• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.58.2-58.2
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• 2011

본 연구에서는 5MW급 수평축 풍력터빈 블레이드에 대해 국내 서남해안의 풍속특성을 고려한 최적설계를 수행 하였다. 최적설계를 수행하기 위해 블레이드 해석은 Blade Element and Momentum Theory를 이용 하였으며, 설계 시 적용된 기저형상은 NREL에서 제안한 5MW급 풍력터빈 블레이드을 선정하였다. 최적설계를 수행하기 전 설계에 사용된 설계변수들이 풍속에 대해 어떠한 경향을 가지고 있는지 알아보기 위해 Parametric Study를 수행 하였으며, 최적설계는 다목적 최적화 유전 알고리즘인 NSGA-II를 이용하여 평균풍속이 낮은 서남해안의 연간에너지 생산량과 설비이용률을 최대화하였다. 최적화 결과들로부터 설계 조건에 맞는 최적해를 도출 할 수 있었으며, 이를 통해 기저형상의 연간에너지 생산량 및 설비이용률을 보다 향상 시킬 수 있었다.

• 한국항공우주학회지
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• 제42권2호
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• pp.134-143
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• 2014

추운 기후에서 운영되는 풍력터빈 시스템의 표면에 발생한 결빙으로 인하여 공기역학적 성능이 크게 저하될 수 있다. 이러한 결빙은 양력감소 및 항력증가를 야기하고, 발전효율에 부정적인 영향을 미치게 된다. 이로 인하여 풍력발전기의 성능저하 또는 과부하, 무게중심의 변화에 따른 과도진동, 결빙파편이 지상으로 떨어질 경우의 안전성 문제, 계기의 결빙으로 인한 계기 측정오차, 최악의 경우 풍력 시스템 정지 등의 문제가 발생한다. 본 연구에서는 결빙증식이 풍력 발전기의 공력특성에 미치는 영향을 CFD 기법을 이용해 분석하였다. 또한 결빙증식 결과를 바탕으로 BEM 기법을 적용시켜 삼차원 블레이드에 대한 공력성능을 계산하였다. 결빙의 두께는 상대적인 속도차이에 의해 블레이드 중심에서 끝단으로 갈수록 증가함을 알 수 있었고, 공기의 속도가 결빙증식에 미치는 주요 인자임을 확인하였다.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.5-11
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• 2012

This study is to develop a 1kW-class horizontal axis wind turbine(HAWT) rotor blade which will be applicable to relatively low wind speed regions in southwest islands in Korea. Shape design of 1kW-class small wind turbine rotor blade is carried out using a blade profile with relatively high lift to drag ratio by blade element momentum theory(BEMT). Aerodynamic analysis on the newly designed rotor blade is performed with the variation of tip speed ratio. Power coefficient and pressure coefficient of the designed rotor blade are investigated according to tip speed ratio.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제56권6호
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• pp.1021-1040
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• 2015

An effective method to calculate aerodynamic loads and aeroelastic responses of large wind turbine tower-blade coupled structures in yaw condition is proposed. By a case study on a 5 MW large wind turbine, the finite element model of the wind turbine tower-blade coupled structure is established to obtain the modal information. The harmonic superposition method and modified blade-element momentum theory are used to calculate aerodynamic loads in yaw condition, in which the wind shear, tower shadow, tower-blade modal and aerodynamic interactions, and rotational effects are fully taken into account. The mode superposition method is used to calculate kinetic equation of wind turbine tower-blade coupled structure in time domain. The induced velocity and dynamic loads are updated through iterative loop, and the aeroelastic responses of large wind turbine tower-blade coupled system are then obtained. For completeness, the yaw effect and aeroelastic effect on aerodynamic loads and wind-induced responses are discussed in detail based on the calculating results.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.60.2-60.2
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• 2011

This study is to develop a 1kW-class small wind turbine blade which will be applicable to relatively low speed regions. For this blade, a high efficiency wind turbine blade is designed and a light and low cost composite structure blade is adopted considering fatigue life. In this study, shape design of 1kW-class small wind turbine blade for hybrid power generation system is carried out by BEMT(blade element momentum theory). X-FOIL open software was used to acquire lift and drag coefficients of the 2D airfoils used in power prediction procedure. Moreover, pressure and velocity distributions are investigated according to TSR by CFD analysis.

• 해양환경안전학회지
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• 제17권1호
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• pp.75-82
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• 2011

해양에너지는 아직 개발되지 않은 가장 유망한 재생 및 청정에너지 자원 중 하나이다. 특히 우리나라는 세계적으로 보기 드문 조류발전의 적지이며, 이를 이용하기 위해서는 각 해역에 적합한 조류에너지 변환 장치의 개발이 매우 필요하다. 따라서 본 연구에서는 조류발전 방식 중 수평축 로터 블레이드의 최적형상 설계 및 성능평가를 목적으로 날개 끝 손실 모델을 포함하는 날개요소 운동량이론을 적용한 조류터빈 설계기법을 제안하고, 100 kW급 로터 블레이드를 설계하였다. 또한 블레이드 국부위치에서 주속비에 따른 Prandtl의 날개 끝 손실 변화를 비교하였으며, 정격 날개 끝 속도비에서 NACA63812를 사용하여 설계된 로터 블레이드의 동력계수는 0.49로 우수한 성능을 나타내었다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제52권3호
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• pp.485-505
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• 2014

This study aimed to develop an approach to accurately predict the wind models and wind effects of large wind turbines. The wind-induced vibration characteristics of a 5 MW tower-blade coupled wind turbine system have been investigated in this paper. First, the blade-tower integration model was established, which included blades, nacelle, tower and the base of the wind turbine system. The harmonic superposition method and modified blade element momentum theory were then applied to simulate the fluctuating wind field for the rotor blades and tower. Finally, wind-induced responses and equivalent static wind loads (ESWL) of the system were studied based on the modified consistent coupling method, which took into account coupling effects of resonant modes, cross terms of resonant and background responses. Furthermore, useful suggestions were proposed to instruct the wind resistance design of large wind turbines. Based on obtained results, it is shown from the obtained results that wind-induced responses and ESWL were characterized with complicated modal responses, multi-mode coupling effects, and multiple equivalent objectives. Compared with the background component, the resonant component made more contribution to wind-induced responses and equivalent static wind loads at the middle-upper part of the tower and blades, and cross terms between background and resonant components affected the total fluctuation responses, while the background responses were similar with the resonant responses at the bottom of tower.

• 한국태양에너지학회 논문집
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• 제38권2호
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• pp.15-31
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• 2018

A program to design a small capacity wind turbine blade is proposed in this study. The program is based on a matlab GUI environment and designed to perform blade design based on the blade element momentum theory. The program is different from other simulation tools available in a point that it can analyze the side-furling power regulation mechanism and also has an algorithm to find out optimal torque schedule above the rated wind speed region. The side-furling power regulation is used for small-capacity horizontal axis wind turbines because they cannot use active pitch control due to high cost which is commonly used for large-capacity wind turbine. Also, the torque schedule above the rated wind speed region should be different from that of the large capacity wind turbines because active pitching is not used. The program developed in this study was validated with the results with FAST which is the only program that can analyze the performance of side-furled wind turbines. For the validation a commercial 10 kW wind turbine data which is available in the literature was used. From the validation, it was found that the performance prediction from the proposed simple program is close to those from FAST. It was also found that the optimal torque scheduling from the proposed program was found to increase the turbine power substantially. Further experimental validation will be performed as a future work.

• Smart Structures and Systems
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• 제26권6호
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• pp.703-720
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• 2020

This paper investigates the safety of the wind turbine blade against excessive deformation. For this purpose, the performance of the blade in the along-wind direction is improved by longitudinal stiffener made of shape memory alloy. The rationale behind the selection of this smart material is due to its ability to offer excellent thermo-mechanical behaviour at low strain. Here, Liang-Roger model is adopted for vibration control, and the super-elastic effects are utilised for blade stiffening. Turbulent wind fields are generated at the hub height using TurbSim and the corresponding loads are evaluated using blade element momentum theory. An efficient switching algorithm is developed along with performance curves that enable the designer to select an optimal mode of heating depending upon the operational scenario. Numerical results presented in this paper clearly demonstrate the performance envelope of the proposed stiffener and its influence on the reliability of the blade.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권7호
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• pp.1222-1230
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• 2022

로터 블레이드는 조류발전 터빈의 매우 중요한 구성 요소로서, 해수의 높은 밀도로 인해 큰 추력(Trust force)와 하중(Load)의 영향을 받는다. 따라서 블레이드의 형상 및 구조 설계를 통한 성능과 복합소재를 적용한 블레이드의 구조적 안전성을 반드시 확보해야 한다. 본 연구에서는 블레이드 설계 기법인 BEM(Blade Element Momentum) 이론을 이용해 1MW급 대형 터빈 블레이드를 설계하였으며, 터빈 블레이드의 재료는 강화섬유 중의 하나인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)를 기본으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)를 샌드위치 구조에 적용해 블레이드 단면을 적층(Lay-up)하였다. 또한 유동의 변화에 따른 구조적 안전성을 평가하기 위해 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interactive Analysis, FSI) 기법을 이용한 선형적 탄성범위 안의 정적 하중해석을 수행하였으며, 블레이드의 팁 변형량, 변형률, 파손지수를 분석해 구조적 안전성을 평가하였다. 결과적으로, CFRP가 적용된 Model-B의 경우 팁 변형량과 블레이드의 중량을 감소시켰으며, 파손지수 IRF(Inverse Reserce Factor)가 Model-A의 3.0^*V_r를 제외한 모든 하중 영역에서 1.0 이하를 지시해 안전성을 확보할 수 있었다. 향후 블레이드의 재료변경과 적층 패턴의 재설계뿐 아니라 다양한 파손이론을 적용해 구조건전성을 평가할 예정이다.