In the present study, numerical study to improve the performance of HAWT rotor blades has been carried out using an aerodynamic shape optimization. In order to predict the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, a coupled CFD-CSD method was adopted. Through the flow analysis of wind turbine rotor blades, the present results were compared with the experimental data and those of other researchers. Aerodynamic shape optimizations for the NREL Phase VI and the NREL 5MW reference rotor blades were carried out. Artificial neural networks and genetic algorithms were used to obtain optimized shapes. Before and after the aerodynamic shape optimization, the aerodynamic performance of the wind turbine rotor blade was compared, and, as a result, it was found out that the annual energy production of the wind turbine rotor blades was increased with shape optimization. The wind turbines are in operation for about 20 years, and the performance of the wind turbines can be improved by controlling flow separation region in the wind turbine rotor blades. In the mostly wind turbine rotor blades, the flow separation occurs near the root area of the blades, and vortex generators are the most widely used among various flow control devices. In addition, since the wind turbines continuously operate by being exposed to the surrounding environment, the surface roughness of the wind turbine is changed by dust, insect, erosion, and etc., resulting in deterioration of the aerodynamic performance of the wind turbine and increase in the flow separation region. Therefore, the numerical studies on the performance improvement by vortex generators were carried out considering the effect of the surface roughness of the wind turbine blade. To validate the flow solver for roughness amplification model, numerical calculations for NACA $63_3-418$ were performed, and the transition location and the aerodynamic performance were compared with the experimental data and those of other researchers. In addition, numerical simulations for DU 30 airfoil were conducted by installing vortex generators. The results were compared with the experimental data. Numerical computations for the NREL 5MW rotor blade were performed in consideration of the surface roughness, confirming the increase in the flow separation region and the degradation of the performance. Based on this, counter -rotating vortex generators used in the DTU 10MW wind turbine were installed in the flow separation region of the NREL 5MW rotor blade. It was confirmed that the flow separation was delayed by strong vortices generated by the counter-rotating vortex generators, and the performance of the NREL 5MW rotor blade was enhanced. Additionally, optimization was performed according to the arrangement and shape of the vortex generators installed in the NREL 5MW rotor blade, and it was found that the optimized arrangement and shape of vortex generators have better performance than the original arrangement and shape of vortex generators. As a result, when the optimized vortex generators were installed in the NREL 5MW rotor blade, it was confirmed that the annual energy production was further increased. In this study, numerical studies on the performance enhancement of the wind turbines have been carried out, and it is expected to be useful as an analysis tool for design of the wind turbine rotor blades and flow separation control.
본 연구에서는 공력 형상 최적화를 이용한 수평축 풍력터빈 로터 블레이드 성능 향상에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 풍력터빈 로터 블레이드의 성능을 예측하기 위해, CFD-CSD 연계기법이 적용되었으며, 풍력터빈 로터 블레이드 유동해석을 통해 얻은 해석 결과를 실험값 및 타 연구자의 결과와 비교하였다. NREL Phase VI 풍력터빈과 NREL 5MW 풍력터빈에 대해 공력 형상 최적설계를 수행하였으며, 최적화 형상을 도출하기 위해 인공 신경망과 유전 알고리즘을 적용하였다. 공력 형상 최적설계 전후 풍력터빈 로터 블레이드의 성능 변화를 비교 하였으며, 풍력터빈 로터 블레이드의 연간 에너지 생산량이 증가하는 것을 확인하였다. 풍력터빈은 약 20년동안 작동하며, 풍력터빈 로터 블레이드에서 발생하는 유동 박리 영역을 제어함으로써, 풍력터빈의 성능을 향상시킬 수 있다. 유동 박리는 블레이드의 뿌리 부근에서 발생하며, 다양한 유동 박리 제어 장치 중 와류 발생기가 가장 널리 사용되고 있다. 또한, 풍력터빈 블레이드는 주위 환경에 지속적으로 노출되어 작동하므로, 먼지, 곤충 등에 의해 표면 거칠기가 변화하게 되며, 이로 인해 블레이드의 유동 박리 영역이 증가하게 되어, 성능이 저하된다. 따라서, 풍력터빈 로터 블레이드에 대해 표면 거칠기를 고려하여, 와류 발생기에 의한 풍력터빈 로터 블레이드 성능 향상에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 표면 거칠기 모델을 검증하기 위해 NACA $63_3-418$ 에어포일 유동해석을 수행하였으며, 이에 따른 천이 위치 및 성능 변화를 실험값 및 타 연구자의 결과와 비교하였다. DU 30 에어포일에 와류 발생기를 설치하여 유동해석을 수행하였으며, 유동해석 결과를 실험값과 비교하였다. 표면 거칠기를 고려하여 NREL 5MW 풍력터빈 유동해석을 수행하여, 유동 박리 영역의 증가 및 성능 저하를 확인하였다. 이를 바탕으로 유동 박리가 발생하는 NREL 5MW 풍력터빈의 뿌리 부근에 DTU 10MW 풍력터빈에 사용되는 역회전 와류 발생기를 설치하였다. 와류 발생기에 의해 강한 와류가 생성되어, 유동 박리가 지연되어, 성능이 향상됨을 확인하였다. 또한, NREL 5MW 풍력터빈에 설치되는 와류 발생기의 배열 및 형상에 관한 최적화를 수행하였으며, 기존의 와류 발생기 배열 및 형상보다 우수한 성능을 갖는 와류 발생기 형상 및 배열을 도출하였다. 최적의 와류 발생기 배열 및 형상을 NREL 5MW 풍력터빈에 설치하였을 때 연간 에너지 생산량이 더욱 증가함을 확인하였다. 본 연구에서는 풍력터빈의 성능 향상에 관한 수치적 연구를 수행하였으며, 적용된 해석자는 풍력터빈 블레이드의 설계 및 유동 박리 제어에 관한 분석 도구로써 유용하게 활용될 것이라 판단된다.
