1. 서 론
정부의 재생에너지 3020 이행계획(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017) 발표에 따라 태양광, 풍력, 소수력 등 재생 에너지원을 활용한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 그 중 소수력발전은 지형이나 기후 등 자연적인 조건과 조화를 이루며, 타 에너지원에 비해 지속적으로 발전공급이 가능한 반영구적인 에너지 자원으로 에너지안보 측면에서 우수한 에너지원이다. 그러나 현재 수력분야의 연구개발 및 보급대 상은 주로 발전설비용량 10 MW를 초과하는 대수력으로 확 대되고 있다. 그러므로 소수력 발전의 적극적 개발을 위해 서는 신규 적용 분야 및 활용 영역을 확대하기 위한 다양한 연구가 필요하다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2018).
소수력 발전의 신규 적용 분야로서 가능성 있는 분야는 해 양레포츠이다. 해양레포츠 분야는 국민의 소득증가에 따라 여가활용, 삶의 질 상승 등으로 체험인구가 2013년 723,000명 에서 2017년 950,000명으로 약 31.4 %로 증가하였고 그 추세 는 매년 증가하고 있다(Natural Landscape Division Nature and Ecology Research Department, 2008;Park and Lee, 2018).
야외활동을 기반으로 하는 해양 레저스포츠는 펌프, 발전 기, 비상 보조 발전장치 등 성능이 보장된 전기장치 확보가 필수이다. 이에 따라 ENOMAD, Blue FREEDOM 등 국내외 일부 업체에서 해양 레포츠 및 야외활동 중 발생하는 전기 수요 및 안정성을 확보하기 위해 재생에너지원을 활용한 발 전제품들이 개발되어 판매 중에 있으나, 장치의 성능에 대 해 공개된 검증자료는 없는 상태이다.
선행연구를 통해 30 W급 휴대용 자가 발전장치를 개발하 였다. 이는 재생에너지를 이용한 초소용량 수력발전기로써 기존에 판매되는 제품보다 활용도, 경제성 및 성능측면에서 우수하다. 또한, 비상시 자가발전을 통해 전기 생산이 가능 하므로 효율적이다.
이에 본 논문에서는 선행연구를 통해 개발한 수차를 대상 으로 설계검토 및 성능확인을 위해 CFD를 통한 유입유속(U) 및 주속비(TSR, Tip Speed Ratio) 변화에 따른 성능해석을 수 행하고자 한다. 또한, 블레이드의 피치 각(αpitch ) 변화에 따 른 성능해석을 통해 초소형 사이즈로 인해 별도의 제어장치 를 설치가 어려운 휴대용 수평축 수차의 발전 가능 유속 범 위 증가 및 성능개선에 필요한 데이터를 획득하고자 한다 (Park et al., 2014).
2. 휴대용 수평축 수차의 수치해석방법
2.1 휴대용 수평축 수차의 형상
Fig. 1은 본 연구에 적용한 휴대용 수평축 수차의 3차원 형상을 보이고 있다. 이 장치는 반잠수식으로 하천 또는 강 에 설치하여 그 흐름을 이용하여 발전하는 방식으로 발전기 가 위치한 방향에서 유입된 유체가 가이드 베인을 지나 러 너부를 구동시키며, 이와 연결된 본체 내부의 발전기를 통 해 전기를 생산한다.
수치해석의 모델인 휴대용 수평축 수차는 U = 1.5 m/s에서 30 W의 전기를 생산할 수 있도록 설계되었으며, 러너 블레 이드로 유입되는 유체의 흐름제어 및 장치의 자세 안정성 확보를 위한 가이드 베인은 9매로 구성되어 있다. 그리고 본 체 내부의 발전기와 축으로 연결되어 전기를 생산하는 주요 부인 러너 블레이드는 3매로 구성되어 있으며, 러너부의 직 경은 약 0.22 m이다.
2.2 수치해석방법
Fig. 2에서는 수치해석을 위해 휴대용 수평축 수차의 형상 을 단순화하고, 가이드 베인(3매)과 러너 블레이드(1매) 일부 만을 대상으로 해석영역을 모델링하였다. 그리고 계산의 수 렴도와 외부 영역으로 인해 발생할 수 있는 계산적 오류를 고려하여 러너 블레이드의 반경을 기준으로 유입부에 반경 길이의 4배, 유출부에 7배 그리고 상부영역에 3.5배의 여유 길이를 확보하였다.
수치해석을 위하여 생성한 격자의 모습과 각 파트의 격 자 노드수를 Fig. 3과 Table 1에 나타내었다. 격자는 ANSYS Workbench의 Meshing을 이용하여 생성하였다(ANSYS, Inc., 2018a). 외부 유동장은 Hexahedral mesh로 격자를 생성하였으 며, 가이드 베인과 러너 블레이드에는 Tetra-prism mesh로 생 성하였다. 그리고 성능해석에 가장 중요한 부분인 러너부에 는 원활한 수렴성 및 신뢰성을 갖추기 위해, Yplus, 경계층 격자 밀집도, 격자 형태, 종횡비 등을 신중히 고려하여 격자 를 생성하였다(Kim, 2005). Fig. 4에서 보이는 바와 같이 Yplus 5.1 이하의 보다 조밀한 격자를 생성하였으며, 휴대용 수평축 수차의 성능해석을 위하여 총 약 7,590,000 노드의 격 자를 생성하였다.
수치해석을 위해 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하였으 며, Table 2와 같이 단일 유체(물)만을 고려한 단상 정상상태 계산을 수행하였다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) 모 델(Wilcox, 2002)을 적용하였으며, 계산을 위한 경계조건으로 서 입구에는 유속조건을 출구에는 대기압에 해당하는 압력 조건을 부여하였다. Table 2의 경계조건을 ANSYS CFX-Pre를 통해 구현한 모습을 Fig. 5에서 보인다. 휴대용 수평축 수차 의 가이드 베인과 러너 블레이드 일부분만을 고려한 계산이 므로 전체 도메인의 양면을 회전주기성(Rotational periodicity) 경계조건을 적용하였으며, 회전체인 러너부와 맞닿아 있는 면들과의 경계면 처리를 위하여 Frozen rotor 모델을 사용하 였다(Gerolymos et al., 2002;ANSYS, Inc., 2018b).
Table 3과 같이 유입유속, 블레이드의 피치각도 및 주속비 변화에 따라 수치해석을 수행할 케이스를 정의하였다. 계산 은 설계 블레이드의 피치각도인 0°일 때, 유입유속 및 주속 비 변화에 따른 성능해석을 우선적으로 수행하여 장치의 설 계검토 및 성능을 확인하고자 하였다. 그리고 수차의 성능 개선에 필요한 데이터를 획득하고자 Fig. 6에서 보이는 바와 같이 유체와 블레이드가 맞닿는 면적을 증가시켜 블레이드 에 작용하는 토크가 증가할 수 있도록 블레이드의 피치각도 를 3°씩 증가시켜 블레이드의 피치각도 3°와 6°인 경우에 대 해 추가적인 유입유속 및 주속비 변화에 따른 성능해석을 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 성능해석 결과
수치해석 결과를 바탕으로 식(1)을 사용하여 Fig. 7 ~ Fig. 9에 나타낸 출력계수를 계산하였으며, Fig. 7은 입구유속별 αpitch = 0° 일 때의 주속비에 따른 유입유속별 수치해석 결 과이다.
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CP : Power coefficient [-]
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T : Torque [N·m]
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ω : Angular velocity [rad/s]
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ρ : Density [kg/m3]
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A : Area of runner [m2]
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U : Inflow velocity [m/s]
계산결과 모든 유속조건에서 TSR = 7인 경우, 블레이드에 작용하는 토크가 역방향 값을 가져 정상적인 출력이 발생하 지 않는 것을 확인하였다. 그리고 TSR = 4인 경우, 출력 및 출력계수가 가장 높음을 알 수 있으며, 그 중 U = 1.5 m/s, TSR = 4에서 출력 74.5 W, 출력계수 0.27로 αpitch = 0° 인 케 이스들 중 가장 높은 출력과 출력계수를 보였다.
Fig. 8과 Fig. 9는 αpitch = 3° 와 αpitch = 6° 일 때의 TSR에 따른 입구유속별 수치해석 결과이다. αpitch = 0° 일 때와 달 리 TSR = 7에서도 정상적인 출력이 발생하여 운전 가능한 TSR 범위가 보다 넓음을 확인하였다.
αpitch = 3° 와 αpitch = 6° 성능곡선을 비교하였을 때, 출력 및 출력계수는 큰 차이를 보이지 않았다. αpitch = 0° 와 마찬 가지로 모든 유속조건에서 TSR = 4에서 가장 높은 출력 및 출력계수를 보였으며, U = 1.5 m/s, αpitch = 3°, TSR = 4에서 출 력 약 85 W, 출력계수 약 0.30으로 모든 케이스들 중 가장 높 은 출력과 출력계수를 보였다.
3.2 유동장 분석
Fig. 10은 U = 1.5 m/s, TSR = 4에서의 러너 블레이드 각도 별 표면 압력분포이며, Fig. 11은 각도별 러너 블레이드의 35 %, 55 %, 75 %, 95 % 단면에서의 유선분포를 나타낸 것이 다. αpitch 가 증가함에 따라 부압면의 블레이드 끝단 전연부 에서 발생하는 저압부 영역이 점차 발달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 유체에 의해 러너 블레이드에 작용하는 힘이 점차 증가한다는 것을 의미한다. Fig. 7 ~ Fig. 9의 성능곡선과 비교하였을 때, αpitch 가 증가하여 블레이드에 작용하는 힘 이 일정 이상보다 계속 증가하더라도 수차의 출력 및 출력 계수는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그리고 압력면에서 보 이는 저압부는 Fig. 11에서 나타낸 유선분포에서 확인할 수 있듯이 러너 블레이드의 비틀림 각에 의해 발생한 것으로 보이며, 차후 이를 변경하여 유동장을 개선할 수 있을 것으 로 판단된다.
Fig. 12는 U = 1.5 m/s, αpitch = 3° 인 경우의 러너블레이드 75 % 단면에서의 주속비별 압력계수곡선이며, Fig. 13은 U = 1.5 m/s, αpitch = 3°, TSR = 4에서의 블레이드 단면별 압력계 수곡선이다. 압력계수는 수치해석결과에서 얻은 압력값과 식(2)를 사용하여 계산하였다(Nam et al., 2007). 두 압력계수 곡선에서도 Fig. 9에서 확인한 블레이드 압력면의 저압부가 발생함을 확인할 수 있다. 또한, 출력이 급격히 감소하는 TSR = 7에서의 압력면 저압부가 부압면의 압력보다 더 낮아 짐을 확인할 수 있다.
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CPress : Pressure coefficient [-]
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Ps : Static pressure on blade surface [Pa]
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P∞ : Total pressure at runner outlet [Pa]
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ρ : Density [kg/m3]
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U : Inflow velocity [m/s]
4. 결 론
본 연구에서는 휴대용 수평축 수차에 대한 유속, 주속비 그리고 러너 블레이드 각도 변화에 따른 성능해석을 수행하 였으며, 이를 통해 아래와 같은 결론을 도출하였다.
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1) 수치해석 케이스 중 TSR = 4인 경우, 가장 높은 성능을 보였으며, 설계 유속 이하의 일부 조건에서도 설계 출 력인 30 W 이상의 출력을 보였다.
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2) 수치해석 케이스 중 가장 높은 출력과 출력계수는 U = 1.5 m/s, αpitch = 3°, TSR = 4에서 보였으며, 출력 약 85 W, 출력계수 약 0.30이였다.
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3) 유동장 분석을 통해 러너 블레이드 압력면에서 발생하 는 저압부는 비틀림 각을 변경하여 개선할 수 있을 것 으로 판단된다.
추후 휴대용 수평축 수차의 성능시험을 통해 수치해석에 대한 결과 검증을 진행하고, 장치의 구조적 안정성에 대한 분석 및 최적화를 통해 보다 성능을 향상시켜야 할 것이다.
