü출력은공기밀도에비례ü출력은날개반경의제곱에비례 (반경이 10%증가하면출력은 21%증가)ü출력은속도의함수인 Cp에비례

Ø 식 (15)에서동일반경및동일풍속에대해서최대출력은출력계수가최대일때

최대가된다.

Ø 식 (14)로부터최대출력계수를구하기위해양변을 a에대해미분하면ü출력계수는 a=1/3에서최대값을가지며이때의 CP는 16/27로약 0.593이다.ü즉, 불어오는바람이가지는운동에너지의 59.3%를출력으로얻을수있으며, 이값을베츠의한계(Betz limits)라한다.

(15))(2

1)(

2

1 31

231 VRCVACP pdpw rpr ==

)31)(1(0 aada

dCp --== (16)

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Ø 주어진풍속에서풍력발전기의 로터효율(ηr), 기계적효율(ηt), 발전기효율(ηg)을

고려한전기에너지는 다음과같다.

gtrPe ACVP hhhr 3

2

1= (17)

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풍력발전기 출력 제어

§ 날개 피치각 제어 개요

Ø 대부분상용풍력터빈

ü양력을이용하여터빈을구동ü날개의피치각을조절하여양력을감소또는증가시켜풍력터빈의출력제어

§ 받음각(α, angle of attack)dl 크면날개윗면을따라서흐르는

공기는완전히날개표면을따라서흐르지못함

§ 공기가날개표면에서분리되면그분리점이후날개

윗면에서와류가발생하여압력이증가하고전체양력감소

§ 이러한현상을 stall현상이라하고받음각이계속증가하면

양력을발생하지못하게되어날개는회전력을잃고정지

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Ø 받음각이최적이면최대의양력발생

ü가능한스톨이발생하지않도록하기위해피치각을조절

Ø 풍속이정격출력에 필요한풍속보다빠르면피치각을크게하여날개에스톨을

발생을발생시켜양력을감소

Ø 날개와바람의방향이이루는받음각이작아서날개에서양력이전혀발생하지

않는경우 -> feather상태

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§ 풍력터빈 날개 특성

Ø 풍력터빈의날개는로터연결부에서날개의끝으로갈수록비틀려있음

Ø 로터가같은각속도로회전시날개끝으로갈수록반경이증가하기때문에

회전속도증가

ü바람속도와날개의회전속도의합성인상대속도가변화함

Ø 날개트위스트

ü로터의축가까이에서받음각이크며멀수록작아짐

ü받음각이크면스톨이발생할수있음

ü스톨발생을방지하기위해날개피치각을

반경에따라다르게제작

ü날개끝으로갈수록피치각이작아짐

221 )( RVVr w+= (18)

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Ø 날개폭

ü날개끝으로갈수록반경이증가하면서회전속도(Rω) 증가로바람의상대속도증가ü양력은날개의면적과회전속도의함수

ü 균일한양력발생을위해날개반경증가에따라폭을축소

Ø 결과적으로날개끝으로갈수록피치각은작아지고폭은좁아진다.

2/2VACL Lr= (19)

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§ 날개 수

Ø 1-bladeü바람의흐름에대한방해가가장적고출력이높음ü제작비용감소ü한개의날개로두개의날개와같은출력을얻기위해서는구조가강해야하며고속회전을해야함 –소음이큼

ü한쪽에치우친무게의평형을위해다른한쪽에여분의무게를부착해야함

Ø 2-bladeü세개의날개를사용하는터빈에비해제작비용저렴ü날개설치용이ü바람의방향이변하면동적불안정발생

Ø 3-bladeü2-blade의동적불안정해소ü날개제작비용이높지만안정적으로작동ü대부분의중대형풍력터빈들이 3-blade채택

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§ 출력계수와 날개 선단 속도 비(tip speed ratio) 관계

Ø 유입풍속과날개선단속도비의함수

Ø 선단속도는블레이드의길이가증가함에따라증가

Ø 일정속도를초과하면소음발생이유로 중요하게취급

ü2MW급풍력발전기의경우 75m/s 내외

Ø 출력계수는 TSR에따라달라지며최대의출력이나타나는최적의 TSR이존재

= = = 30 (20)

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Ø 프로펠러형중양력형은선단속도가풍속보다 5~10배빠름

Ø TSR이같더라도대형풍력발전기는 회전수가낮고소형은높음

Ø 양력형프로펠러나 다리우스는토크는작지만출력이커발전용으로적합

Ø 사보니우스나다익형은출력계수는 작지만토크계수가펌프구동등에적합

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예제 1

Ø 블레이드 개수가 3개이며, 반경이 41m이고, 회전속도가 15rpm이다. 다음의

그림을 이용하여 최대 출력계수를 가지는 풍속을 구하라.

그림에서날개가 3개인경우최대출력은 λ=7에서발생. 다음식으로부터 = = = 30 = =××× =9.2m/s

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§ 솔리디티(solidity)

Ø 풍력발전기성능을특징짓는중요한특성계수

Ø 풍력터빈의로터회전면적에 대한로터블레이드의 전투영면적의 비

Ø 솔리디티는 TSR과상관성이큼ü솔리디티가작은풍력발전기는주속비가크게되어고속회전형이됨ü솔리디티가큰풍력발전기는주속비가작고다익형풍력발전기처럼낮은회전으로토크가커짐

ü수평축 : 다익형이솔리디티가큼ü수직축 : 사보니우스형이다리우스형보다솔리디티가큼

Ø 솔리디티가작은 2, 3-blade는고회전을이용하지만, 기동토크가작아발전을

시작하는컷인풍속이높아짐

2R

BS

ps = 수직축수평축

R

BC

ps

2=

B : 블레이드수, S : 수평축블레이드투영면적, R : 반경, C : 수직축풍력발전기블레이드코드길이

(21)

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풍력발전기 출력 곡선

§ 피치각, TSR과 출력계수의 관계

Ø 풍력발전기의출력은 TSR과피치각의함수로다음과같이나타낼수있음

Ø 날개의형상을설계하면날개의피치각변화에따른출력계수에대한식이유도됨

AV

PC w

P3

2

1),(

rql =

1

035.0

08.0

11

0068.054.0116

518.0

2

1),(

3

21

3

+-

+=

+÷÷ø

öççè

æ--==

-

qqll

lqlr

ql l

i

i

wP

ie

AV

PC

(22)

(23)

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Ø 특정풍력발전기의 피치각, TSR과출력계수관계

ü날개의피치각이 0o일때날개끝속도비가약 8에서최대출력계수약 0.48

– 이때풍력발전기로부터최대의기계에너지를얻을수있음

ü같은피치각에대해 TSR이증가하면출력계수가최고치에도달후감소

Ø 풍력발전기의날개가가지는피치각에대하여최대의출력계수를 가지는 TSR이

존재

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Ø 식 (20) ~ (23)을 이용한풍속, 회전각속도, 출력의관계 1ü반경 40m, 피치각 0도ü각각의블레이드회전수에서풍속이증가하면출력이증가하다감소

– 최대출력후에는풍속이증가하면서바람의상대속도와받음각이증가– 스톨발생으로출력계수가감소

ü최대출력이발생하는풍속은회전수에따라다름– 즉, 각풍속마다최적 TSR이존재

ü특정회전수에서풍속이증가하면발전기에과부하가발생할수있음– Ex) 18 rpm에서정격출력 2MW 발전기가정

풍속 9m/s에서출력 1.0MW풍속 18m/s에서출력 2.9MW -> 과부하, 고장rpm을 16으로낮추면 25m/s까지안전낮은풍속에서효율이낮음

ü풍속에따라날개의회전수를적절히제어해야함

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Ø 식 (20) ~ (23)을 이용한풍속, 회전속도, 출력의관계 2ü반경 40m, 피치각 0도ü특정풍속에서풍력발전기의회전수가증가하면출력은증가하다감소ü풍속이높아짐에따라최적 rpm이커짐ü정격출력이하에서는각풍속에서최대출력이발생하는회전수부근에서풍력터빈작동

ü정격출력에도달하면피치각을조절하여풍속이증가하여도정격출력만발전하도록제어

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Ø 영역 Iü풍속이풍력발전기의시동풍속보다작아발전하지못함

Ø 영역 IIü풍속이시동풍속보다커발전시작ü풍력발전기가생산하는출력이정격출력보다작음ü가능한최대의출력이생산되도록제어

– 바람의운동에너지가최대한출력으로전환되도록최적 TSR에서작동하도록제어

Ø 영역 IIIü정격출력보다더많은출력가능ü설계에적용한정격출력만생산하도록제어ü토크는일정하게유지하면서피치각을제어하여스톨유발

Ø영역 III 이후ü풍속이너무커서풍력터빈이구조적으로출력을생산할수없는상태

ü강풍에손상을피하기위해피치각을조절하여페더(feather)상태유지

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예제 2

§ 풍력터빈의 날개 피치각(ϴ)이 0도이며 반경이 40m이고, 회전속도가

16rpm이다. 풍속이 9m/s인 경우 출력을 구하라

MWAVCP

e

eC

V

nR

pw

i

P

i

i

05.1940225.147.05.0),(5.0

47.0

44.70068.0)51.0116(518.0

0068.054.0116

518.0),(

1.00035.01

0035.0

08.0

11

44.7930

4016

30

323

1.021

21

3

=´´´´´==

=´+-´=

+÷÷ø

öççè

æ--=

=-+

-+

=

=´´´

==

´-

-

prql

lql

ql

qqll

ppl

l

§ 피치각이 0도인경우출력계수는 0.47이며출력은 1.05MW이다

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출력성능 평가 방법

§ 현장 실험

Ø 현장에직접풍력발전기를설치하여출력및풍속측정

Ø 소형및대형풍력발전기에 적용가능

Ø 장기간의측정기간및높은설치비용

Ø 높은난류강도로인해동일풍속에서일정하지않은성능

§ 풍동 실험

Ø 소형풍력발전기에 적합

Ø 단기간의측정시간

Ø 풍속조절가능

Ø 풍동시설의한계로인한문제점발생ü폐쇄효과ü축소모형실험시상사의문제 (레이놀즈수, TSR 등)

Ø 난류모사의어려움

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풍동실험

§ 다양한 분야에 활용

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풍동실험

§ 다양한 분야에 활용

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풍력발전기 풍동실험

§ 풍력발전기 풍동실험

Ø 출력성능

Ø 로터블레이드소음

Ø 풍력발전단지설계

Ø 블레이드공력성능

Ø 풍력발전기후류예측등

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§ 풍력발전기 축소에 따른 상사법칙

Ø Geometric

Ø Reynolds number

Ø TSR(Tip speed ratio)

풍력발전기 축소모형

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풍력발전기 축소모델 상사율

§ 기하학적 상사

Ø 출력은블레이드형상에매우민감

Ø 모형스케일에맞는동일한형상을정교하게제작

§ 레이놀즈 수

Ø 관성력과점성에의한마찰력과의비율로정의되는무차원수

Ø 레이놀즈수가작다는것은점성작용이강한흐름을의미

Ø 레이놀즈수가크다는것은상대적으로관성작용이강한흐름을의미

nw

nl RCCURe chord Average == ¥

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Ø 풍력발전기레이놀즈수범위

üSmall scale : 3x103 ~ 3x104

üMedium scale : 6x104 ~ 4x105

üFull scale : 6x105 ~ 1x106

üCommercial : 1x106 ~ 5x106

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Ø 영각(angle of attack)과양력계수ü레이놀즈수가변하여도약 10도에서최대양력계수

Ø 레이놀즈수에따른양력과항력

ü레이놀즈수가변하여도양력계수는큰변화가없음ü레이놀즈수가작을수록항력계수가커짐

Ø 레이놀즈수는출력에영향을미치므로상사율을맞춰야함

ü후류실험의경우레이놀즈수를무시하여도후류모사가능

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Ø 레이놀즈수는모형이줄어든비율만큼풍속이높이거나동점성계수가 작은

유체를사용하여실험

Ø 풍속을높이는방법

ü모형이 100배축소되면풍속이 100배커져야함ü풍동의한계로실현불가능

Ø 동점성계수가다른유체사용

ü수조를이용하여유속과동점성계수를작게하여상사

Ø 레이놀즈수상사는현실적으로어려움이따름

ü출력성능평가시축소모형실험은불가능ü풍동실험을통한출력성능실험은대부분소형풍력발전기에대한평가

nw

nl RCCURe chord Average == ¥

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§ TSR 상사

Ø TSR 또한풍력발전기출력에큰영향을미침

Ø 풍력발전기축소비율만큼 회전각속도가증가되어야함

Ø TSR 제어방법

ü저항을이용하여전기적으로제어하는방법

ü발전기가아닌모터로강제회전시키는방법

– 대부분풍동실험에서 TSR 제어가쉽기때문에이용되는방법

= = = 30

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풍동실험시 고려사항 : 기준풍속

§ 출력성능 평가 시 기준풍속

Ø 기준풍속을정확히하지않으면신뢰성있는데이터를얻을수없음

Ø 풍력발전기너무가까이에서 풍속측정

ü풍력발전기에의해공기흐름이정체되어풍속이낮게측정됨

ü풍력발전기출력성능과대평가

Ø 너무멀리떨어진곳에서풍속측정

ü풍동수축부를막빠져나온안정화되지않은풍속측정

ü기준풍속과출력의상관관계가낮아짐

Ø 풍동시험부가비어있는상태에서풍속측정

ü풍력발전기가설치되면풍동의크기에따라막힘정도가달라짐

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§ IEC 61400에 따른 풍속 측정 위치

Ø 수평축

ü회전자직경의 2~4배에서측정ü직경의 2.5배권장

Ø 수직축

ü등가회전자직경üA는회전자의회전면적

ü기준풍속측정위치와풍력발전기사이의거리

– Ex) 등가직경이 5m인수직축풍력발전기의기준풍속측정위치는풍력발전기타워중심을기준으로사이의거리를 10m로해야한다.

p/2 AD =

DL 5.0+=거리

55.05.125.25 xLx +==

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§ 실험에 따른 기준풍속 측정위치

Ø 풍력발전기로부터 거리에따라풍속측정

ü풍력발전기 RPM에따른영향ü풍속에따른영향기준풍속영향ü풍동크기에따른영향

Ø 풍력발전기샤프트로부터 약 2.5배이상거리

0.88

0.92

0.96

1.00

1.04

0 2 4 6

N

orm

aliz

ed w

ind

spee

d (U

/U∞

)

Normalized distance (x/D)

3.5%

13.4%

24.7%

0.88

0.92

0.96

1.00

1.04

0 2 4 6

N

orm

aliz

ed w

ind

spee

d (U

/U∞

)


100rpm

300rpm

500rpm

700rpm

0.88

0.92

0.96

1.00

1.04

0 2 4 6

N

orm

aliz

ed w

ind

spee

d (U

/U∞

)


4.3m/s

6.4m/s

8.6m/s

43/63

풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법

§ 전기적 측정 방법

Ø 저항을조정하여 TSR을조정

Ø 저항을바꿔가며전압과저항,블레이드 rpm 및풍속측정

Ø 옴의법칙으로부터 출력산출

Power measure

generatorRG

RL

RS

SLG RRRR ++=

R

VIVP

2

==R

VI =

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Ø 저항과전압관계

ü저항을계속증가시키면전압이증가하다일정값에수렴

Ø 저항과출력관계

ü저항을계속증가시키면최대출력이후감소하며최적의저항이존재함

Ø 따라서각각의풍속마다최적저항을찾아최대출력을평가해야함

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20

RM

S V

olta

ge (V

)

External Resistance (KΩ)

0.9m/s^2 0.7m/s^20.5m/s^2 0.3m/s^2

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

0 5 10 15 20

RM

S P

ower

(mW

)

External Resistance (KΩ)

0.9m/s^2

0.7m/s^2

0.5m/s^2

0.3m/s^2

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Ø 기계적손실과전기손실을고려한최종출력인전력을얻는다는장점이있어주로

실제의대형풍력발전기의현장실험에주로사용

Ø 소형풍력발전기실험에서발전기는대부분 DC 모터를이용하여설계되며

발전기까지설계가완료된풍력발전기에 주로적용

ü발전기의전압과회로구성에서저항을측정하면쉽게 출력산출가능

ü전기적출력측정방법은발전기에서몇가지 요인으로인하여효율저하

– 구리손실 : 도체에전류가흐르면서내부의에너지가열로발생하면서발생

– 기계손실 : 베어링이나브러쉬등의마찰에의해에너지손실

ü기계적인출력측정보다성능이낮게평가됨, 즉같은풍력터빈이라할지라도발전기

효율에따라출력이다르게평가될수있음

VIR

VP elec ==

2

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§ 기계적 출력 측정 방법

Ø 발전기대신모터와인버터를장착하여블레이드를회전속도제어

Ø 모터의 rpm, 토크및풍속을측정하여 TSR에따른출력산출

Ø 발전기의전기적인부분을분리하여기계적인효율만평가하는방법

Ø 풍동실험에사용되는일반적인방법

ü낮은 TSR부터높은 TSR까지제어가쉽다.

wWTWT TP =

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Motor

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풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과

§ 폐쇄율(blockage ratio)

Ø 풍동실험에서시험부에대한시험체의상대적인크기의비

ü시험부단면적에대한시험체의단면적

= AS : 시험체단면적

AT : 풍동시험부단면적

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§ 폐쇄효과(blockage effect or wind tunnel wall interference)

Ø 경계면이없는자유기류(freestream)를 비행하고있는항공기나경계면이하나인

지면위의자동차와달이풍동시험부에는 상하좌우면에경계면이존재하기때문에

공기의흐름특성이달라지게됨

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Ø 3가지경계면모두공기의흐름안에물체가있다는것은동일

Ø 풍동시험부의시험체와흐름경계면까지의거리는실제시험체가운용되는

조건보다보통작음 -> 폐쇄효과발생

Ø 폐쇄효과는풍동실험결과에오차를유발

Ø 풍동실험시반드시평가되어야할핵심적인사항이며폐쇄효과에 대한보정이

필요

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§ Solid blockage effect

Ø Solid blockage는무한한공간상에존재하는실제의대상을시험체로하여

풍동이라는경계면을가진제한된공간에서실험을수행하기때문에발생

Ø 시험체가설치된풍동의경계면

ü자유기류조건에비해공기가흘러야하는면적을감소시킴ü시험체에의해감소된면적에서질량흐름이일정해야하는연속방정식및베르누이방정식을만족하기위해풍속은증가하고압력은증가

Ø 시험체부근에서증가되었던 풍속은시험체를지나회복

Ø 폐쇄효과를피하기위해보통폐쇄율은 5%이내로제한


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§ Wake blockage effect

Ø 시험체가바람을맞으면유입풍속보다평균풍속이 낮은 wake를발생시킴

Ø Wake blockage는시험체로부터 발생한 wake가제한된공간에놓이기때문에발생ü solid blockage와유사한개념üWake크기와시험체형상의함수이기때문에복잡

Ø 개방형시험부에서는 무시해도되는것으로간주되지만, 폐쇄형시험부에서는

풍속을증가시키기 때문에고려해줘야할대상


Wake 영역의풍속은자유기류보다낮기때문에

wake의바깥쪽의풍속은각각의단면을흐르는

체적을일정하게하기위해자유기류에서보다

높아지게됨

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§ Total blockage effect

Ø Solid blockage와 wake blockage가중첩될수있다면 wake blockage와 solid

blockage로인해발생한풍속증가의총합을 total blockage라정의하고이는

풍동실험결과에영향을미침


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§ 사각평판 폐쇄효과

Ø 폐쇄율

ü5%, 10%, 15%, 20%, 30%ü폐쇄율을달리하여항력측정ü풍속 4 ~ 8m/s

Ø 항력계수

폐쇄효과

= 12

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§ 풍력발전기 폐쇄효과

Ø 폐쇄율을달리하여기계적인출력측정

Ø 출력및출력계수

폐쇄효과

wind

Ball Bearing

Wind Turbine

Tachometer

Wind Tunnel

AC Motor

Ball Bearing

Torque Sensor

Inverter

A/D Converter

Computer

Hot-wire

= 12 =

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§ 사각평판 및 풍력발전기 폐쇄효과

Ø 사각평판

ü폐쇄율이 5%에서 30%까지증가하면서항력계수가약 2.3배까지커짐ü항력계수는풍속에영향을받지않지만폐쇄율에의해매우민감하게변화함

Ø 풍력발전기

ü항력계수 : 폐쇄율이 3.5%에서 24.7%까지증가하면서약 1.5배까지커짐ü출력계수 : 폐쇄율이 3.5%에서 24.7%까지증가하면서약 2배까지커짐

폐쇄효과

0.5

1.5

2.5

3.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4

Dra

g Fo

rce

Coe

ffic

ient

Blockage Ratio

4m/s5m/s6m/s7m/s8m/s

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0 1 2 3

Pow

er C

oeff

icie

nt(C

P)

TSR

3.50%

13.40%

24.70%

0.5

1.0

1.5

2.0

0 5 10 15 20 25 30

Dra

g co

effic

ient

(CD)

Blokcage ratio (%)

4.0m/s

4.7m/s

5.5m/s

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§ 출력계수 측정 불확도

Ø 출력계수는 토크, 블레이드 회전 각속도, 공기밀도, 블레이드 높이, 로터의 직경 및

풍속의 함수

Ø 출력성능 실험에서 출력계수 측정 변동성은 편미분 방정식으로 표현될 수 있음

폐쇄효과

= ( , , , , , , )

∆ = ∙ ∆ + ∙ ∆ + ∙ ∆ + ∙ ∆ + ∙ ∆ + ∙ ∆ + 3 ∙ ∆

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Ø 출력계수 측정 불확도

폐쇄효과

∆ = ∆ + ∆ + − ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + 3∆

여기서, 는회전각속도(rad/s), 는바람이불지않을때모터회전에의한토크, ∆ 바람이불때의블레이드토크, 측정된출력( = ∆ ∆ ; = − ), 는공기밀도, 는블레이드길이, 는블레이드직경이고 는풍속이다.

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§ 출력계수 보정

Ø Pope & Harper blockage correctionü포텐셜유동에기초하여 source와 sink의결합으로형성된 doublet의유선으로부터유도

폐쇄효과

= 1 + = + = + = 14

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Ø Bahaj method

ü발전기디스크를둘러싸고있는스트림튜브에서발전기를통과하는액츄에이터

디스크모델을기반으로함

ü수평축풍력발전기출력보정에적합

폐쇄효과

=

= UT : 풍동에풍력발전기가설치되어있을때의풍속

UF : 풍동에풍력발전기가설치되어있지않을때의풍속

CPF : 보정후출력

CPT : 보정전출력

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Ø Maskell method

üControl surface에서운동량보존법칙을이용하여터널안의자유기류에수직하게놓인

평판의압력을측정하여항력계수들의관계도출

ü사각평판에적합

폐쇄효과

= = 11 − ⁄CD : 폐쇄효과의영향을받은항력계수

CDf : 보정된항력계수

m : 실험으로부터구한보정계수

S : 시험체단면적

A : 풍동단면적

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Ø Alexander methodü사보니우스 풍력발전기의 폐쇄효과를 보정하기 위해 Maskell방법을 확장한 방법

폐쇄효과

= = = = 11 − ⁄Vc : 보정된풍속

S : 풍력발전기단면적

A : 풍동단면적

0.5

1.5

2.5

3.5

0 0.1 0.2 0.3

Dra

g co

effic

ietn

(CD)

Blockage ratio

Flat plate

Savonius

Darrieus

m = 8 x2 - 6.81 x + 2.80

1.0

2.0

3.0

4.0

0 0.1 0.2 0.3

m

Blockage ratio

Flat plate

Alexander

Darrieus

CD∞ : 자유기류에서의항력계수

CDu : 보정되지않은항력계수

폐쇄효과영향을받은항력계수

Vu : 자유기류에서의풍속

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풍력발전시스템 풍력터빈출력성능시험 WindTurbine Generator …ck-energy.jbnu.ac.kr/data/cmu02/1908811586_456ebd4... · 3/63 풍력발전기성능평가항목 §하중