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 CFD modeling for wind turbines
    H.Grassmann, M.L.Ganis, Dipartimento di Fisica, Univ.di Udine, Italy
                                                 
                                                                                                                 Fig 1: CFD model of shrouded turbine  

공학적 응용분야에서의 STAR-CD와 같은 소프트웨어 시스템의 중요성은 익히 알려져 있습니다. 그리고 우리가 이번 글에서 다룰 내용 또한 기본적인 유동 물리학자들이 이해하기 위한 중요한 도구에 대한 내용입니다.

우리의 목표는 비용을 줄이고 Wind Turbine에서의 출력을 증가시키는 것입니다. 우리 연구의 주목적은 Turbine의 효율을 중가시키기 위해 좀 더 효율적으로 에너지를 변환하는 Static Wing 혹은 Sail Structure의 효과를 이용하는 것입니다. External Shrouded System을 사용하기 위해 지난 10년간 많은 시도들이 이루어져 왔지만, 단지 대기에서가 아닌 풍동 실험에서만 성공하였습니다. 이것이 우리가 STAR-CD를 사용하는 분명한 이유입니다.

Grumman Corporation의 특허에 기초하여, 개인 회사가 상당한 비용을 들여서 Prototype을 만들었습니다. Shroud를 가진 경우와 가지지 않은 경우에서의 Wind Turbine에 대한 STAR-CD의 연구는 Turbine에서 유동에 의해 발생된 힘과 에너지 및 운동량의 전달 간의 상호관계를 보여주었습니다. 주어진 특정 힘에서, 에너지 전달은 유동속도가 아니라 운동량 전달에 의존하였습니다. 결론적으로, Shrouded Wind Turbine의 힘은 Shroud를 가지지 않은 동일 Turbine에서의 이론적 제한(Betz Limit) 이상 증가하는 것이 가능하지 않습니다. 이러한 결과로, 수백만 달러가 Prototype 제작 단계 전에 절약되어 프로젝트의 수익성에 대한 명백한 이익 및 전체적인 성공을 이루었습니다.

그러나 성공은 거기서 멈추지 않았습니다. STAR-CD는 해답을 찾는 것을 도와줄 수 있었습니다. Past Shrouded System은 Tip-Voltex Drag를 최소화시킬 프로펠러를 만들어내었습니다. 프로펠러의 Tip과 Shroud 사이에 많은 공간이 있다면, 그것은 더 넓은 반지름의 프로펠러로 나은 효과를 가집니다. 그림 1은 돛과 같은 커브를 가진 Shroud에 의해 둘러쌓인 Wind Turbine 모델 중의 하나를 나타냅니다. Shroud의 표면적은 회전하는 프로펠러에 의해 덮인 면적보다 약 3배 가량 큽니다. 그림 2는 유동 방향에서 모델을 지나는 단면적에서의 속도를 보여줍니다. 일반적인 시스템과는 다르게, 공기는 Turbine에 도착한 뒤 가속합니다. 그리고 Static Shroud는 시스템의 에너지 추출부에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 그 이름이 “Partially Static Turbine”입니다.

              
          Fig 2: Axial wind velocity component. The direction of the vector indicates the direction of the ambient wind  (left)
          Figure 3: Mean total pressure in the rotor flow tube for bare and for shrouded turbine. The rotor flow tube is the flow
          tube flowing through the area covered by the rotor. The total pressure is shown as a function of x, which is the axis
          parallel to the ambient wind, the position and the size of the shroud are indicated by the yellow shaded area (middle)
         Figure 4: Power of bare turbine and shrouded turbine

그림 3은 노출된 Wind Turbine과 Shrouded Turbine에서 프로펠러를 지나는 Flow Tube에서의 Mean Total Pressure를 비교합니다. Shrouded Turbine에서의 거대한 압력 강하는 작은 바람의 속도를 가진 Unshrouded System에서도 발생됩니다. Shrouded System에서의 이러한 거대한 압력 강하는 Mean Axial Velocity가 7.2m/s일 때 공기가 프로펠러를 지나가는 동안 발생합니다(대기가 5m/s의 속도만을 가지는 동안) – 공기의 부가적인 유동이 상호작용하지 않는 Unshrouded System 혹은 Shrouded System에서는 이러한 상황이 에너지와 운동량 보존에 심각한 방해가 됩니다.

그림 4는 Shrouded Wind Turbine의 동력을 Unshrouded Design과 비교한 것을 나타냅니다. 동력의 최고치에서의 증가는 4의 Factor값을 가집니다. 동일한 원칙이 물에도 적용됩니다. 주어진 유량에서 Kaplan Turbine의 크기를 상당히 줄일 수 있습니다. 혹은 주어진 Turbine의 크기에서는 낮은 유량에서 동일한 동력을 낼 수 있습니다. 이로 인해 수력발전의 가격을 낮추는 것 뿐만 아니라 부분적으로 Static Turbine이 큰 댐이 적합하지 않은 장소에서 전력 생산시 수력발전을 대체할 수 있는 새로운 응용 분야에도 적용됨을 알 수 있습니다.

STAR-CD는 우리에게 Partially Static System에 대한 많은 것을 알려주었습니다. Shrouded Design의 최적화 및 Prototype의 제작에 대해 배워야 할 것이 아직 많습니다. 우리는 다음 단계로 이 연구를 진전시키기 위해 산업계의 합작과 다른 연구단체와의 파트너를 찾고 있습니다.

REFERENCES:

Bet F. and Grassmann H., ‘Upgrading conventional wind turbines’, Renewable Energy, January 2003, Elsevier Press, www.elsevier.com/locate/renene

Grassmann H., Bet F., Cabras G. Ceschia M>, Cobai D> and DelPapa C. ‘A partially static turbine – first experimental results’, Renewable Energy, to be published, ElsevierPress, www.elsevier.com/locate/renene

Ganis M., “CFD analysis of the characteristics of a shrouded turbine” www.diplom.de

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