형태 변형이 기능적 특성에 미치는 영향에 관한 연구 - 갈매기 날개에서 생체 영감을 받은 수직축 풍력발전 블레이드 중심으로 - (Study on the Impact of Morphological Changes on Functional Characteristics - Focusing on Vertically Axis Wind Turbine Blades Inspired by Seagull Wings -)

서지정보

· 발행기관 : 한국디자인트렌드학회
· 수록지 정보 : 한국디자인포럼 / 30권 / 1호 / 7 ~ 16페이지
· 저자명 : 임준빈

초록

연구배경 재생에너지로 전력망 분산을 통해 전력 불안의 해소 방안으로 중요성이 커지고 있다. 수직축 풍력 발전은 건설이 간단하고 유지 비용이 낮으며, 다양한 풍향에서도 작동되고 소음이 적어 도심에서도 유리하다. 그러나 낮은 효율성으로 충분히 활용되지 못하고 있어, 블레이드 형상의 효율성 향상이 필요하다. 신칸센 열차 디자인과 혹등고래 블레이드 디자인처럼, 자연에서 영감을 얻은 생체모방 디자인이 효율적인 해법이 될 수 있다. 본 연구는 생체모방과 영감을 통해 소형 풍력 발전 블레이드의 최적 형상을 찾는 것을 목표로 한다.
연구방법 다양한 블레이드 형상을 3D 프린트하여 성능 비교 실험하였다. 여러 사례를 통한 귀납적 추론으로 연구하였다. 실험에 사용된 블레이드는 NACA 1100 프로파일을 기본으로 하여 이를 후퇴각과 상반각으로 단계적으로 변형하여 비교 실험하였다.
연구결과 NACA 0011 프로파일을 기본으로 하는 직사각형 블레이드는 풍속을 초과하는 데 110초가 걸린 반면, 후퇴각 타입은 80초, 그리고 상반각 타입은 70초 만에 초과하는 것으로 확인되었다. 따라서 갈매기 날개로부터 영감받은 블레이드의 변형이 회전 속도가 빠르게 상승하고, 비교된 블레이드 중 가장 효율이 높은 것을 확인하였다.
결론 실험을 통해 갈매기로부터 생체 영감을 받은 상반각 블레이드가 가장 효율적인 것을 확인할 수 있었다. 그러나 여전히 풍속까지 도달하는 데는 70초라는 시간이 걸렸으며, 자가 기동의 어려움을 확인하였다. 따라서 이를 위한 해결 방안 모색의 추가적 연구가 필요하다.

영어초록

Background Renewable energy is becoming increasingly important as a solution to alleviate power instability through the decentralization of power grids. Vertical axis wind turbines are advantageous in urban areas due to their simple construction, low maintenance costs, ability to operate in various wind directions, and low noise levels. However, they have not been fully utilized due to low efficiency, necessitating improvements in blade design. Biomimicry, which draws inspiration from nature as seen in the designs of Shinkansen trains and humpback whale blades, can be an effective solution. This study aims to find the optimal shape for small wind turbine blades through biomimicry and inspiration from nature.
Methods This study conducted a performance comparison experiment by 3D printing various blade shapes. It has been studied by inductive reasoning through several cases. The blades used in the experiment were based on the NACA0011 profile, and the comparison experiment was conducted by gradually transforming them into the sweet back angle type and the dihedral angle type.
Result It was observed that while the rectangular blade based on the NACA0011 profile took 110 seconds to exceed the wind speed, the swept-back type took 80 seconds, and the dihedral angle type took only 70 seconds. Therefore, it was confirmed that the modifications inspired by seagull wings resulted in faster rotational speed increases, making it the most efficient among the compared blades.
Conclusion This experiment confirmed that the dihedral angle type blade, inspired by seagull wings, was the most efficient. However, it still took 70 seconds to reach the required wind speed, indicating difficulties with self-starting. Therefore, additional research is needed to explore solutions for this issue.

참고자료

· 없음