풍력 터빈 블레이드를 설계할 때 공기역학적 고려사항
풍력발전을 하는 블레이드를 보면 엄청나게 거대한 크기를 자랑합니다. 풍력 터빈 블레이드를 설계할 때 공기역학적인 고려사항에는 어떤 것들이 있는지 설명해주세요.
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
풍력 발전기는
바람에너지 를 회전운동에너지(기계에너지)로 변환하고
그것을 전기에너지로 전환하는 장치로
블레이드가 바람에너지를 회전운동에너지로 바꾸는 역할을 맡고
주축과 증속기를 통하여 회전운동에너지가 증폭되며
발전기를 통해 회전운동에너지가 전기에너지로 전환되는 과정을 거치게 됩니다.
풍력 발전량은
회전하는 부분 , 즉 로터의 회전 면적에 비례하고
풍속의 세제곱에 비례하는데
이는 즉, 풍력발전기 날개 측이 2배 커지게되면
풍력 발전량도 2배가 커지고
바람의 속도가 2배 증가하면
풍력 발전량은 8배가 된다는 결과를 볼 수 있습니다.
즉, 풍력 발전기를 설치하여 효율적인 운영을 하려면
로터가 클 수록, 바람속도가 빠른 장소일 수록 유리하다 하겠습니다.
하지만 날개를 키우고, 바람 속도가 빠르다고해서 무작정 발전량을 늘리는게 가능하진 않는데
바람을 에너지로 변환 시 효율의 한계는 약 59.36%로 나온다는
베츠의 법칙을 염두해야합니다.
아무리 좋은 기술을 접목한다 해도 100의 바람을 이용해서 생산가능한 풍력에너지는 59정도로 볼 수있다는 점입니다.
물론 석유에너지 변환율이 약 40%라는 점을 보면 낮은 수치는 아닙니다.
중점적으로 한 부분을 본다할 때
풍력 터빈 블레이드 설계 시 공기역학 적 고려사항을 따져본다면
블레이드 곡률과 길이
곡률은 바람에너지를 최대한 이용하기 위해 최적화되고
길이는 많은 바람을 포착하면서도 구조적 안전성/설치공간이 고려되야 합니다.
운동량 이론 계산
블레이드 공력 해석을 위한 운동량이론, 3차원 날개 이론, 날개요소 이론등을 사용하여
날개회전 면에 작용하는 힘을 계산해야 합니다.
형상의 최적화
블레이드 움직임에 따른 양력/항력을 고려해야하며
블레이드 효율에 직접적 영향을 미치는 비틀림 각도 또한 최적화 되어야 합니다.
손실 고려
형상에 따라 발생하는 항력에 의한 형상손실 고려(길이와 곡률에 영향)
날개 끝단에서 발생하는 압력분포차이에 따른 양력 감소도 고려해야합니다.
구조해석
블레이드의 안정성 검증을 위한
하중/변위 , 응력 고려하여 유한요소접 사용한 구조해석을 시행하야 합니다.
이런 여러가지 공기역학 적 고려사항을 통해
터빈 블레이들 설계 및 최적화를 해야만
풍력을 통한 최대 에너지 변환율 59정도에 다다를 수 있겠습니다.
안녕하세요. 서종현 전문가입니다.
풍력 터빈 블레이드를 설계할때 고려해야 할 공기 역학적 요소는 다음과 같습니다. 첫째, 블레이드의 형상과 프로필은 공기 흐름을 최적화하여 양력을 극대화하고 항력을 최소화해야 합니다. 둘째, 블레이드는 길이와 경사는 풍속 변화에 따른 성능을 고려해야 하며, 적절한 각도에서 회전하도록 설계해야 합니다. 셋째, 블레이드 끝단의 형태는와류를 줄이고 소음을 최소화 하는데 중요합니다. 마지막으로 블레이드의 재질과 구조적 강도도 공기 역학적 성능에 영향을 미칩니다.
안녕하세요. 조일현 전문가입니다.
블레이드 효율은 공기역학적 형상, 특히 에어포일의 설계에 크게 의존합니다.
에어포일은 바람의 운동에너지를 최대한 효율적으로 흡수할 수 있도록 설계되어야 합니다.
블레이드 길이는 풍력 터빈의 출력과 직접적으로 연관되며, 길이가 길수록 더 많은 바람 에너지를 포착할 수 있습니다.
그러나 길이가 증가하면 구조적 안정성과 공기역학적 손실을 고려해야 합니다.
이는 블레이드 끝단의 압력차이에 의해 발생하는 기류 손실을 줄이도록 설계되어야 하며,
이를 위해 가늘고 효율적인 형상이 요구 됩니다. 또한 블레이드 끝단 손실, 회전 후류 손실 등 다양한 공기역학적 손실을 최소화하기 위한 설계가 필수적입니다. 이를 위해 날개요소운동량 이론과 같은 방법론이 활용됩니다.
특히, 블레이드 외측 75% 근방이 가장 효율적인 에너지 변환을 이루는 영역임을 고려해 설계해야 합니다.
풍력 터빈 블레이드는 이러한 공기역학적 요소를 종합적으로 고려하여 설계되어야 하며,
이는 풍력 발전 시스템의 효율성과 안정성을 좌우하는 핵심 요소입니다.
안녕하세요. 이주형 전문가입니다.
풍력 터빈 블레이드는 양력과 항력의 비율을 최적화하여 최대한의 에너지를 추출하도록 설계됩니다.
비틀림 각과 가변 피치 설계를 적용해 다양한 풍속에서도 효율적인 전력 생산이 가능합니다.
경계층 분리를 최소화하고 난류 영향을 줄이기 위해 후류 제어 장치나 표면 패턴을 활용합니다.,