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수치 최적화 기법을 이용한 풍력 터빈 블레이드 단면의 공력 최적 설계 = Aerodynamic sectional design optimization for wind turbine rotor blades by a numerical optimization technique
서명 / 저자 수치 최적화 기법을 이용한 풍력 터빈 블레이드 단면의 공력 최적 설계 = Aerodynamic sectional design optimization for wind turbine rotor blades by a numerical optimization technique / 권형일.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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As contribution of wind turbine rotor blade to total energy loss of wind turbine system is the largest, aerodynamic design optimization for wind turbine rotor blade should be considered for high-efficiency wind turbine system. In this study, sectional optimization framework of which the objective is maximization of lift over drag ratio was constructed for enhancing the aerodynamic performance of wind turbine rotor blade. In that framework, numerical optimization algorithm and two-dimensional computational fluid dynamics(CFD) were involved. Compared to blade element momentum theory(BEMT or BEM), the feature of flow around rotor blade could be estimated accurately by CFD analysis. Gradient based numerical optimization algorithmm: Modifed Feasible Directions Algorithm(MFDA) was implemented for efficient searching to the optimal point. Also PARSEC shape function was included for unrestricted shape variation during sectional design process. After the sectional design optimization process, three-dimensional CFD analysis was performed for validation to the results. Proposed sectional design optimization framework was applied to NREL Phase VI rotor blade and NREL 5MW class wind turbine rotor blade. Improvement of torque coefficient which could affect to wind turbine system efficiency between the optimized and baseline blade are 10.6% and 9.4% respectively.

풍력 발전기의 시스템의 고효율화를 위해서는 시스템의 에너지 손실에 가장 큰 영향을 미치는 로터 블레이드의 공력 성능의 고성능화가 필요하다. 본 연구에서는 양항비를 최대로 하는 단면최적설계 프레임워크를 이용하여 풍력 터빈용 로터 블레이드의 공력 성능을 향상 시킬 방안을 모색하였다. 단면최적설계 프레임워크는 유동의 지배 방정식인 2차원 Navier- Stokes방정식 해석 CFD 프로그램과 수치 최적화 알고리즘으로 이루어져있다. 간접적인 해석 방식인 BEMT에 비해 CFD 해석은 비교적 정확하게 공력 성능을 예측할 수 있는 장점이 있다. 수치 최적화 알고리즘으로는 구배율 기반의 알고리즘인 수정유효방향 탐색 기법을 이용하여 쉽고 빠르게 최적점을 탐색하였다. 또한 설계 중 형상의 제약 없는 변화를 허용하기 위해 PARSEC 형상 함수를 이용하였다. 최적 설계 이후의 결정된 형상에 대해 3차원 N-S 유동 해석을 재차 수행하여 성능 검증을 살펴보았다. 본 연구에서 제안한 단면최적설계 프레임워크는 NREL Phase VI 로터 블레이드와 NREL 5MW급 로터 블레이드에 적용되었으며, 최적화 결과, 토크 성능을 기준으로 각각 약 11%, 9%의 성능 향상을 만들어냈다.

서지기타정보

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청구기호 {MAE 11001
형태사항 vi, 72 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hyung-Il Kwon
지도교수의 한글표기 : 권오준
지도교수의 영문표기 : Oh-Joon Kwon
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 68-70
주제 풍력발전시스템
로터 블레이드
공력 최적 설계
전산유체역학
수치 최적화 알고리즘
Wind Turbine System
Rotor Blade
Aerodynamic Optimization
CFD
Numerical Optimization Algorithm
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