Numerical Analysis on the Performance and Wake of Tidal Current Turbine Using ALM and LES

1MW급 조류발전터빈의 유체 성능과 후류 분석을 위하여 LES(Large Eddy Simulation) 기반의 수치실험을 수행하였다. 터빈을 구성하는 로터 블레이드, 나셀, 지지구조물 등은 각 부분에서 작용하는 힘으로 모사하여 유동장에 반영하였다. 블레이드의 피치각과 로터 회전속도는 각각 PI 컨트롤러와 RPM-토크 룩업테이블(look-up table)을 이용하여 제어하였다. 격자시험을 위한 격자개선비율(refinement ratio) 은 각 방향으로 루트2 로 고려하여 성긴 격자, 중간 격자, 조밀한 격자의 세 가지 격자 시스템을 고려하였고, 조밀한 격자의 경우 총 약 8천만개의 격자를 사용하였다. 수치실험은 KISTI의 슈퍼컴퓨터인 Nurion에서 수행하였고, 최대 1360개의 CPU를 사용하였다. 시뮬레이션 시간은 530초로 조밀한 격자의 경우 계산 시간은 약 18일 소요되었다. 수치실험에서 사용된 터빈 성능 관련 변수로 피치각, 회전속도, 추력, 토크, 출력을 고려하였고, 블레이드 국부 변수로 받음각, 항력계수, 양력계수, 입사유속 등을 고려하였다. 한편 후류와 관련해서는 터빈 후방으로 직경의 3, 5, 7, 9배의 거리에서 유속방향과 측면방향 속도성분들의 연직방향 분포를 고려하였다. 수치실험 결과, 성긴 격자를 사용하여도 추력이 유사할 경우 터빈 후방 7배 거리까지 유속방향 속도 성분의 연직분포가 유사하고 측면방향 속도성분의 연직방향 분포는 토크에 더 민감한 것으로 확인되었다. For the analysis of the performance and wake of the 1MW tidal current turbine, numerical simulations based on LES(Large Eddy Simulation) are performed. The forces exerted from the turbine components, such as blade, nacelle and tower, are considered and projected to the flow field. The pitch angle and rota-tion speed are controlled by PI controller and RPM-Torque look-up table, respectively. The refinement ra-tio for the grid study is root 2 , and the fine grid used 80M grid points as of total. Simulations are performed using 1360 CPUs at maximum in KISTI HPC Nurion. The simulation time is 530 seconds which takes about 18 days when the fine grid is used. The performance variables are pitch angle, rotation speed, thrust, torque and power while the blade local variables are angle of attack, lift/drag coefficients and inflow. Variables for the wake analysis are vertical distributions of axial and lateral flow speed at the 3, 5, 7, 9 multiples of diameter away from the turbine. The result presents that the coarse grid can predict similar axial velocity distribution even at 7 times diameter away from the turbine, if the thrust is predicted simi-larly. Also, the lateral velocity seems more sensitive to the predicted torque.22Nkc

A Study on Pitch Control Faults of Turbine Blades in Tidal Current Energy Converter System

Tidal current energy is a renewable energy that has the advantage of being predictable by generating power using tidal movements. Because a tidal current energy converter system is installed underwater, maintenance costs are high, and a systematic review of various factors must be performed in advance. In this study, an integrated load analysis was performed to review the blade pitch control problem of tidal current energy converter system. Due to blade pitch control problems, the impact on system performance was analyzed in situations where blade angle adjustment was not possible. It was confirmed that when the blade pitch angle is fixed, the fluctuation range of system power increases above the rated flow speed. and it is found that power generation is difficult even at high speeds when one blade is fixed at the feathering angle. This study is expected to enhance the current understanding and provide a valuable reference for developing a horizontal axis turbine in a tidal current energy converter system.22Nkc

국내 조류발전 출력성능평가 표준(안) 개발 연구

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100kW급 듀얼 수직축 조류발전터빈에 대한 연구

조류에너지는 달과 태양의 기조력의 영향으로 발생되는 조석 현상에 따라 해수가 이동하면서 가지는 운동에너지를 말하며, 조류발전은 이러한 조류의 운동에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고 터빈과 연결된 발전기를 통해 전기를 발생시키는 발전 방식이다. 조류발전은 작동유체의 흐름을 이용해 터빈을 구동시켜 발전기를 통해 전기를 생산하는 방식이 풍력발전과 유사하지만, 정확한 발전량 예측이 어려운 풍력발전과 달리 주기성을 갖는 조석 현상에 의해 발생하는 해수의 흐름을 동력원으로 사용하기 때문에 규칙적으로 발전이 가능하고 장시간에 걸쳐 정확한 발전량 예측이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 공기보다 높은 밀도를 갖는 해수를 이용하기 때문에 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. 우리나라는 지리적인 입지 조건으로 서·남해안에 약 12GW 규모의 조류에너지가 잠재하고 있다고 예측하고 있으며, 장죽수도, 맹골수도 및 거차수도 등과 같은 세계적으로 우수한 조류발전 후보지에서는 약 8.3GW 규모의 조류에너지가 부존하고 있는 것으로 평가되고 있다. 우리나라의 많은 도서지역에는 아직 육상 전력 선로가 연결되어 있지 않아 안정적인 전력 공급이 어려운 실정으로, 조류에너지 개발을 통해 이러한 도서 지역에 친환경 전기를 안정적으로 보급할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 도서지역에 적용할 수 있는 100kW급 조류발전시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다. 기본설계 단계에서는 수직축 조류발전터빈에 대한 성능 및 유동특성을 분석하기 위하여 비정상 레이놀즈 평균 나비어-스톡스 해석에 기반한 유동해석을 수행하였다. 유동해석에 기반한 기본설계 결과를 바탕으로 최적설계를 수행하고 실제 제작하여 성능시험을 수행하였다. 실해역 성능시험은 진도 울돌목에 위치한 시험조류발전소에 설치해 수행하였다. 실해역 성능평가를 바탕으로 순간 최대 출력 값이 약 120kW를 보이는 것을 확인하였으며, 향후 도서지역에 적용하기 위한 다양한 성능시험을 수행하고 있다.2

IEC TS 62600-200에 기반한 1MW급 조류발전시스템 출력성능 평가

본 연구에서는 울돌목 해역의 해양환경조건을 고려하여 1MW급 조류발전시스템을 설계하고 이에 대한 수치시뮬레이션 및 실해역 시험을 통하여 출력성능을 평가하였다. 울돌목 조류발전 실해역 시험장의 해양환경 특성을 고려하여 1MW급 조류발전시스템에 대한 기초설계를 수 행하고 조류발전시스템의 출력 및 효율 특성을 확인하기 위해 Tidal Bladed를 사용한 통합하중해석을 수행하고, 조류발전시스템의 유동 특성을 정밀하게 분석하기 위하여 삼차원 레이놀즈 평균 나비어-스톡스 기반 CFD 해석을 수행하였다. 또한 1MW급 조류발전시스템을 제작하여 조류발전 실해역 시험장에 설치한 후 출력성능 시험을 수행하였으며, 조류발전시스템의 출력성능을 IEC TS 62600-200 기준에 기반하여 평가하였다. 수치해석과 실해역 시험에 의하여 1MW급 조류발전시스템의 시스템 효율은 각각 33%와 29.2%로 평가되었다.2

Numerical Analysis on Turbine Wake for Tidal Farm Desig

본 연구에서는 여러 조류발전시스템을 하나의 조류발전단지에 배치하는 경우, 전방에 위치한 조류터빈으로부터 발생하는 후류의 영향을 LES+BEM모델을 사용하여 분석하였다. 단일 조류터빈을 배치한 경우에 대하여 격자 크기 테스트를 먼저 수행하고, 여러 조류터빈을 간략하게 배치한 단지의 경우에는 터빈회전속도 및 피치제어를 고려한 수치시뮬레이션을 통하여 단지 배치 시 고려되어야 할 사항들에 대해 분석하였다. LES 솔버는 미국 NREL에서 개발한 OpenFOAM 기반 SOWFA 프로그램을 사용하였고, KISTI의 HPC Nurion에서 1,360개의 프로세서를 사용하여 약 10일간 계산을 수행하였다. 단일 터빈 배치로 수행된 격자 크기 테스트를 통하여 터빈 블레이드 당 일정 개수 이상의 격자가 사용될 때 후류의 정확도가 확보되는 것을 확인하였고, 이 결과는 단지 배치 시 적용되었다. 검증 테스트에서는 유입방향 속도 성분외에도 측면방향 속도 성분에 대한 확인이 진행되었다. 단지 배치 시에는 후류의 영향으로 인한 출력 손실을 줄이기 위하여 터빈 전후 간격은 최소 10D 이상을 유지할 필요가 있음을 알 수 있었다.2

1MW급 수평축 조류발전터빈의 유동특성

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Effects of a Hydrofoil on Performance of 1MW Tidal Energy Converting System

본 연구에서는 1MW급 조류발전시스템의 터빈 블레이드를 설계하고 유동특성이 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 터빈 블레이드에 대한 기초 설계로서 BEMT에 기반의 설계 프로그램인 BEMBO를 사용하여 기본 형상 및 기초 성능을 예측하였다. 기초 설계한 터빈에 대해 3차원 정밀 레이놀즈 평균 나비어-스톡스 해석을 수행하여 유동특성을 분석하였으며, 블레이드 익형의 변화에 따른 유동특성을 비교하였다. 또한 통합하중해석 프로그램인 Tidal Bladed를 사용하여 블레이드 익형 변화에 따른 성능을 비교하였다. 이러한 해석결과를 바탕으로 블레이드 익형 변화가 유동특성 및 하중에 미치는 영향을 종합적으로 분석하였다.2

Introduction of Integrated Load Analysis for an 1MW Tidal Current Power System

조류발전은 빠른 조류가 발생하는 해역에 터빈을 설치하여 전기를 생산하는 시스템으로 바람, 파랑, 조석, 조류 등 해양에서 발생할 수 있는 모든 종류의 하중에 노출되어 장기간 운용되어야 한다. 해양의 가혹한 물리적 환경을 견디기 위해 높은 수준의 설계 신뢰도가 요구되며 이를 위해 최대한 많은 수의 운전조건들을 사전에 검토하고 설계하중을 계산해야 한다. 터빈에서 발생하는 하중은 환경조건, 운전조건, 제어 상태에 따라 변화하는데, 난류강도와 같은 불규칙적인 요소에 의해 예측하기 매우 어려운 특성이 있다. 따라서 조류발전시스템의 설계하중을 도출하기 위해서는 터빈의 유체역학적 하중을 기술할 수 있는 날개요소운동량 이론 기반의 통합하중해석이 필요하다. 본 연구에서는 Tidal Bladed를 이용하여 1MW급 조류발전시스템의 통합하중해석을 수행하여 시스템의 기본적인 성능과 하중특성을 도출하였으며 초기 설계하중을 산정하였다. 또한 EC62600-2를 참고하여 설정한 설계하중케이스를 재검토 하여 개선점, 그리고향후 조류발전시스템의 기술 표준화 방향에 대해 고찰하였다. Tidal current power is a system that generates electricity using submerged turbines in the ocean where strong tidal currents are generated. Since the tidal energy convertor is exposed to all kinds of loads in the offshore such as wind, waves, tide and currents, a high level of design reliability is required to withstand the harsh physical environment. It is necessary to review as many operating conditions as possible in advance and calculate the design load. The hydrodynamic load of turbine is strongly fluctuated by environment, operating conditions, control status and turbulence, it is difficult to predict the extreme load for structural design. Hence, in order to derive the design load of the tidal energy convertor, an integrated load analysis based on the blade element momentum theory(BEMT) that can describe the hydrodynamic load of the turbine is required. In this study, the fundamental performance and load characteristics of the 1MW tidal energy convertor were derived by the integrated load analysis using Tidal Bladed, and the initial design load was acquired. By reviewing the design load cases referring to IEC62600-2, the improvement points and the way of technology standardization were discussed as well.2

국내외 해양에너지 기술개발 동향

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