• 한국지능시스템학회논문지
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• 제25권4호
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• pp.327-333
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• 2015

풍력 터빈은 정격 풍속 미만일 때는 최대 출력을 내기위한 제어를 한다. MPC(Maximun Power Control)제어방법은 발전기의 회전속도를 제어하여 최대 출력을 내는 방법인데 풍속을 알아야한다. 하지만 여러 가지 이유로 풍속을 실측하기보다는 풍속을 예측하여 사용하는 방법들이 제안되고 있다. 풍속예측은 TSR(Tip Speed Ratio)을 알아야 하는 데, TSR은 복잡한 관계식을 풀어야 한다. 그래서 TSR을 구하기 위해 다양한 방법들이 소개되고 있다. 본 논문에서는 TSR을 쉽고 빠르게 구하기 위하여 복잡한 관계식을 리그레션을 이용하여 간단한 방정식으로 근사화하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 Matlab/Simulink 시뮬레이션을 통하여 제대로 작동하는 것을 확인하였다.

• 한국정보전자통신기술학회논문지
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• 제15권3호
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• pp.198-204
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• 2022

본 논문에서는 ANSYS 유동해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 5kW와 50kW 수직축 풍력터빈에 대해 연구였다. 5kW급 수직축 풍력터빈은 주 블레이드의 갯수와 보조 블레이드의 개수를 각각 30개로 하였고 주속비(TSR)를 0.2에서 06까지 변화를 주면서 전기적 특성을 분석하였다. 5kW급 수직축 풍력터빈의 전기적 특성을 기초로 하여 50kW급 수직축 풍력터빈을 설계 하였다. 5kW급 풍력발전은 주속비가 0.5일 때 9.5kW의 출력과 0.28의 효율이 최대로 나타났다. 출력전류(I_p)와 출력전압(E_p)을 계산한 결과, 주속비가 증가하면 출력전류(I_p)는 감소되고 출력전압(E_p)은 증가되는 것을 알 수가 있었다. 그리고 주속비를 변화주어도 5kW급 풍력발전은 5kW 이상 출력이 측정되었다. 주속비를 0.3부터 0.6까지 변화시켰을 때, 50kW급 풍력발전은 50kW 이상 출력되었다. 50kW급 풍력발전은 주속비가 0.4일 때, 출력은 58.37[kW]이고 효율은 0.318로 최대로 나타났으며, 제안한 50kW 풍력발전이 설계조건을 만족함을 확인하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제35권12호
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• pp.1273-1283
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• 2011

3 차원 비정상유동해석을 통하여 자이로밀의 공기역학적 특성을 고찰하였다. 일반적으로 소형자이로밀은 구조가 간단하고 솔리디티가 높아 제작이 쉽고 자구동(self-starting)이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 TSR (tip speed ratio)가 4~7 인 다리우스풍력발전기와 다르게 1~3 정도로 매우 낮다. 본 연구에 사용한 자이로밀은 일정한 단면을 가진 3 개의 직선날개로 구성되어 있으며 솔리디티는 0.75 이다. 솔리디티가 매우 낮은 다리우스풍력발전기와 다르게 자이로밀은 TSR 이 증가함에 따라 날개 상호간의 간섭과 하류에 위치하는 날개로 유입되는 유동속도의 급격한 감소로 인하여 양력이 감소하고 날개의 회전속도에 의하여 주변의 공기가 가속되면서 항력의 증가로 성능이 저하되었다. 이로 인하여 TSR 이 2.4에서 최고의 성능을 나타내며 이후로 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권4호
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• pp.92-99
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• 2016

풍력터빈은 정격풍속미만에서 최대출력을 내기위한 제어를 한다. 최대출력을 얻기 위한 방법 중에는 최적 TSR(Tip Speed Ratio)제어와 P&O(Perturbation and Observation) 제어가 대표적이라 할 수 있다. P&O 제어는 출력과 회전속도만을 이용하여 간단한 알고리즘으로 제어되지만 반응속도가 느린 것이 단점이라 할 수 있다. 최적 TSR 제어는 반응속도가 빠르지만 정확한 풍속을 알아야만 된다. 정확한 풍속을 구하기 위하여 측정을 하거나 예측하는 방법을 사용한다. 풍속을 측정하기 위하여 풍속계를 풍력터빈에 가까이 설치하게 되는 데, 이 때 블레이드의 간섭으로 정확한 풍속 측정이 쉽지 않다. 그래서 풍속을 예측하는 방법들이 사용하게 되었다. 풍속을 예측하기 위하여 신경망을 비롯한 다양한 수치해석 방법들이 사용되고 있으나 풍속예측 문제는 역문제와 관련이 있어 그리 간단치가 않다. 본 논문에서는 기존의 방법들과 다르게 역문제로 풀지 않고 바람의 출력그래프에서 터빈의 출력과 회전속도만을 이용하여 풍속을 예측할 수 있는 새로운 방법을 제안하였다. Matlab/Simulink을 사용하여 제안된 방법으로 풍속이 제대로 예측되며 최대 출력제어가 되는 것을 확인하였다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제6회(2016년)
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• pp.15-18
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• 2016

본 연구는 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 해석 시스템 개발에 대한 사전연구의 일환으로 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈 주위 유동장에 대한 수치해석을 수행하였다. TSR 조건 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이에 대한 power, total coefficient를 동일한 조건에서 수행된 실험결과와 비교 검증하여 해석자의 신뢰도를 확인하였다. 또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body 해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body 해석 결과를 비교하여 경제적이면서 정도 높은 터빈 성능해석 프로세스를 제안하였다. 조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 $C_P$가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. 이를 통해 suction side의 압력 분포, 팁 와동의 강도 등 성능개선을 위한 주요한 설계변수를 식별하였다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2002년도 학술대회지
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• pp.447-450
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• 2002

The purpose of this 3-D numerical simulation is to calculate and examine a 500 kW Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) power performance and 3-D rotor flow characteristics, which are compared to calculation data from Delft University. The experimental approach, which has been the main method of investigation, appears to be reaching its limits, the cost increasing relate with the size of wind turbines. Hence, the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and Navier-Stokes solvers is considered a very serious contender. We has used the CFD software package CFX-TASCflow as a modeling tool to predict the power performance and 3-D flow characteristics of a wind turbine on the basis of its geometry and operating data. The wind turbine with 40m diameters rotor, it was scaled to compare with the calculation data from delft university. The HAWT, which has eight-rpm variations are investigated respectively. The pitch angle is $+0.5^{\circ}$and wind speed is fixed at 5m/s. The tip speed ratio (TSR) of the HAWT ranging from 2.89 to 9.63.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제14권4호
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• pp.230-238
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• 2011

100 kW 용량의 조류발전용 수평축 터빈(HAT)임펠러의 성능에 대한 연구를 위하여 단면 및 날개 끝 형상을 변형시킨 지름700 mm의 모형 임펠러를 설계하고 부산대학교 예인수조에서 모형 시험을 수행하였다. 축척효과를 확인하기 위하여 각각의 임펠러에 대하여 회전수를 바꾸어 레이놀즈수 변화에 따른 특성을 살펴보았으며 날개끝속도비(TSR)별로 비교 검토 하였다. 본 연구에서 제안된 레이크 임펠러의 성능이 기존 임펠러 보다 우수함을 확인 하였으며 추후 실험시설을 보완하여 보다 큰 레이놀즈수에서 실험을 수행하고 계산과 비교할 예정이다.

• Wind and Structures
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• 제32권5호
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• pp.471-485
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• 2021

Onshore wind turbines may experience substantially different wind loads depending on their working conditions, i.e. rotation velocity of rotor blades, incoming freestream wind velocity, pitch angle of rotor blades, and yaw angle of the wind-turbine tower. In the present study, aerodynamic loads acting on a horizontal axis wind turbine were accordingly quantified for the high tip speed ratio (TSR) at high yaw angles because these conditions have previously not been adequately addressed. This was analyzed experimentally on a small-scale wind-turbine model in a boundary layer wind tunnel. The wind-tunnel simulation of the neutrally stratified atmospheric boundary layer (ABL) developing above a flat terrain was generated using the Counihan approach. The ABL was simulated to achieve the conditions of a wind-turbine model operating in similar inflow conditions to those of a prototype wind turbine situated in the lower atmosphere, which is another important aspect of the present work. The ABL and wind-turbine simulation length scale factors were the same (S=300) in order to satisfy the Jensen similarity criterion. Aerodynamic loads experienced by the wind-turbine model subjected to the ABL simulation were studied based on the high frequency force balance (HFFB) measurements. Emphasis was put on the thrust force and the bending moment because these two load components have previously proven to be dominant compared to other load components. The results indicate several important findings. The loads were substantially higher for TSR=10 compared to TSR=5.6. In these conditions, a considerable load reduction was achieved by pitching the rotor blades. For the blade pitch angle at 90°, the loads were ten times lower than the loads of the rotating wind-turbine model. For the blade pitch angle at 12°, the loads were at 50% of the rotating wind-turbine model. The loads were reduced by up to 40% through the yawing of the wind-turbine model, which was observed both for the rotating and the parked wind-turbine model.

• International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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• 제6권2호
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• pp.257-268
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• 2014

In this study, flow-driven rotor simulations with a given load are conducted to analyze the operational characteristics of a vertical-axis Darrieus turbine, specifically its self-starting capability and fluctuations in its torque as well as the RPM. These characteristics are typically observed in experiments, though they cannot be acquired in simulations with a given tip speed ratio (TSR). First, it is shown that a flow-driven rotor simulation with a two-dimensional (2D) turbine model obtains power coefficients with curves similar to those obtained in a simulation with a given TSR. 3D flow-driven rotor simulations with an optimal geometry then show that a helical-bladed turbine has the following prominent advantages over a straight-bladed turbine of the same size: an improvement of its self-starting capabilities and reduced fluctuations in its torque and RPM curves as well as an increase in its power coefficient from 33% to 42%. Therefore, it is clear that a flow-driven rotor simulation provides more information for the design of a Darrieus turbine than a simulation with a given TSR before experiments.

• 해양환경안전학회지
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• 제22권3호
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• pp.296-303
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• 2016

In this paper, a numerical experiment on a tidal turbine was performed based on a water wheel design using the commercial CFD code ANSYS-CFX to contribute to the development of water wheels. The water wheel type tidal turbine was studied with different numbers of rotor blades (including ten, twelve and twenty blades types) and with different blade shapes (Straight, Curved and Zuppinger types) for comparison at several values of tip speed ratio (TSR) ranging from 0.7 to 1.2. The numerical results indicated that the 10-bladed type and the Straight-bladed type turbines absorb the highest power efficiency, up to 43 % at TSR 0.9. In addition, the 20-bladed and the Curved-bladed types showed the lowest performances in all cases of TSRs comparing with the others. Besides that, it was found that this turbine operates much effectively at low range of TSR, especially at TSRs 0.9 and 1 for all cases of blade shapes and all numbers of blades.