수치 최적화 기법을 이용한 풍력 터빈 블레이드 단면의 공력 최적 설계

Abstract

풍력 발전기의 시스템의 고효율화를 위해서는 시스템의 에너지 손실에 가장 큰 영향을 미치는 로터 블레이드의 공력 성능의 고성능화가 필요하다. 본 연구에서는 양항비를 최대로 하는 단면최적설계 프레임워크를 이용하여 풍력 터빈용 로터 블레이드의 공력 성능을 향상 시킬 방안을 모색하였다. 단면최적설계 프레임워크는 유동의 지배 방정식인 2차원 Navier- Stokes방정식 해석 CFD 프로그램과 수치 최적화 알고리즘으로 이루어져있다. 간접적인 해석 방식인 BEMT에 비해 CFD 해석은 비교적 정확하게 공력 성능을 예측할 수 있는 장점이 있다. 수치 최적화 알고리즘으로는 구배율 기반의 알고리즘인 수정유효방향 탐색 기법을 이용하여 쉽고 빠르게 최적점을 탐색하였다. 또한 설계 중 형상의 제약 없는 변화를 허용하기 위해 PARSEC 형상 함수를 이용하였다. 최적 설계 이후의 결정된 형상에 대해 3차원 N-S 유동 해석을 재차 수행하여 성능 검증을 살펴보았다. 본 연구에서 제안한 단면최적설계 프레임워크는 NREL Phase VI 로터 블레이드와 NREL 5MW급 로터 블레이드에 적용되었으며, 최적화 결과, 토크 성능을 기준으로 각각 약 11%, 9%의 성능 향상을 만들어냈다.