수면부근에서 파의 수평운동이 파의 상하운동보다 행정거리가 긴 점을 이용하여, 파의 수평왕복운동을 클러치 베어링 세트, 파력판 및 부력탱크 등을 적절히 조합하여 직접 파에너지를 ...
파의 수평운동을 이용한 가동물체형 파력발전장치의 개발
황 성 수
전남대학교대학원 해양공학과 (지도교수 : 박일흠)
(국문초록)
수면부근에서 파의 수평운동이 파의 상하운동보다 행정거리가 긴 점을 이용하여, 파의 수평왕복운동을 클러치 베어링 세트, 파력판 및 부력탱크 등을 적절히 조합하여 직접 파에너지를 전기에너지로 변환시키는 파력발전장치가 개발되었다. 이때 파의 수평왕복운동을 지속적인 일방향 회전운동으로 유도하여, 발전기의 가동에 있어 기계적인 손실에너지를 획기적으로 감소시켜 발전효율을 극대화시켰다. 개발된 파력발전장치는 기계모형과 수조모형으로 제작되었으며, 이 모형들로부터 실증실험을 한 결과는 다음과 같다. 첫째, 기계모형실험에서 평균교류발전효율은 기어비 1단에서 13.0%, 2단 14.1%, 3단 14.1%, 4단 14.5%, 5단 16.4%, 6단 16.8%, 7단 15.8%, 8단 16.6%, 그리고 9단 13.4%이었다. 평균직류발전효율은 기어비 1단에서 0.8%, 2단 2.8%, 3단 2.5%, 4단 3.9%, 5단 8.2%, 6단 9.3%, 7단 9.1%, 8단 14.0%, 그리고 9단 14.8%로 계측되었다. 평균교류발전효율의 경우 기어비 2~8단, 평균직류발전효율의 경우 기어비 8~9단에서 14%를 상회하는 발전효율을 얻을 수 있었다. 둘째, 기계모형에 대한 본드 선도 모델링의 수치해는 실험값이 저단일 경우 일치하거나 비슷한 출력값을 나타냈으나 고단일 경우는 실험장치의 기계적 부하로 인해 실험값이 수치해보다 낮은 출력값을 나타냈다. 셋째, 수리모형실험에서의 입사파 조건에 따른 평균직류발전효율은 수심 90cm에서 기어비 2단 3.9%, 3단 4.9%, 4단 4.9%, 5단 12%, 6단 10.0%, 7단 3.1%, 그리고 8단 3.0%를 나타냈으며, 수심 80cm인 경우 기어비 5단에서 15%의 발전효율이 계측되었다. 기어비 5단인 경우 수심 90cm에서 발전효율 12%, 그리고 수심 80cm에서 15%이므로 평균 13.5%의 발전효율을 얻을 수 있었다. 넷째, 파력발전장치의 외력에 대한 안정성 확보를 위한 파압수리모형실험에서 기존의 고정벽면에 대한 Sainflou 공식을 적용할 경우 파의 수평운동에 따라 좌우운동하는 파력판에 작용하는 파압이 모든 수리실험 Case에서 만족할 만하였다. 따라서 구조물의 설계 시 이를 반영하여 사용한다면 구조물의 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. CFD를 통한 파압실험과 수리모형실험에서의 파압을 비교한 결과, 모든 경우 파압의 위상과 고정된 위치에서 파압의 크기는 잘 재현되었지만, 움직이는 파력판에서의 결과는 CFD가 다소 과소평가되었다. 본 연구에서 검토된 내용은 국내외에서 연구되지 않은 기술로 향후 이러한 발전방식의 파력발전장치의 개발에 중요한 핵심기술로 축척되어 경쟁력 있는 자료로 이용 될 수 있으며, 기계모형 및 수리모형실험에 의한 파력발전장치의 최적화에 관한 금번의 연구는 추후 실해역에 실규모 장치의 설계, 제작 및 설치를 위한 원천기술이 될 것으로 기대된다.
파의 수평운동을 이용한 가동물체형 파력발전장치의 개발
황 성 수
전남대학교대학원 해양공학과 (지도교수 : 박일흠)
(국문초록)
수면부근에서 파의 수평운동이 파의 상하운동보다 행정거리가 긴 점을 이용하여, 파의 수평왕복운동을 클러치 베어링 세트, 파력판 및 부력탱크 등을 적절히 조합하여 직접 파에너지를 전기에너지로 변환시키는 파력발전장치가 개발되었다. 이때 파의 수평왕복운동을 지속적인 일방향 회전운동으로 유도하여, 발전기의 가동에 있어 기계적인 손실에너지를 획기적으로 감소시켜 발전효율을 극대화시켰다. 개발된 파력발전장치는 기계모형과 수조모형으로 제작되었으며, 이 모형들로부터 실증실험을 한 결과는 다음과 같다. 첫째, 기계모형실험에서 평균교류발전효율은 기어비 1단에서 13.0%, 2단 14.1%, 3단 14.1%, 4단 14.5%, 5단 16.4%, 6단 16.8%, 7단 15.8%, 8단 16.6%, 그리고 9단 13.4%이었다. 평균직류발전효율은 기어비 1단에서 0.8%, 2단 2.8%, 3단 2.5%, 4단 3.9%, 5단 8.2%, 6단 9.3%, 7단 9.1%, 8단 14.0%, 그리고 9단 14.8%로 계측되었다. 평균교류발전효율의 경우 기어비 2~8단, 평균직류발전효율의 경우 기어비 8~9단에서 14%를 상회하는 발전효율을 얻을 수 있었다. 둘째, 기계모형에 대한 본드 선도 모델링의 수치해는 실험값이 저단일 경우 일치하거나 비슷한 출력값을 나타냈으나 고단일 경우는 실험장치의 기계적 부하로 인해 실험값이 수치해보다 낮은 출력값을 나타냈다. 셋째, 수리모형실험에서의 입사파 조건에 따른 평균직류발전효율은 수심 90cm에서 기어비 2단 3.9%, 3단 4.9%, 4단 4.9%, 5단 12%, 6단 10.0%, 7단 3.1%, 그리고 8단 3.0%를 나타냈으며, 수심 80cm인 경우 기어비 5단에서 15%의 발전효율이 계측되었다. 기어비 5단인 경우 수심 90cm에서 발전효율 12%, 그리고 수심 80cm에서 15%이므로 평균 13.5%의 발전효율을 얻을 수 있었다. 넷째, 파력발전장치의 외력에 대한 안정성 확보를 위한 파압수리모형실험에서 기존의 고정벽면에 대한 Sainflou 공식을 적용할 경우 파의 수평운동에 따라 좌우운동하는 파력판에 작용하는 파압이 모든 수리실험 Case에서 만족할 만하였다. 따라서 구조물의 설계 시 이를 반영하여 사용한다면 구조물의 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. CFD를 통한 파압실험과 수리모형실험에서의 파압을 비교한 결과, 모든 경우 파압의 위상과 고정된 위치에서 파압의 크기는 잘 재현되었지만, 움직이는 파력판에서의 결과는 CFD가 다소 과소평가되었다. 본 연구에서 검토된 내용은 국내외에서 연구되지 않은 기술로 향후 이러한 발전방식의 파력발전장치의 개발에 중요한 핵심기술로 축척되어 경쟁력 있는 자료로 이용 될 수 있으며, 기계모형 및 수리모형실험에 의한 파력발전장치의 최적화에 관한 금번의 연구는 추후 실해역에 실규모 장치의 설계, 제작 및 설치를 위한 원천기술이 될 것으로 기대된다.
Development of Moving Body Type Wave Power Generator Using the Wave Horizontal Motions
Hwang, Seong Su
Department of ocean Engineering Graduate School of Chonnam National University (Directed by Professor Park, Il Heum)
(Abstract)
A apparatus of wave powe...
Development of Moving Body Type Wave Power Generator Using the Wave Horizontal Motions
Hwang, Seong Su
Department of ocean Engineering Graduate School of Chonnam National University (Directed by Professor Park, Il Heum)
(Abstract)
A apparatus of wave power generation was developed and discussed. This apparatus transformed the wave energy into the electric energy by way of the wave horizontal reciprocating movement with clutch bearing sets, a wave power plate, and a buoyancy tank. It is able to get the high efficiency energy using the apparatus because the wave horizontal movement is longer than the wave vertical movement around the water level. In order to verify the efficiency of the apparatus, a machine model and a hydraulic model with the proper similarity were produced and verification experiments were carried out with various wave energy input conditions. Also, to calculate the apparatus stability with the movable wave power plate for extreme external wave forces, a hydraulic experiment and a CFD modelling were conducted. The major results of this study are as follows:
First, The machine model in the air-exposed-environment was tested with a artificial wave generator. The average efficiencies of the AC measurements were 13.0% in the 1st gear, 14.1% in the 2nd gear, 14.1% in the 3rd gear, 14.5% in the 4th gear, 16.4% in the 5th gear, 16.8% in the 6th gear, 15.8% in the 7th gear, 16.6% in the 8th gear, and 13.4% in the 9th gear. And the average efficiencies of the DC were 0.8%, 2.8%, 2.5%, 3.9%, 8.2%, 9.3%, 9.1%, 14.0%, and 14.8%, respectively. Therefore the high efficiency of over 14% was gotten when the machine model was worked at the 2nd to 9th gears of the AC and the 8th to 9th gears of the DC.
Second, in the analysis of a bond graph modeling for energy generation in the machine model, it was found that the model results were coincide with the experimental data in case of the low gears but the model results were underestimated in case of the high gears because of machine system overloads.
Third, the hydraulic model in the water-exposed-environment was tested in a 2-D wave basin as 50m long, 1.3m depth and 1m width. In the experiments for the shape of the buoyant tank, the fixed type had the best efficiency. Therefore, the shape of buoyant tank was decided as the fixed type in the next all tests. When the water depth was 0.9m the average efficiencies of the DC measurements were 3.9% in the 2nd gear, 4.9% in the 3rd gear, 4.9% in the 4th gear, 12.0% in the 5th gear, 10.0% in the 6th gear, 3.1% in the 7th gear, and 3.0% in the 8th gear in the various incident wave conditions. Also, when the water depth was 0.8m, the average efficiencies were 15.0% with 5th gear and various wave conditions. Therefore the high efficiency of over 13% was gotten when the hydraulic model was worked at the 5th gear and 0.8~0.9m water depth.
Fourth, in the wave pressure hydraulic experiments for the stability of the apparatus, the measured pressure data on the movable wave power plate were coincided with the linear wave theory in the small wave steepness cases and the theoretical Sainflou’s formula in the high wave steepness cases. And in the CFD modelling on the movable plate, the numerical results of dynamic pressure at the crest and trough were underestimated with the experimental data and the phase of wave pressure showed a good result. Conclusively, the wave pressure on the movable plate will be properly able to estimate as using the Sainflou’s formula.
Development of Moving Body Type Wave Power Generator Using the Wave Horizontal Motions
Hwang, Seong Su
Department of ocean Engineering Graduate School of Chonnam National University (Directed by Professor Park, Il Heum)
(Abstract)
A apparatus of wave power generation was developed and discussed. This apparatus transformed the wave energy into the electric energy by way of the wave horizontal reciprocating movement with clutch bearing sets, a wave power plate, and a buoyancy tank. It is able to get the high efficiency energy using the apparatus because the wave horizontal movement is longer than the wave vertical movement around the water level. In order to verify the efficiency of the apparatus, a machine model and a hydraulic model with the proper similarity were produced and verification experiments were carried out with various wave energy input conditions. Also, to calculate the apparatus stability with the movable wave power plate for extreme external wave forces, a hydraulic experiment and a CFD modelling were conducted. The major results of this study are as follows:
First, The machine model in the air-exposed-environment was tested with a artificial wave generator. The average efficiencies of the AC measurements were 13.0% in the 1st gear, 14.1% in the 2nd gear, 14.1% in the 3rd gear, 14.5% in the 4th gear, 16.4% in the 5th gear, 16.8% in the 6th gear, 15.8% in the 7th gear, 16.6% in the 8th gear, and 13.4% in the 9th gear. And the average efficiencies of the DC were 0.8%, 2.8%, 2.5%, 3.9%, 8.2%, 9.3%, 9.1%, 14.0%, and 14.8%, respectively. Therefore the high efficiency of over 14% was gotten when the machine model was worked at the 2nd to 9th gears of the AC and the 8th to 9th gears of the DC.
Second, in the analysis of a bond graph modeling for energy generation in the machine model, it was found that the model results were coincide with the experimental data in case of the low gears but the model results were underestimated in case of the high gears because of machine system overloads.
Third, the hydraulic model in the water-exposed-environment was tested in a 2-D wave basin as 50m long, 1.3m depth and 1m width. In the experiments for the shape of the buoyant tank, the fixed type had the best efficiency. Therefore, the shape of buoyant tank was decided as the fixed type in the next all tests. When the water depth was 0.9m the average efficiencies of the DC measurements were 3.9% in the 2nd gear, 4.9% in the 3rd gear, 4.9% in the 4th gear, 12.0% in the 5th gear, 10.0% in the 6th gear, 3.1% in the 7th gear, and 3.0% in the 8th gear in the various incident wave conditions. Also, when the water depth was 0.8m, the average efficiencies were 15.0% with 5th gear and various wave conditions. Therefore the high efficiency of over 13% was gotten when the hydraulic model was worked at the 5th gear and 0.8~0.9m water depth.
Fourth, in the wave pressure hydraulic experiments for the stability of the apparatus, the measured pressure data on the movable wave power plate were coincided with the linear wave theory in the small wave steepness cases and the theoretical Sainflou’s formula in the high wave steepness cases. And in the CFD modelling on the movable plate, the numerical results of dynamic pressure at the crest and trough were underestimated with the experimental data and the phase of wave pressure showed a good result. Conclusively, the wave pressure on the movable plate will be properly able to estimate as using the Sainflou’s formula.
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