Publications

Detailed Information

Robust Design Optimization of Wind Turbine Blade Considering Operational Uncertainty of Turbulent Wind

Cited 0 time in Web of Science Cited 0 time in Scopus
Authors

정지훈

Advisor
이동호
Major
기계항공공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
본 연구에서는 풍력 터빈 블레이드의 설계에 있어서 난기류 조건을 실제 운용시 발생가능한 불확실성으로 고려하고 이러한 난기류 조건에서 발생하는 비정상 공력 하중의 변동을 최소화할 수 있는 풍력 터빈 블레이드의 공력 외형의 강건 최적 설계를 수행하였다. 비정상 공력 하중의 해석을 위해서 NREL에서 개발된 FAST 프로그램을 이용하였으며, 난기류 조건을 고려하기 위하여 TurbSim 난류 시뮬레이션 코드를 이용하였다. 블레이드의 공력 외형을 정의하는 chord length 및 twist angle 분포를 효율적으로 모델링하기 위하여 형상 모델링 함수를 사용하였으며, 이를 통해 적은 수의 설계 변수로 블레이드 형상을 효과적으로 생성할 수 있었다. 최적화 대상으로는 NREL 의 WP 1.5-MW 급 풍력 터빈을 선정하였으며, FAST 를 이용하여 난기류 조건에서의 변동하는 비정상 공력 하중 특성을 확인하였다. 이를 이용하여 정격출력을 유지하면서 난기류 조건에서의 비정상 공력하중의 변동값을 최소화 하기 위한 최적설계를 수행하였다. 그 결과, 최적화 과정에서 시위 길이 및 비틀림 각의 재배열을 통해 초기 블레이드 형상에 비하여 out-of-plane 벤딩 모멘트의 변동값을 약 20% 감소시키면서도 정격 출력을 유지할 수 있는 최적 형상을 설계할 수 있었다. 이러한 공력 하중 특성 및 성능 특성을 가지는 최적화된 블레이드는 팁에서의 chord length 가 감소하고 블레이드 중앙부에서의 twist angle 이 감소하는 형상을 가졌다. 최적화된 블레이드 형상은 각 섹션별 유효받음각이 최대 양항비에 가깝게 위치하는 특성을 보였으며 이를 통해 최적화된 블레이드 형상이 초기형상에 비해 보다 높은 공력 효율을 보임을 확인할 수 있었다. 마지막으로 off-design study 를 통해 최적화된 블레이드가 시동 풍속에서부터 종단풍속까지의 전체 운용 풍속 구간에서 초기 형상에 비해 감소된 비정상 공력하중 특성을 보임을 확인하였으며, 출력 특성 역시 초기 블레이드 형상과 거의 유사한 출력 곡선을 보임을 확인할 수 있었다.
Design optimization of the wind turbine of a NREL 1.5-MW HAWT blade was studied to minimize the fluctuation of the bending moment of the blade in turbulent wind. In order to analyze the unsteady aerodynamic load of a wind turbine, FAST code was used as the analysis code. To consider turbulent wind as the wind input model in FAST, Turbsim was used as a turbulent wind simulator. For effective geometrical representation of the aerodynamic shape of a wind turbine blade, the shape modeling function was used to represent the chord length and twist angle. The fluctuation of the out-of-plane bending moment at the blade root was minimized by maintaining the required power of the wind turbine. Through the redistribution of the section force in the radial direction between both the primary and tip regions, the magnitude of the fluctuation of the out-of-plane bending moment was reduced by about 20%, and the rated power of 1.5-MW was maintained. The local angles of attack for the optimized blade were near the point of the maximum lift-to-drag ratio in the primary and tip regions compared to the baseline blade. The fluctuating unsteady aerodynamic load in the optimized blade was reduced within the operating range of the wind speed. With the optimized blade shape, the wind turbine can be operated with decreased fluctuating aerodynamic loads and have a longer life in turbulent wind.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/156266

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001445
Files in This Item:
There are no files associated with this item.
Appears in Collections:

Altmetrics

Item View & Download Count

  • mendeley

Items in S-Space are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Share