로터-후류 상호간섭 및 소음전파를 고려한 풍력 발전 단지 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 풍력 발전 단지 분야에서 요구하는 기술적, 환경적 쟁점인 로터-후류 상호간섭 및 단지 내 여러 터빈으로부터 전파되는 소음에 대한 연구를 수행하였다. 위 현상들에 대한 해석을 위하여 다양한 수치 기법들을 개발 및 통합 적용하였다. 공력 성능 해석을 위한 기법으로는 고전적인 블레이드 요소-운동량 이론에 블레이드 회전 방향으로 달라지는 성능 계산을 고려하기 위한 동적 후류 모델을 적용 하였다. 게다가 포텐셜 유동 기반 해석에 있어서 실속 및 박리 현상이 발생하는 구간에서의 유효 받음각과 순환값의 정확도 향상을 위한 비선형 와류보정 기법이 적용된 블레이드 와류 격자 기법을 이용하였다. 블레이드 회전 특성에 의해 발생되는 저주파 소음원 성분인 두께 및 하중 소음을 해석하기 위하여 Ffowck Williams-Hawkings 방정식에서 낮은 마하수에서 사중극 성분을 배재한 Farassat formulation 1A를 사용하였고, 광대역 소음원 성분을 익형 형상 및 경계층 유동 변수로 모델링한 반 경험식으로 해석하였다. 더욱이 넓은 영역에서의 수치적 계산 비용을 낮추기 위하여 음향 구를 생성하여 소음전파 예측에 활용하였다. 단지 내에서 발생하는 후류에서의 속도 분포를 예측하기 위하여 난류 경계층 모델 기반인 Ainslie의 와점성 후류 모델을 확장 적용하였고, 변형된 모델의 신뢰성 확보를 위한 풍동 및 실 측정값과의 비교, 검증을 수행하였다. 또한 대기 상태 및 지형 형상에 의해 수음자 위치에서 달라지는 소음의 영향을 고려하기 위한 실외 소음 전파 예측 기법을 이용하였다. 단지 내 후류 영역에 놓인 각 터빈에서의 성능 변화에 영향을 줄 수 있는 터빈 간 간격, 앞 터빈의 추력 변화, 대기 난류 강도 변화 및 대기 안정성 변화에 따른 성능 분석을 하였다. 터빈 간격이 좁을수록 성능이 뒤 터빈의 성능이 저하되는데, 이는 앞 터빈의 운동량 감소로 인해 뒤 터빈에 유입되는 유입류 속도가 줄어들기 때문이며, 앞 터빈의 추력이 상승하면 역시 운동량 감소가 상승하여 뒤 터빈에 유입되는 유입류 속도가 줄어들게 된다. 반면에 대기 난류 강도가 증가 할수록 상대적으로 높은 출력이 발생됨이 관찰되었는데, 이는 대기 난류 강도가 높을수록 후류 영역이 넓어지고, 넓어지는 후류 영역 끝단에서의 외부 유동과의 혼합으로 인해 속도 회복률이 더 커지기 때문이다. 또한 대기가 안정한 즉, 고도에 따른 속도 변화가 심한 경우 블레이드 상∙하단 부의 속도 차이가 크게 발생해 루트 부 굽힘 모멘트가 크게 발생하고, 공력 성능 또한 줄어 들게 된다. 또한 개발된 기법을 하나의 최적 알고리즘으로 구축하여 터빈 간 간격에 따른 공력 및 소음 최적 결과를 도출 하였다. 특히 단지 크기가 정해져 있을 경우 첫 번째와 두 번째 터빈 간격이 전체 성능 향상에 중요한 변수임을 확인 하였고, 개별뿐만 아니라 단지 전체에서의 운동량 감소가 고려된 설계가 이루어져야 함이 관찰되었다. 본 논문은 풍력 발전 단지에서 발생하는 로터-후류 상호간섭 및 소음에 대한 영향을 고려하기 위한 수치 해석 기법 개발 및 풍력 발전 단지 특성에 관한 연구를 진행하였다. 넓은 해석 영역에서의 계산상의 비용 감소를 위한 효율적인 수치 해석 기법을 제안하였으며, 이를 활용한 성능 변화 특성에 대한 고찰을 통해 다양한 설계 변수에 대한 이해를 넓히고자 하였다. 비록 계산상의 효율을 강조하였지만, 실험값과의 비교를 통해 일렬 배치 단지에서 충분히 신뢰할 만한 수준의 결과를 도출하였다.