수직축 풍력 터빈

수직축 풍력 터빈(VAWT)은 주 로터 샤프트가 바람에 대해 횡방향으로 설정되는 풍력 터빈의 한 종류이며, 주 구성 요소는 터빈의 밑면에 위치합니다.이렇게 하면 제너레이터와 변속기를 지면에 가깝게 배치하여 서비스와 수리를 용이하게 할 수 있습니다.VAWT는 바람을 ^[1][2]가리킬 필요가 없으므로 바람 감지 및 방향 메커니즘이 필요하지 않다.초기 설계(Savonius, Darrieus 및 giromill)의 주요 단점으로는 각 회전 시 상당한 토크 리플과 블레이드의 큰 휨 모멘트가 있었습니다.이후 설계에서는 블레이드를 나선형으로 쓸어내림으로써 토크 리플을 해결했습니다(Gorlov 유형).^[3]Savonius 수직 축 풍력 터빈(VAWT)은 널리 보급되어 있지 않지만, 소형 수평 축 풍력 터빈(HAWT)에 비해 교란된 흐름장에서 단순성과 성능이 뛰어나 도시 ^[4]환경에서 분산 발전 장치를 위한 좋은 대안이 된다.

수직축 풍력 터빈은 그 축이 풍선에 수직이고 지면에 수직이다.이 옵션을 포함하는 보다 일반적인 용어는 "횡축 풍력 터빈" 또는 "횡류 풍력 터빈"입니다.예를 들어 원본 Darrieus 특허인 US 특허 1835018에는 두 가지 옵션이 모두 포함되어 있습니다.

Savonius 로터와 같은 드래그형 VAWT는 일반적으로 Darrieus 로터 및 사이클로터빈과 같은 리프트 기반 VAWT보다 낮은 팁 속도 비율로 작동합니다.

컴퓨터 모델링에 따르면 수직 축 풍력 터빈을 사용하여 건설된 풍력발전소는 난류를 ^[5][6]덜 발생시키기 때문에 기존 수평 축 풍력 터빈보다 15% 더 효율적이다.

일반 공기역학

Darrieus 터빈에서 작용하는 힘과 속도는 그림 1에 나와 있습니다.결과 속도 벡터 $W{\displaystyle \stackrel{}{}}$ $→$ {\$displaystyle {W}}$은$($는) 방해받지 않은 상류 공기 속도 $U{\displaystyle \stackrel{}{}}$ $→$ {\$displaystyle$ {$U$$\}\}$과(와) ${\displaystyle 전진}$하는 블레이드의 속도 벡터${\displaystyle }$- ${\displaystyle -${\$vec$$배$ {$CR}}$

$({displaystyle {W}}=vec {U}}+\left(-{\vec {Omega}}})×{vec {R}}\오른쪽)$

따라서 다가오는 유체 속도는 각 사이클 동안 변화합니다.최대 속도는 ${\displaystyle \mathrm{\theta }}$ ${\displaystyle =}$ 0 ${\$ {{\$displaystyle \theta$$=$ $0{\display$}}에$$ 대해 $구하며{\displaystyle }$, ${\displaystyle \mathrm{최소}}$ 속도는$display$= 180 style ${\$$displaystyle$ \$theta$ = 180${\$display$\}\}$에 대해 구합니다. $여기$서 ${\$ {\$displaystyle$ \$theta }$는 방위각 또는 궤도 블레이드 위치입니다.공격 $각도α$는 다가오는 공기 속도 W와 블레이드의 코드 사이의 각도입니다$.$그 결과, 에어플로우는 머신의 업스트림존에 있는 블레이드에 대해 다양한 양의 공격 각도를 형성하고 머신의 다운스트림존에 있는 신호를 스위칭합니다.

이는 첨부된 그림에서 볼 수 있는 각 속도의 기하학적 고려 사항에서 다음과 같이 나타난다.

${\displaystyle V_{t}=R\Omega +U\cos(\theta)}$

또, 다음과 같이 합니다.

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta)}$

접선 성분과 정규 성분의 결과로 상대 속도를 해결하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

${{displaystyle W=sqrt {V_{t}^2}+V_{n}^2}}}$ ^[7]

따라서, 상기와 팁 속도비 $\theta {\displaystyle }$ $=$ (${\displaystyle \theta }$R${\displaystyle }$) /$$ {\$displaystyle \lambda$ =(\$Omega$ R$)/U}$에 대한 정의를 결합하면 결과 속도에 대해 다음과 같은 식을 얻을 수 있습니다.

$(\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\sqda \cos \theta +\sqda ^{2}}})$ ^[8]

공격 각도는 다음과 같이 해결됩니다.

${\displaystyle \alpha =\tan^{-1}\leftfrac {V_{n}}{V_{t}}\right}}$

위의 산출량을 대입하면 다음과 같습니다.

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\leftfrac\frac {\cos \theta +\csda }\right}$^[9]

결과적으로 발생하는 공기역학적 힘은 리프트(L) - 드래그(D) 구성 요소 또는 일반(N) - 접선(T) 구성 요소로 분해됩니다.힘은 1/4 좌표 지점에서 작용하는 것으로 간주되며, 공기역학적 힘을 해결하기 위해 투구 모멘트가 결정됩니다.항공 용어 리프트 및 드래그란 접근하는 순 상대 기류를 가로지르는 힘(양력)과 따라가는 힘(드래그)을 말합니다.접선력은 블레이드의 속도를 따라 작용하여 블레이드를 이리저리 당기고, 일반 힘은 축 베어링을 밀면서 방사상으로 작용합니다.리프트와 항력은 동적 스톨, 경계층 등과 같은 블레이드 주변의 공기역학적 힘을 다룰 때 유용합니다.; 글로벌 성능, 피로 부하 등을 다룰 때는 표준 접선 프레임이 더 편리합니다.리프트와 항력 계수는 일반적으로 상대 기류의 동적 압력에 의해 정규화되며, 정규 및 접선 계수는 일반적으로 방해받지 않는 상류 유체 속도의 동적 압력에 의해 정규화된다.

${\displaystyle C_{L}=flac {F_{L}}{1}/{2}\;\rho AW^{2}}{\text{}}, {\text{}, {\text{}}=flac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{text}}, {text}, {text}.T}=sqfrac {T}{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{}}};{\text{}}};{\text{}}}=sqfrac {N}{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}}}}.$

A = 블레이드 영역(날개 높이/로터 직경의 배율과 동일한 스윕 영역과 혼동하지 말 것), R = 터빈의 반지름

풍력 터빈에 의해 흡수될 수 있는 전력량 P:

${\displaystyle P=pic {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 Cp$(\$ C_${p})$는 동력계수,$\rho {\displaystyle }$(\$displaystyle \rho)$는 공기밀도, $(\displaystyle$ A$)$는 $터빈$의 스윕 영역, ${\(\displaystyle$ \$nu)$은 ^[10]풍속입니다.

이점

VAWT는 기존의 수평 축 풍력 터빈(HAWT)에 비해 많은 이점을 제공합니다.

• 전방위 VAWT는 바람을 추적할 필요가 없습니다.즉, 로터를 요잉하고 블레이드를 ^[11]피칭하기 위해 복잡한 메커니즘과 모터가 필요하지 않습니다.
• 기어박스 교체 및 유지보수는 작업자가 수백 피트 상공에서 작업할 필요 없이 지상 레벨에서 기어박스에 접근할 수 있기 때문에 더욱 간편하고 효율적입니다.모터 및 기어박스 고장은 일반적으로 작동 및 유지보수에 대한 중요한 고려사항입니다.
• 일부 설계에서는 나사 말뚝 기초를 사용할 수 있으므로 콘크리트 도로 운송 및 탄소 설치 비용을 절감할 수 있습니다.나사 말뚝은 수명이 다하면 완전히 재활용할 수 있습니다.
• VAWT는 기존 HAWT 아래의 HAWT 풍력 발전소에 설치할 수 있어 출력을 ^[12]보충할 수 있습니다.
• VAWT는 HAWT에 적합하지 않은 조건에서 작동할 수 있습니다.예를 들어, Savonius 로터는 가장 '비효율적인' 드래그 타입의 VAWT임에도 불구하고 불규칙하고 느린 바람의 지면 레벨 컨텍스트에서 작동할 수 있으며 원격 또는 무인 위치에서 자주 사용된다.
• HAWT에 비해 노이즈가 감소.
• 새들에게는 위험하지 않다.

단점들

VAWT는 공격 각도가 ^[13][14][15]급속히 변화하기 때문에 블레이드의 동적 정지 현상을 자주 겪습니다.

VAWT의 블레이드는 각 회전 동안 가해지는 힘의 변동이 크기 때문에 피로하기 쉽습니다.이는 복합 재료의 사용과 설계의 개선을^{[citation needed]} 통해 극복할 수 있습니다(분산기 날개 연결부에 정적 하중을 가하는 공기역학 날개 팁의 사용 포함).수직 방향의 블레이드는 회전할 때마다 비틀리거나 구부러질 수 있어 사용 수명을 단축할 수 있습니다.

드래그 타입을 제외하고, VAWT는 ^[16]HAWT보다 신뢰성이 낮은 것으로 입증되었지만, 현대 설계는 많은 초기 ^[17][18]문제를 극복했다.

조사.

2021년 연구에서는 VAWT가 동등한 HAWT 설비를 15% 능가할 수 있는 VAWT 구성을 시뮬레이션했다.11,500시간의 시뮬레이션에서는 부분적으로 그리드 형성을 사용하여 효율성이 향상되었음을 입증했다.한 가지 효과는 효율성을 낮추는 그리드 배열 HAWT로 인한 다운스트림 난류를 방지하는 것입니다.다른 최적화에는 어레이 각도, 회전 방향, 터빈 간격, 로터 ^[19]수 등이 포함됩니다.

적용들

개인(가정 또는 사무실)을 위한 소형 VAWT인 Windspire는 2000년대 초 미국 기업인 Mariah Power에 의해 개발되었습니다.2008년 ^[20]6월까지 미국 전역에 여러 대의 유닛이 설치되었다고 보고했습니다.

Ann-Arbor(미국 Michigan)에 본사를 둔 Arborwind사는 특허받은 소형 VAWT를 생산하고 있으며 2013년 ^[21]현재 미국 여러 곳에 설치되어 있습니다.

2011년 Sandia National Laboratories 풍력 에너지 연구자는 연안 풍력 ^[22]발전소에 VAWT 설계 기술을 적용하는 5년간의 연구를 시작했다.연구진은 다음과 같이 말했다. "해상 풍력의 경제성은 설치 및 운영상의 어려움으로 인해 육상 기반 터빈과 다르다.VAWT는 풍력 에너지 비용을 절감할 수 있는 세 가지 큰 이점을 제공합니다. 터빈 무게 중심 감소, 기계 복잡성 감소, 그리고 매우 큰 크기에 대한 확장성 향상입니다.무게중심이 낮다는 것은 부유 안정성이 향상되고 중력 피로 하중이 낮다는 것을 의미한다.또한 VAWT의 드라이브트레인이 표면 또는 표면 가까이에 있으므로 유지보수가 쉽고 시간이 적게 소요됩니다.부품 수 감소, 피로 부하 감소, 유지보수가 모두 유지 보수 비용 절감으로 이어집니다."

캘리포니아 남부에는 2010년대 초 캘리포니아 공대 존 다비리 교수에 의해 24개 유닛의 VAWT 시범 플롯이 설치되었다.그는 2013년 알래스카의 ^[23]이지우기그 마을에 설치된 10대 발전 농장을 설계했다.

둘라스 앤글시는 2014년 3월 포트 탈봇 워터사이드 방파제에 VAWT 시제품을 설치할 수 있는 허가를 받았다.이 터빈은 웨일스에 본사를 둔 C-FEC(스완지)^[24]가 공급하는 새로운 설계로 2년간 ^[25]시범 운영될 예정이다.이 VAWT는 ^[24]위에서 설명한 "계란 비터" 유형의 VAWT와 달리, 전진하는 날개로부터 바람을 차단하는 윈드 실드를 통합하므로 풍향 센서와 위치 결정 메커니즘이 필요하다.

어스십 하우스 설계로 유명한 건축가 마이클 레이놀즈는 "다이나스피어"라는 이름의 4세대 수직 축 풍력 터빈을 개발했습니다.1.5kW 발전기가 두 개 있고 매우 낮은 ^[26]속도로 전기를 생산할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 파격적인 풍력 터빈
• 크로스 플로우 팬

레퍼런스

외부 링크

• 오늘의 셀러 이미지 VAWT가 바람을 가로지르지만 축이 수평인 것을 보여주지만 이 때문에 기계를 HAWT라고 부를 수 없습니다.