50kW 풍력블레이드 설계에 관한 연구 :A Study on Design of Wind Blade with Rated Capacity of 50kW

김상만

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김상만 (목포대학교, 목포대학교 대학원)

지도교수: 문채주

발행연도: 2022

저작권: 목포대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

50kW 풍력블레이드 설계에 관한 연구

김상만 전기공 2022.01 학위논문

2021

50kW 풍력블레이드 설계에 관한 연구

김상만 , 문채주 , 정권성 한국전자통신학회 논문지 2021.01 학술저널

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소형풍력터빈(Small Wind Turbine)은 바람에너지로부터 동력을 얻어 전기를 생산하는 전기기기를 통칭하며 독립형과 계통연계형 용도로 세계적으로 소형풍력터빈은 용량에 따라 구분하고 있으나 특별히 발전차액지원제도(Feed in Tariff) 정책에 따라 50kW 이하를 소형풍력터빈으로 별도 지정하고 있으며 소형풍력시장은 발전차액지원제도의 시행 여부에 따라 시장형성이 크게 영향을 받고 있다. 소형풍력터빈은 독립형 전력시스템과 가전제품, 독립적인 적용및 에너지저장장치, 태양광, 소수력, 디젤엔진과 같은 다른 에너지기술을 조합하여 동시에 사용할 수 있는 매력적인 대체품이다. 그래서 해외 선진국의 경우 전력 사용량이 많고 이산화 탄소를 줄이기 위하여 복합 시스템을 늘리는 추세이며 국내에서는 중앙전력망과 떨어진 도서지역에 전력을 공급하기 위한 소규모 분산형 복합 발전시스템에 활용하고 있다, 또한 중소기업청에 발간한 ‘2017년 중소중견기업기술로드맵(2017-2019)’에서는 풍력산업분야에서 중소중견기업을 위한 전략 품목으로 소형풍력발전기와 풍력 로터허브를 선정하고 로드맵으로 제시하면서 국내에서 소형풍력터빈시스템 및 요소부품에 관련 연구 및 개발이 활성화되고 있는 추세이다. 그래서 연구목적은 풍력블레이드 제작법과 구조가 가능한 상업용 개발과정과 유사성을 갖도록 50kW 풍력블레이드를 개발하기 위한 것이다. 공력설계와 구조설계를 통해서 고효율 블레이드를 설계 및 3D 모델링하고 목함에 기반하여 제작된 몰드기법은 탄소섬유와 열경화성 수지인 유리섬유를 사용한 경량설계, 다중부목, 오목성을 유지하기 위하여 채택한다. 수 작업형 시제품 제조법은 공기역학적인 평판형의 반복적인 설계를 통해서 단주기를 갖는 고밀도 형상 몰드를 사용하여 개발한 것이다. 5개의 블레이드 생산공정을 통하여 제작하고, 블레이드의 주요 구성요소는 IEC-61400-23 규정에 따라 설계의 적절성을 검증하기 위하여 시험하며, 개발된 블레이드를 갖는 풍력시스템은 성능 특성을 검증하기 위하여 IEC 61400-12 규정에 따라 시험한다. 블레이드와 풍력터빈시스템의 시험결과는 상업 운전에서 요구되는 유효한 설계조건을 확인하였다.

A small wind turbine is an electrical device that generates electricity by obtaining power from wind energy. Small wind turbines worldwide are classified according to their capacity for stand-alone and grid-connected uses, but in particular, according to the feed in tariff, 50kW scale or less is separately designated as small wind turbines. The small wind power market, the market formation is greatly affected by the implementation of the feed in tariff. Small wind turbines are an attractive alternative for off-grid power system and electric home appliances, both as stand-alone application and in combination with other energy technologies such as energy storage system, photovoltaic, small hydro or diesel engines. Therefore, in the case of developed countries overseas, electricity consumption is high and the number of complex systems is increasing in order to reduce carbon dioxide. It is being used in a small-scale distributed combined power generation system to supply power to island areas far from the central power grid. In the ‘2017 Technology Roadmap for Small and Medium Enterprises (2017-2019)’ published by the Small and medium business administration, small wind turbine and wind rotor hubs were selected as strategic items for small and medium-sized enterprises in the wind power industry and presented as roadmaps. In korea, research and development related to small wind turbine systems and component parts are being revitalized. The research objective is to develop the 50kW scale wind turbine blades in ways that resemble, as closely as possible, the construction and methods of utility scale turbine blade manufacturing. The mold process based on wooden form is employed to create a hollow, multi-piece, lightweight design using carbon fiber and fiberglass with an epoxy based resin. A hand layup prototyping method is developed using high density foam molds that allows short cycle time between design iterations of aerodynamic planforms. A production process of five blades is manufactured and key components of the blade are tested by IEC 61400-23 to verify the appropriateness of the design. and also wind system with developed blades is tested by IEC 61400-12 to verify the performance characteristics. The results of blade and turbine system test showed the available design conditions for commercial operation.

#소형풍력발전기 #50kW급 블레이드 #소형 블레이드

목 차 ⅰ
표 목차 ⅲ
그림목차 ⅴ
국문초록 ⅸ
1. 서 론 1
가. 연구 배경 및 목적 1
나. 국내외 관련 연구 동향 5
다. 논문의 구성 10
2. 블레이드 설계 및 제작 11
가. 풍력터빈 구조 및 원리 11
1) 풍력터빈 구조 11
2) 풍력터빈 원리 12
나. 블레이드 설계 14
1) 블레이드 공기역학 설계 15
2) 블레이드 최적 설계 51
다. 블레이드 제작 62
1) 블레이드 제작공법 62
2) 블레이드 소재 64
3) 블레이드 목함 제작 69
4) 블레이드 몰드 제작 71
5) 블레이드 제작 73
3. 블레이드 시험 및 고찰 77
가. 시험조건 77
나. 시험 장치 78
1) 시험 시스템 78
2) 측정 시스템 81
3) 시험 하중 결정 87
4) 시험절차 90
다. 결과 및 고찰 91
1) 무게 및 무게 중심 91
2) 블레이드 정적 강도 성능측정 92
4. 풍력터빈 시험 106
가. 풍력터빈 시험 평가 기준 106
나. 풍력터빈 사양 107
다. 풍력터빈 시험 및 결과 108
5. 결 론 111
참 고 문 헌 112
Abstract 117
부록 119

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