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풍력 터빈 날개는 어떤 모양이어야 할까요?
풍력 터빈 날개가 평평하거나 구부러져 있어야 합니다. 바람은 정부가 세금을 부과하기 전까지는 무료 에너지 자원이지만, 바람은 힘과 방향 모두에서 끊임없이 변화하기 때문에 예측할 수 없고 신뢰할 수 없는 에너지 원이기도 합니다.
유용한 양의 전력을 생산하려면 일반적으로 풍력 터빈은 크고 키가 커야 하지만 효율적으로 작동하려면 잘 설계되어 있어야 하므로 비용이 많이 듭니다.
전기 생산을 위해 설계된 대부분의 풍력 터빈은 수평축을 중심으로 회전하는 2~3개의 날개 프로펠러로 구성되어 있습니다.
풍력 터빈 날개 디자인과 같은 이러한 프로펠러는 바람의 에너지를 토크라는 사용 가능한 동력으로 변환합니다. 바람이 날개를 통과할 때 속도를 늦추거나 감속하여 바람에서 에너지를 추출할 수 있습니다.
바람을 감속시키는 힘은 날을 회전시키는 양력과 같으며, 반대로도 작용이 됩니다. 전형적인 풍력 터빈 날개 설계를 보면, 비행기 날개와 마찬가지로 풍력 터빈 날개는 곡선 모양으로 인해 양력을 생성하여 작동합니다.
곡선이 가장 많은 쪽은 낮은 기압을 생성하고 아래의 고압 공기는 날개 모양으로 포일의 다른 쪽을 밀어냅니다. 그리고 터빈 날개 위의 공기 흐름 방향에 수직인 양력이 작용하여 돌게 됩니다.
여기서 적절한 양의 로터 날개 양력을 통한 출력과 최적의 공기 감속을 생성하여 날개 효율성을 향상하는 방식으로 로터 날개를 설계하는 것입니다.
터빈 프로펠러 날개가 너무 느리게 회전하면 너무 많은 바람이 방해받지 않고 통과하여 잠재적으로 가능한 한 많은 에너지를 추출하지 못합니다.
반면에 프로펠러 날개가 너무 빨리 회전하면 바람에 평평한 회전 디스크로 나타나 많은 양의 항력이 발생합니다.
그런 다음 로터 팁 속도 대 풍속의 비율로 정의되는 최적 팁 속도 비율은 로터 날개 형상 프로파일, 터빈 날개 수 및 풍력 터빈 프로펠러 날개 설계 자체에 따라 달라집니다.
따라서 풍력 터빈 날개에 가장 적합한 날개 모양입니다. 일반적으로 풍력 터빈 날개는 최소한의 건설 비용으로 풍력에서 최대 전력을 생성하는 형태입니다.
그러나 풍력 터빈 날개 제조업체는 항상 더 효율적인 날개 설계를 개발하려고 합니다. 풍력 날개 설계의 지속적인 개선으로 더 작고 조용하며 적은 바람으로 더 많은 전력을 생성할 수 있는 새로운 풍력 터빈 설계가 탄생했습니다.
터빈 날개를 약간 구부리면 5~10% 더 많은 풍력 에너지를 포착하고 일반적으로 풍속이 낮은 지역에서 더 효율적으로 작동할 수 있다고 합니다.
그렇다면 풍력 터빈에 가장 많은 양의 에너지를 생산하는 날개 형태는 무엇일까요?
플랫 날개는 가장 오래된 날개 디자인이며 수천 년 동안 풍차에서 사용되어 왔지만 이 평평한 넓은 모양은 다른 유형의 날개 디자인보다 덜 보편화 되었습니다.
납작한 날이 바람을 밀고 바람이 날을 밀어냅니다. 동력을 생성한 후 업 스트로크에서 다시 회전하는 날개가 동력 출력과 반대이기 때문에 결과적으로 회전이 매우 느립니다.
이는 날개가 잘못된 방향으로 움직이는 거대한 패들처럼 작동하여 바람에 대항하여 드래그 기반 로터 날개의 이름을 부여하기 때문입니다.
그러나 플랫 날개 디자인은 다른 날개 디자인과 비교하면 상당한 이점을 제공합니다. 플랫 로터 날개는 합판 또는 금속 시트에서 쉽고 저렴하게 절단할 수 있으므로 날개의 모양과 크기가 일관되게 유지됩니다.
또한, 설계 및 시공 기술이 덜 필요하다는 것을 이해하기 가장 쉽지만, 효율성과 전력 생성 용이성이 매우 낮습니다. 곡선형 날개는 상단에 곡면이 있는 긴 비행기 날개과 매우 유사합니다.
구부러진 날개는 날개의 평평하면 아래에서보다 더 빠르게 날개의 구부러진 상단 위로 공기가 이동하면서 그 주위에 공기가 흐르고, 이는 상단에 더 낮은 압력 영역을 만들어 결과적으로 영향을 받습니다.
움직임을 만드는 공기 역학적 양력. 이러한 양력은 항상 곡선 날개의 윗면에 수직이어서 날개가 중앙 허브를 중심으로 회전하도록 합니다.
바람이 더 빨리 불면 날개에 더 많은 양력이 생성되므로 회전 속도가 빨라집니다.
플랫 날개와 비교하면 곡선형 로터 날개의 장점은 풍력 터빈의 날개 팁이 바람이 움직이는 것보다 빠르게 움직여 더 많은 전력과 더 높은 효율을 생성할 수 있다는 것입니다.
결과적으로 양력 기반 풍력 터빈 날개가 이제 더 보편화하고 있습니다. 그러나 곡선형 날개는 또한 날개의 움직임을 막으려 고하는 길이를 따라 항력이 발생합니다.
항력은 기본적으로 날개 표면에 대한 공기의 마찰입니다. 항력은 수직적이며 날개 표면을 따라 흐르는 공기 흐름과 같은 방향입니다.
그러나 날개를 구부리거나 비틀고 길이를 따라 가늘게 하여 가장 효율적인 풍력 터빈 날개 설계를 생성함으로써 이러한 항력을 줄일 수 있습니다.
다가오는 바람의 방향과 다가오는 바람에 대한 날개 피치 사이의 각도를 "어택 각도"라고 합니다. 공격의 각도가 커질수록, 더 큰 양력이 생성됩니다.
각도가 약 20도보다 더 클수록 날개의 양력을 감소시킬 수 있습니다.
따라서 최상의 회전을 생성하는 로터 날개의 이상적인 피치 각도가 있으며 현대식 풍력 터빈 로터 날개는 실제로 가파른 피치에서 끝의 매우 얕은 피치까지 길이를 따라 꼬아서 설계됩니다.
이런 모양은 중앙보다 회전 날개의 선단 속도가 빠르므로 현대 로터 날개는 10대 사이에서 그 길이에 따라 꼬여 감소하는 기저부로부터 중앙부까지 공기는 뿌리 근처에서 상대적으로 느리게 움직이나, 바깥 부분에서 훨씬 더 빠르게 움직입니다.
이 날개 트위스트는 길이에 따른 공격 각도를 최대화하여 최상의 양력과 회전을 얻습니다.
결론적으로, 풍력 터빈의 로터 날개 길이는 중앙 허브를 중심으로 회전할 때 풍력을 포착할 수 있는 양을 결정하며 풍력 터빈 날개의 공기 역학적 성능은 플랫 날개와 곡선 날개는 서로 매우 다릅니다.
플랫 날개는 저렴하고 만들기 쉽지만, 항력이 높아 느리고 비효율적입니다.
풍력 터빈 날개 효율을 높이려면 로터 날개에 공기 역학적 프로파일이 있어야 터빈을 들어 올리고 회전시킬 수 있지만, 곡선형 에어로 포일 유형 날개는 만들기가 더 어렵지만, 더 나은 성능과 더 높은 회전 속도를 제공하므로 전기 에너지 생성에 이상적입니다.
그러나 풍력 터빈 날개에 가장 적합한 설계를 얻기 위해 꼬인 테이퍼 드 프로펠러 형 로터 날개를 사용하여 공기 역학과 효율성을 더욱 향상할 수 있습니다.
날개를 비틀면 날개를 따라 바람 각도가 변경되고 날개를 길이를 따라 비틀고 가늘게 하는 결합 효과는 공격 각도를 향상하면서 속도를 높이고 항력을 줄입니다.
또한, 테이퍼 날개는 굽힌 응력이 감소하기 때문에 직선 날개보다 강하고 가볍습니다. 풍력 터빈이 기대에 따라 작동하도록 하려면 풍력 터빈 날개 설계가 중요합니다.
풍력 터빈 날개 설계에 사용되는 혁신과 신기술은 여기에서 멈추지 않았습니다. 매일 성능, 효율성 및 전력 출력을 개선하기 위해 새로운 공식과 설계를 고려하고 있기 때문입니다.
여러 가지 날개 모양에 관한 연구가 있지만 가장 기본적인 거에 대해 알아보고 조사하였습니다. 다음에는 좀 더 알기 쉽게 각 날개 모양에 대한 장단점 비교를 해보도록 하겠습니다.