[논문]브이용 파력발전시스템의 발전특성

오진석; 곽준호; 배수영; 정성영; 이지영

doi:10.5916/jkosme.2008.32.8.1123

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Marine facilities like buoy, lighthouse are operated with stand alone power supply system. This power system can consist of a stand-alone type power system such as PV(Photovoltaic) system, wave system or hybrid system which is not cooperated with a commercial power system. Generally, PV power system...

Marine facilities like buoy, lighthouse are operated with stand alone power supply system. This power system can consist of a stand-alone type power system such as PV(Photovoltaic) system, wave system or hybrid system which is not cooperated with a commercial power system. Generally, PV power system for marine facilities can not supply a sufficient power to buoy, because it is so influenced from weather condition. For solving this problem the hybrid power system with PV and wave is studied on a various area, that is why a hybrid power system is requires to overcome these problems. This paper will describe a generation characteristic of WEC(Wave Energy Converter) for buoy, and an AFS(Anti-Fouling System) influence on WEC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

파력발전시스템의 동작특성을 고찰하기 위하여 LabVIEW로 시뮬레이션을 수행하고, 수행결과를 기초로 WEC를 설계한다. 그리고 AFS용 전력체계에 대한 연구도 병행하여 제어특성 및 운용특성에 관한 연구내용도 제시하고자 한다.
본 연구에서는 태양광 및 파력 하이브리드 전력 공급시스템에서 파력발전의 발전특성에 관한 연구를 체계적으로 수행하고자 한다. 또한 효율 저감을 방지하기 위한 AFS(Anti-Fouling System) 설계에 관한 연구내용을 기술하고자 한다. 파력발전 시스템의 효율저감 원인중에서 가장 심각한 영향을 미치는 것은 Water column 내의 해양생물 부착 정도이다.
본 논문은 브이용 파력발전시스템의 발전특성을 water column 내부압력 특성과 연계하여 고찰하고, 발전특성에 가장 많은 영향을 미치는 해양생물의 영향을 연구하였다. 이를 위해 시뮬래이션을 수행하였고, 시뮬레이션 결과 water column 직경 감소가 파력발전 효율을 저감시키는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 Water column 내부압력 P_awc와 브이의 상하운동주기 T를 고려하여 최대 출력을 얻을 수 있도록 WEC를 설계하고자 한다. 또한 출력감소를 최대한 억제할 수 있도록 AFS를 WEC에 적합하게 설계한다.
본 연구에서는 태양광 및 파력 하이브리드 전력 공급시스템에서 파력발전의 발전특성에 관한 연구를 체계적으로 수행하고자 한다. 또한 효율 저감을 방지하기 위한 AFS(Anti-Fouling System) 설계에 관한 연구내용을 기술하고자 한다.
그러나 기상에 따른 발전효율 저감은 특별한 대안이 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 태양광과 파력 기반의 하이브리드 발전시스템에 대하여 연구를 수행하였다. 일반적으로 파력발전시스템은 초기의 발전효율이 해양생물에 의하여 급격히 감소하는 특성을 가지고 있다.

제안 방법

Anode인 구리봉 소모량은 유입해 수량에 따라 변하므로 유입파고의 주기와 높이 및 water column의 단면적에 영향을 받는다. 더불어 본 연구에서는 전력소모를 최소화 하고, 등명기용 축전지가 만충전 상태일 때 AFS와 보조축전지에 전력을 공급하는 메카니즘을 갖도록 하였다. 전력체계를 최적화하기 위하여 전력관리시스템인 회로절환기법을 해양시설물용 AFS 설계 및 운용알고리즘에 반영하였다.
와 브이의 상하운동주기 T를 고려하여 최대 출력을 얻을 수 있도록 WEC를 설계하고자 한다. 또한 출력감소를 최대한 억제할 수 있도록 AFS를 WEC에 적합하게 설계한다.
터빈 입구의 압력은 브이의 water column내부 물의 상하이동과 비례하며 물의 상하 이동은 표면파의 주기와 브이 고유 진동수가 일치할 때 최대가 된다. 본 연구에서 표면파 주기가 5sec일 때 브이 상하이동 변위는 최대가 되도록 설계하였다. 이 경우에도 해양생물의 부착에 따라 WEC의 출력이 급속히 감소함을 시뮬레이션을 통하여 알 수 있었다.
본 연구 대상인 해양시설물용 파력발전시스템에 부착하는 다양한 해양생물을 제거하기 위해서는 화학적 방식, 전기적 방식 등 몇 가지 방법의 AFS가 연구되고 있다. 본 연구에서는 전기적 방식을 이용하여 파력발전시스템 Water column내부에 부착하는 해양생물을 억제하는 방법을 적용하였다. AFS 제어기는 전기적인 양극에 해양생물의 부착 정도에 따라 양극인 Cu에 필요한 전류를 인가하면 공급된 전류만큼의 Cu²⁺이온이 용출되어 해양생물의 부착을 억제한다.
이를 위해 시뮬래이션을 수행하였고, 시뮬레이션 결과 water column 직경 감소가 파력발전 효율을 저감시키는 것을 알 수 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 파력발전시스템에 적합한 AFS를 설계하였다.
이 경우에도 해양생물의 부착에 따라 WEC의 출력이 급속히 감소함을 시뮬레이션을 통하여 알 수 있었다. 이를 방지하기 위하여 AFS를 설치하여 해양생물의 부착을 억제하여 단면적비 감소를 최소화하였다.
파력발전시스템의 동작특성을 고찰하기 위하여 LabVIEW로 시뮬레이션을 수행하고, 수행결과를 기초로 WEC를 설계한다. 그리고 AFS용 전력체계에 대한 연구도 병행하여 제어특성 및 운용특성에 관한 연구내용도 제시하고자 한다.

대상 데이터

발전특성을 고찰하기 위하여 시뮬레이션에 필요한 데이터는 실해역인 부산 태종대의 해양환경 데이터를 활용하였다. 이 구역의 파고의 주기는 4~6sec가 출현빈도가 가장 높게 나타났으며, 파고높이는 2m 이하가 가장 많이 출현하는 것으로 조사되었다.

이론/모형

더불어 본 연구에서는 전력소모를 최소화 하고, 등명기용 축전지가 만충전 상태일 때 AFS와 보조축전지에 전력을 공급하는 메카니즘을 갖도록 하였다. 전력체계를 최적화하기 위하여 전력관리시스템인 회로절환기법을 해양시설물용 AFS 설계 및 운용알고리즘에 반영하였다.

성능/효과

6은 단면적과 주기의 비에 따른 water column내부의 압력변화를 도시한 것이다. WEC용 터빈 구동용 압력으로 공기유량과 유사한 특성을 가지며, 단면적비의 감소에 따라 압력도 감소함을 알 수 있다.
발전특성을 고찰하기 위하여 시뮬레이션에 필요한 데이터는 실해역인 부산 태종대의 해양환경 데이터를 활용하였다. 이 구역의 파고의 주기는 4~6sec가 출현빈도가 가장 높게 나타났으며, 파고높이는 2m 이하가 가장 많이 출현하는 것으로 조사되었다. 본 시뮬레이션에서 주기는 5sec로 정하여 수행하였다.
본 논문은 브이용 파력발전시스템의 발전특성을 water column 내부압력 특성과 연계하여 고찰하고, 발전특성에 가장 많은 영향을 미치는 해양생물의 영향을 연구하였다. 이를 위해 시뮬래이션을 수행하였고, 시뮬레이션 결과 water column 직경 감소가 파력발전 효율을 저감시키는 것을 알 수 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 파력발전시스템에 적합한 AFS를 설계하였다.
이상의 연구결과 파력발전시스템의 발전특성은 water column의 단면적비에 직접적인 영향을 받고 있으며, 단면적비의 감소는 발전출력 감소에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그러므로 파력발전시스템의 발전특성을 유지하기 위해서는 본 연구에서 제안한 AFS를 설치하여 해양생물 부착을 억제하여 단면적비를 일정히 유지하는 것이 필요하다.

후속연구

이상의 연구결과 파력발전시스템의 발전특성은 water column의 단면적비에 직접적인 영향을 받고 있으며, 단면적비의 감소는 발전출력 감소에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그러므로 파력발전시스템의 발전특성을 유지하기 위해서는 본 연구에서 제안한 AFS를 설치하여 해양생물 부착을 억제하여 단면적비를 일정히 유지하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전시스템의 효율 저감의 주요 요인은 무엇인가?	태양광 발전시스템의 효율 저감 원인은 조류의 배설물, 염분, 자연적인 효율저감 등이 주요 요인이다. 그러므로 해양시설물에 PV 판넬을 적절하게 배치하고, 조류가 앉을 수 없도록 보조설비를 갖추면 자연적인 효율감소를 제외하고 해결이 가능하다.
	독립형 전력 체계의 한계점은 무엇인가?	해양에서 운용되는 해양시설물은 대부분 독립적인 전력체계를 갖추어야 한다. 이러한 독립형 전력 체계는 사용전원과 연계성을 갖지 못하므로 부하와 발전량에 따라 많은 제약을 가지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 두 가지 이상의 발전체계를 연동하는 하이브리드 발전시스템에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.
	파력발전시스템의 효율저감 원인중 가장 심각한 영향을 미치는 것은 무엇인가?	또한 효율 저감을 방지하기 위한 AFS(Anti-Fouling System) 설계에 관한 연구내용을 기술하고자 한다. 파력발전 시스템의 효율저감 원인중에서 가장 심각한 영향을 미치는 것은 Water column 내의 해양생물 부착 정도이다. 파력발전효율을 개선하기 위한 AFS는 전력소모를 최소화하고, 발전특성에 적합한 운용알고리즘을 구성하여 AFS용 전력시스템을 구축해야 한다.

참고문헌 (7)

Ryokuseisha corporation, "Measuring of output power of wave activated generator fitted on lighted buoy in the field", Technical report, pp. 63-74
Jin-Seok Oh, Jong-Do Lee, Han-Il Park and Toshimitsu Komatsu,"Design and analysis of wave energy converter for a buoy", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.21, No. 12, 2007

원문보기 상세보기
Lars Johanning, George H.Smith, Julian Wolfram, "Measurements of static and dynamic mooring line damping and their importance for floating WEC devices", Ocean Engineering, 34, pp. 1918-1934, 2007

상세보기
Jose Perdigao, Antonio Sarmento, "Overall-efficiency optimisation in OWC devices", Applied Ocean Research, 25, pp. 157-166, 2003

상세보기
T.Setoguchi,S.Santhakumar,M.Tako, T.H. Kim, K.Kaneko, "A modified Wells turbine for wave energy conversion", Renewable Energy, 28, pp. 79-91, 2003

상세보기
Gil Su Yoon, Yong Jig Kim, Dong Joon Kim, Sin Young Kang, "Analysis of Wave Load and Mooring System for Ocean Monitoring Facilities", Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol.1, No.1, 1998
Yun-hyung Kim, Jin-Seok Oh, Toshinitsu Komatsu, "Analysis and Design of Wave Energy Conversion Buoy", The first (2008) ISOPE frontier energy resources symposium, Vol.1,pp 331-335

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