The wind turbine blades should be designed to possess a high stiffness and should be fabricated with a light and high strength material because they serve under extreme combination of lift and drag forces, converting kinetic energy of wind into shaft work. The goal of this study is to understand the basic knowledge required to curtail the process time consumed during the construction of small wind turbine blades using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) prepeg composites. The configuration of turbine rotor was determined using the QBlade freeware program. The fluid dynamics module simulated the loads exerted by the wind of a specific speed, and the stress analysis module predicted the distributions of equivalent von Mises stress for representing the blade structures. It was suggested to modify the shape of test specimen from ASTM D638 to decrease the variance in measured tensile strengths. Then, a series of experiments were performed to confirm that the bladder compression molded CFRP prepreg can provide sufficient strength to small wind turbine blades and decrease the cure time simultaneously.

An icing phenomenon of wind turbine blade are caused by wind speed, air temperature, liquid water content, droplet size, and so on. In this study, the analyses were carried out at a liquid water content of 0.20g/㎥, droplet size of 25 um, wind speed of 11.4m/s and air temperatures of -15, -10, -5℃ using NREL 5MW wind turbine. The software uses FENSAP-ICE's CFD Flow Solver, Drop 3D and ICE 3D. The analysis of icing shape and mass with temperatures according to air foil was derived, and the required heat quantity for de-icing was calculated at NACA 64618 airfoil for air temperature of -15℃. Power curves with wind velocities are suggested for economical analysis.

본 연구에서는 풍력터빈 블레이드에 대한 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 이를 위해서 National Renewable Energy Laboratory(NREL)에서 수행하였으며, 다양한 실험 및 해석결과가 공개된 실물크기 풍력터빈 블레이드인 NREL Phase VI를 해석대상으로 하였다. 상업용 범용 전산유체해석코드인 ANSYS-CFX와 파라매트릭 3D CAD 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 연구결과의 타당성을 검토하였다. 다양한 난류모델에 대한 비교연구를 통하여 Shear Stress Transport(SST) k − ω 난류모델의 정확성을 검증하였으며, 유동의 비정상상태를 최소화하기 위해서 0-각도 요(yaw)각을 고려하였다. NREL Phse VI 풍력터빈 블레이드는 2개의 날개를 가졌으며, 비선형 비틀림각과 선형 테이퍼가 고려되었다. 풍력터빈 블레이드가 주축에 대해서 회전하기 때문에 상대속도는 스팬에 대해서 비선형의 관계를 가진다. 따라서 받음각(angle of attack)을 최소화하기 위해서 비선형 비틀림각이 고려되었다. 해석결과의 3차원 풍력특성을 분석하기 위해서, 각 단면의 압력계수 및 이를 적분하여 풍력계수(수직, 접선, 추력, 회전력)를 계산하였다. 풍력터빈 블레이드의 회전속도는 72 RPM으로 고정한 상태에서 다양한 풍속(5m/s, 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s) 상태를 해석하였다. 해석결과와 풍동실험결과는 모든 풍속에 대해서 근사한 수치를 나타냈으며, 높은 풍속에서의 풍하면 박리현상에 대한 정확한 유동특성을 해석할 수 있었다.