월파형 파력발전구조물의 월파 특성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study of Wave Overtopping Characteristics on the Structure for Wave Overtopping Power Generating System원문보기
연안으로 입사해 들어오는 파랑은 월파형 파랑제어구조물에 의해 증폭, 월파되어 구조물 배후의 유수지에 위치 에너지로 저장될 수 있으며, 수두차의 형태로 저장된 위치에너지는 초저낙차 수차터빈을 통해 전기에너지로 변환될 수 있다. 본 연구는 이와 같은 월파형 파력발전에 있어서 주어진 입사파 조건에 대해 최대 월파 유량을 획득하는 월파형 파랑제어구조물의 최적 형상을 도출하기 위한 실험적 연구이다. 월파형 파랑제어구조물의 형상 도출을 위한 수조 실험은 삼차원 조파 수조에서 이루어졌으며, 평면 파랑 집중 형상을 가진 삼차원 구조물의 형상은 5가지의 종류로 제작되었다. 파랑제어구조물은 신과 홍(2005)에서 제안한 월파형 파랑제어구조물의 이차원 단면 형상을 토대로 수로폭 및 수렴각을 가진 삼차원 형상으로 확장한 것이다. 본 삼차원 월파실험에서는 20개의 입사파 조건과 각각의 파에 대한 $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ}$의 상대 입사각을 부여하여 계측된 월파량을 분석하였다.
연안으로 입사해 들어오는 파랑은 월파형 파랑제어구조물에 의해 증폭, 월파되어 구조물 배후의 유수지에 위치 에너지로 저장될 수 있으며, 수두차의 형태로 저장된 위치에너지는 초저낙차 수차 터빈을 통해 전기에너지로 변환될 수 있다. 본 연구는 이와 같은 월파형 파력발전에 있어서 주어진 입사파 조건에 대해 최대 월파 유량을 획득하는 월파형 파랑제어구조물의 최적 형상을 도출하기 위한 실험적 연구이다. 월파형 파랑제어구조물의 형상 도출을 위한 수조 실험은 삼차원 조파 수조에서 이루어졌으며, 평면 파랑 집중 형상을 가진 삼차원 구조물의 형상은 5가지의 종류로 제작되었다. 파랑제어구조물은 신과 홍(2005)에서 제안한 월파형 파랑제어구조물의 이차원 단면 형상을 토대로 수로폭 및 수렴각을 가진 삼차원 형상으로 확장한 것이다. 본 삼차원 월파실험에서는 20개의 입사파 조건과 각각의 파에 대한 $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ}$의 상대 입사각을 부여하여 계측된 월파량을 분석하였다.
Waves progressing into the coastal area can be amplified, swashed and overtopped by a wave overtopping control structure, and it converts the kinetic energy of the waves to the potential energy with a hydraulic head above the mean sea level by conserving the overflow in a reservoir. Then the potenti...
Waves progressing into the coastal area can be amplified, swashed and overtopped by a wave overtopping control structure, and it converts the kinetic energy of the waves to the potential energy with a hydraulic head above the mean sea level by conserving the overflow in a reservoir. Then the potential energy in the form of hydraulic head can be converted to electric power utilizing extremely low-head hydraulic turbine. This study aims to find the most optimal shape of wave overtopping structure which maximizes overtopping volume rate of sea water. Laboratory experiments for the performance evaluation of wave overtopping control structures were carried out in three dimensional wave tank, and the three dimensional structure models with planar wave concentration shapes(B/b) were manufactured into five classes, which were optimized by cross sectional parameters of the structure, ie, length of ramp(l), gradient of inclined ramp($cot{\phi}$) and freeboard height of the wave overtopping structure($h_e$) proposed by Shin and Hong(2005). The wave overtopping discharges were investigated with 20 incident wave conditions and wave directions of $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ}$.
Waves progressing into the coastal area can be amplified, swashed and overtopped by a wave overtopping control structure, and it converts the kinetic energy of the waves to the potential energy with a hydraulic head above the mean sea level by conserving the overflow in a reservoir. Then the potential energy in the form of hydraulic head can be converted to electric power utilizing extremely low-head hydraulic turbine. This study aims to find the most optimal shape of wave overtopping structure which maximizes overtopping volume rate of sea water. Laboratory experiments for the performance evaluation of wave overtopping control structures were carried out in three dimensional wave tank, and the three dimensional structure models with planar wave concentration shapes(B/b) were manufactured into five classes, which were optimized by cross sectional parameters of the structure, ie, length of ramp(l), gradient of inclined ramp($cot{\phi}$) and freeboard height of the wave overtopping structure($h_e$) proposed by Shin and Hong(2005). The wave overtopping discharges were investigated with 20 incident wave conditions and wave directions of $0^{\circ},\;15^{\circ},\;30^{\circ}$.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
5, 3m의 파랑제어구조물 단면을 설계할 수 있다. 본 실험에서는 이 같은 단면 지배 파라미터를 기본적인 단면 형상으로 하여, 수렴제 효과로 인한 파랑 집중도를 파악하기 위해 다섯 종류의 서로 다른 수로폭비(B/b)를 가진 삼차원 파랑제어 구조물 형상을 제작(1/15 Froude 상사)하여 월파량을 검토하였다.
본 연구에서는 연직방향 형상인자들 만의 효과를 고려하여 최적 설계된 이차원 월파제어조물에 대해 수평방향 형상인자들의 영향을 실험적으로 분석함으로써 연직방향뿐만 아니라 수평방향 파랑집중 효과를 포함하는 삼차원 월파제어 구조물의 최적형상을 도출하고자 하였다.
제안 방법
각각의 실험에서 파의 시계열 자료 및 월파량의 시계열 자료는 20Hz로 조파 개시와 동시에 계측을 시작하여 10분(600초) 동안 기록하도록 하였다. Fig.
수렴제의 각도에 해당한다. 본 실험에서는 Fig. 4에 제시한 바와 같이 출구의 폭(b)을 0.2m로 고정하고, 입사파랑 진입 입구의 폭(B)을 조정한 5개의 모형을 제작하였다. Table 1에는 1/15의 Froude 상사율을 적용한 삼차원 파랑 제어구조물의 형상 조건을 따로 정리하였다.
삼차원 월파 구조물에 대한 월파실험에서 얻어진 시계열 계측치로부터 각 조건에 대한 단위 시간당 월파 유량을 산정하였다. Fig.
삼차원 파랑제어구조물은 단면 이차원 형상의 주요 파라미터인 수로길이(l), 사면경사(cotΦ), 천단고(he)에 대해 수심 8m의 설치 해역을 상정한 각각 16.5m, 1/1.5, 3m의 파랑제어구조물의 단면을 토대로, 수렴제 효과로 인한 파랑 집중도를 파악하기 위한 다섯 종류의 삼차원 구조물을 1/15의 Froude 상사로 제작하여 월파량을 검토하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
수로측의 유출구 폭(b)이 동일하고 유입구 폭(B)을 달리한 본 실험에서 동일 조건에서의 월파량 비교를 위해 무차원 월파량(Q/(B[2gH3]1/2, g는 중력가속도)를 산정하여 무차원 수로폭(B/b)과 비교한다.
월파형 파랑제어구조물의 삼차원 형상에 대한 수조모형시험은 이차원 단면 모형시험으로부터 도출된 단면 형상을 토대로 삼차원 구조물 형상을 제작하여 수행되었다.
야기되리라 예상된다. 이를 조사하기 위해서는 구조물에 입사되는 파의 방향을 달리 설정하여 검토할 필요가 있으며, 본 실험에서는 입사파의 파향 변화 대신 구조물을 회전시켜 배치함(0°, 15°, 30°)으로써 파향 변화에 대한 월파량 변화를 계측하기로 하였다.
파랑제어구조물의 삼차원 모형시험은 앞서 서술한 신과 홍(2005)의 이차원 단면 모형시험으로부터 도출된 단면 형상을 토대로 삼차원 구조물 형상을 제작하여 수행하였다.
파랑제어구조물의 월파 특성에 대한 3차원 수조실험은 구조물 모형(5개), 입사파 조건(20개 조건×3개의 파향)의 조합으로 총 300 case에 대해 수행하였다. Fig.
해양공학수조의 가동수심은 0.2m~3.5m로서 천해 및 심해파 조건에 모두 대응할 수 있도록 설계되어 있으나, 본 실험을 위해서는 수심 8m를 상정하여 수심을 0.53m로 설정(Froude 상사 1/15)하였다.
대상 데이터
5m(Depth)의 시험 영역과 함께 심해 계류 시험 등의 목적을 위한 5m(Diameter) × 12m(Depth)의 심해 pit를 가지고 있다. 6개의 임펠러로 구성된 조류 발생장치, 8개의 팬으로 구성된 바람 발생장치가 있으며, 임의 파향의 규칙 및 불규칙파의 조파가 가능한 L자형 서펜트 조파장치로서 실 해역에 근접한 조건을 재현할 수 있는 설비를 갖추고 있다.
Fig. 1에 제시된 월파형 파랑제어구물은 5mm의 강판으로 제작하였으며, 단면 이차원 형상실험(신과 홍, 2004)을 토대로 사면경사(cotΦ)는 1.5로 고정하고 천단고(he), 수로길이(l)은 각각 0.2m, 1.1m로 하였다.
Fig. 2의 y방향 조파면으로부터 발생시킨 입사파는 Table 2에 나타낸 바와 같이 파고 0.067m, 0.1m, 0.133m, 0.167m의 4가지로 선정하였으며, 각각은 주기 1.16s, 1.42s, 1.55s, 1.81s, 2.07s의 5가지의 조합인 총 20개의 규칙파 입사 조건으로 조파되었다.
실험을 위해 파랑제어구조물은 Fig. 2의 X 방향 38m, y 방향 10m의 위치에 두었으며, X 방향 조파면의 반대측 소파기면에는 도파판을 설치하고 y 방향 조파면으로부터 파를 발생시키는 것으로 하였다(Fig. 3).
이론/모형
작용하리라 예상된다. 본 실험을 위해서는 삼차원 조파수조가 필요하며 이는 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 해양공학수조를 이용하였다. Fig.
성능/효과
8). 단면 2차원 월파실험에서의 결과에서도 유사한 경향을 보여 비수로길이 0.4~0.5부근이 대체로 높은 월파량을 기록하였다.
그림의 상단에서 세 번째에 위치한 wave gauge 3의 값에서 그 전형적인 모습을 볼 수 있는데, 100초 이후에서 약간의 파고 감소를 동반한 1분여의 장주기 변동이 나타난다. 따라서 단위 시간당 월파 유량을 산정하기 위해서는 파가 정상 상태 조건이 유지되는 20초 이후에서 100초 이내의 값이 토대로 산정함이 타당하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 단위 시간당 월파 유량(Q[m3/s])은 조파 개시 후 50초~100초를 기준으로 하여 산정하였으나, 조파 조건에 따라 장주기 변동이 보다 이른 시간에 나타난 몇몇의 경우는 그보다 짧은 시간 동안의 변동 기록으로부터 산정한 경우도 있다.
삼차원 형상 모형의 주 비교 대상인 수로폭비의 경우는 사면을 타고 오르는 입사파가 수렴제의 벽면에서의 반사로 인해 사면에서 집중되는 양상이 달라지고 있어, 파의 입사각과 파장 수로의 수렴제 각도 등이 복잡하게 상호 연관되어 있음을 유추할 수 있었다. 현재의 실험 결과로부터는 무리하게 수렴제의 각을 두어 파를 집중시키기 보다는 오히려 작은 수로폭비(작은 수렴각도)를 설정하는 것이 여러 입사각을 가진 실제 해역에서의 적용성 뿐만 아니라 구조물 자체의 제작 용이성이라는 측면에서 보다 유리하게 작용할 것이라 사료되었다.
파고 변화에 따른 월파량의 비교를 통해 모든 주기에 걸쳐 입사하는 파의 파고가 커질수록 단위 시간당 월파 유량은 증가함을 알 수 있었으며, 비천단고(he/H) 2.98에 해당하는 입사파고 6.7cm인 경우는 월파 유량이 극히 미미함을 알 수 있다. 이는 단면 2차원 실험 결과에서 제시된 유의 월파량 기준인 비천단고 4.
수 있었다. 현재의 실험 결과로부터는 무리하게 수렴제의 각을 두어 파를 집중시키기 보다는 오히려 작은 수로폭비(작은 수렴각도)를 설정하는 것이 여러 입사각을 가진 실제 해역에서의 적용성 뿐만 아니라 구조물 자체의 제작 용이성이라는 측면에서 보다 유리하게 작용할 것이라 사료되었다.
후속연구
현재의 실험 결과로부터는 무리하게 수렴제의 각을 두어 파를 집중시키기 보다는 오히려 작은 수로폭비(작은 수렴각도)를 설정하는 것이 여러 입사각을 가진 실제 해역에서의 적용성 뿐만 아니라 구조물 자체의 제작 용이성이라는 측면에서보다 유리하게 작용할 것이라 사료된다.
참고문헌 (4)
신승호, 홍기용 (2005), "파랑 에너지 변환을 위한 월파제어구조물의 월파량 산정 실험", 한국해양공학회지 19-6, pp. 8-15.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.