Optimal Aerodynamic Design and Performance Analysis for Pitch-Controlled HAWT

Optimal aerodynamic design for the pitch-controlled horizontal axis wind turbine and its aerodynamic performance for various pitch angles are performed numerically by using the blade element momentum theory. The numerical calculation includes effects such as Prandtl‘s tip loss, airfoil distribution, and wake rotation. Six different airfoils are distributed along the blade span, and the special airfoil i.e. airfoil of 40% thickness ratio is adopted at the hub side to have structural integrity. The nonlinear chord obtained from the optimal design procedure is linearized to decrease the weight and to increase the productivity with very little change of the aerodynamic performance. From the comparisons of the power, thrust, and torque coefficients with corresponding values of different pitch angles, the aerodynamic performance shows delicate changes for just $3^{\circ}$ increase or decrease of the pitch angle. For precisive pitch control, it requires the pitch control algorithm and its drive mechanism below $3^{\circ}$ increment of pitch angle. The maximum torque is generated when the speed ratio is smaller than the designed one.

가변 피치형 수평축 풍력 터빈의 공력 최적설계 및 피치제어 성능 연구

피치 제어형 수평축 풍력터빈에 대한 공력최적 설계 형상과 피치 변화에 따른 공력 성능 특성을 수치적으로 계산하였다. 수치적 방법은 날개 요소이론을 적용하였으며, Prandtl의 팁 손실 효과, 에어포일의 분포 효과, 후류의 회전 효과 등을 고려하였다. 블레이드 설계에는 총 6개의 서로 다른 에어포일을 사용하였으며, 구조적 강성을 갖기 위해서 허브 측에는 최대 40% 두께비의 에어포일을 분포시켰다. 최적 설계에서 얻어진 비선형 코드 길이는 제작성과 무게 등을 고려하여 선형화 시켰고, 선형화에 따른 공력성능 변화는 무시할만하다는 결과를 얻어내었다. 피치각 변화에 따른 동력성능, 추력성능, 토크 성능 곡선을 비교한 결과 $3^{\circ}$의 피치각 변화에도 민감한 공력 값의 변동이 생김을 알 수 있었고, 정밀한 피치 제어를 위한 각도 제어는 증분이 $3^{\circ}$보다 작은 값으로 피치 제어 알고리즘과 피치 구동 장치가 필요함을 알 수 있었다. 또한 최대 토크는 설계속도비보다 작은 속도비에서 발생되는 결과를 보여주었다.