[논문]자유수평축 조류발전 시스템의 3차원 유동특성

Choi, Jin-Hyung; Doh, Deog-Hee; Jo, Hyo-Je; Lee, Yeon-Won; Suzuki, Kiyomi; Kato, Shinji

doi:10.5407/jksv.2010.8.2.051

[국내논문] 자유수평축 조류발전 시스템의 3차원 유동특성
3D Flow Characteristics of a Free-Horizontal-Axis-Turbine Tidal Power Generation System 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.8 no.2, 2010년, pp.51 - 55

Choi, Jin-Hyung , Doh, Deog-Hee () , Jo, Hyo-Je () , Lee, Yeon-Won () , Suzuki, Kiyomi (Nova Energy Co. Ltd.) , Kato, Shinji (Kobe City College of Tech., Electrical Eng.)

Abstract ▼ AI-Helper

Flow characteristics of a free-horizontal-axis-turbine (FHAT) current power generation system have been investigated by the use of a volumetric PTV. Three types of FHAT system (S50, SE50, S65) have been tested under the current speed 1.35 knot, 1.5 knot and 2 knot. The width of the blade installed around the body is 50 mm. Based upon the power generation characteristics of the FHAT, the flow features of the blade have been investigated. Among the three models it has been verified that the S65 is the most appropriate for power generations.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 해상에 부유하는 이물들이 조류발전시스템에 유입되더라도 방해를 받지 않으며 운전이 가능할 수 있는 자유수평축터빈(free-horizontalaxis turbine, FHAT) 날개 시스템을 구축하여, 실험실 레벨에서 발전성능을 조사하는 과정에서 얻어진 유동장의 유동특성을 분석 보고하고자 한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 발전전압 성능에 따른 유동특성을 조사하기 위하여 Fig. 1과 같이 설치된 2대 카메라의 Volumetric-PTV측정시스템을 유동장 측정에 적용하였다.
0, 30 Hz, 1008*1018), Nd/Yag 레이저광원(15 Hz, 120 mJ), Pico USB Osilloscope (±100 mV to ±20 V), rpm측정기(A2101, 60 to 19,999 rpm), 전기적 부하조정기 그리고 호스트컴퓨터로 구성된다. 이들에 대한 발전성능 특성조사는 발전기에 직렬로 전기적 부하조정기를 연결하여 20 ohm에서 280 ohm까지 20 ohm씩 증가시켜가며 실시하였다. 조류발전을 위한 조류속도는 각각 1.
이들에 대한 발전성능 특성조사는 발전기에 직렬로 전기적 부하조정기를 연결하여 20 ohm에서 280 ohm까지 20 ohm씩 증가시켜가며 실시하였다. 조류발전을 위한 조류속도는 각각 1.35 knot, 1.5 knot, 2 knot로 설정하였다.
이 측정법은 3D-PTV⁽³⁾에 기반을 둔 측정법으로서 본 연구에 적용된 Blade의 유동장과 같이 3차원 유동특성이 매우 강할 때에 유효하다. 본 연구에서는 유속에 따른 전압 발생 특성을 조사한 결과 A형의 날개 형상은 가장 낮은 발전성능을 내었던 관계로 S형과 SE형에 있어서의 조류유속과 날개각도에 따른 유동특성을 비교하였다. S50, SE50, S65는 각각 날개 각도를 달리한 모델을 나타낸다.
이는 S65일 때 발전량이 가장 많았던 것과 일치하는 사항이다. 속도저감은 날개 앞쪽의 유입속도벡터들의 평균값과 날개 뒤쪽의 속도벡터들의 평균값 과이 차이로 평가하였다. 저감된 속도만큼 날개의 회전운동 에너지로 전환되었음을 의미한다.
Volumetric PTV로 자유수평축 조류발전 시스템의 터빈날개 주위의 3차원 유동특성을 조사해 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

이 측정시스템은 2대의 고해상카메라(Kodak, ES1.0, 30 Hz, 1008*1018), Nd/Yag 레이저광원(15 Hz, 120 mJ), Pico USB Osilloscope (±100 mV to ±20 V), rpm측정기(A2101, 60 to 19,999 rpm), 전기적 부하조정기 그리고 호스트컴퓨터로 구성된다.

성능/효과

또한, 동일한 날개형의 경우(본 연구에서는 S형)에는 날개각도가 50° (S50), 55° (S55), 65° (S65)로 증가할수록 발전전압이 높았다.
이들 모델에 대한 전압발전 특성은 날개각도가 동일할 경우, 속도가 낮은 1.35 knot에서는 S형이 전기부하에 무관하게 A형과 SE형보다 발전전압이 높았으며, 속도가 높은 1.5knot 및 2knot에서는 SE형이 A형 및 S형 보다 발전전압이 다소 높은 특성인 것으로 나타났다⁽²⁾.
1과 같이 설치된 2대 카메라의 Volumetric-PTV측정시스템을 유동장 측정에 적용하였다. 이 측정법은 3D-PTV⁽³⁾에 기반을 둔 측정법으로서 본 연구에 적용된 Blade의 유동장과 같이 3차원 유동특성이 매우 강할 때에 유효하다. 본 연구에서는 유속에 따른 전압 발생 특성을 조사한 결과 A형의 날개 형상은 가장 낮은 발전성능을 내었던 관계로 S형과 SE형에 있어서의 조류유속과 날개각도에 따른 유동특성을 비교하였다.
이는 SE50의 경우 터빈날개의 회전이 매우 불안정하게 회전함을 의미하며, S65의 경우 속도저감의 크기만큼 터빈날개로의 속도 운동에너지를 전달한 결과로 볼 수 있었으며, 후류(wake)에서의 속도차가 날개회전수에 비례한다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에 사용되었던 A형, S형, SE형 중 터빈날개 각도가 동일할 경우에, 낮은 조류속도에서는 SE형이 가장 좋은 발전특성을 보였으며, 높은 조류속도에서는 S형이 가장 좋은 발전특성을 보였다. 좋은 발전특성을 보일 때에는 날개 후류의 속도분포는 상류측 날개입구부의 유속과 후류측의 유속이 현저히 차이가 나고 있음이 확인되었다.
본 연구에 사용되었던 A형, S형, SE형 중 터빈날개 각도가 동일할 경우에, 낮은 조류속도에서는 SE형이 가장 좋은 발전특성을 보였으며, 높은 조류속도에서는 S형이 가장 좋은 발전특성을 보였다. 좋은 발전특성을 보일 때에는 날개 후류의 속도분포는 상류측 날개입구부의 유속과 후류측의 유속이 현저히 차이가 나고 있음이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 조류발전을 위한 터빈날개 형상은 무엇이 대표적인가?	일반적으로 조류발전을 위한 터빈날개 형상은 수평축(HAT, horizontal axis turbine)과 수직축(VAT, vertical axis turbine)이 대표적이다. 이들에서는 해상에 떠돌아다니는 부유물(어구, 어망 등)이 터빈날개를 고정시키기 위한 구조물과 터빈날개 사이의 간극에 엉키거나 끼이는 일이 발생한다.
	Volumetric PTV로 자유수평축 조류발전 시스템의 터빈날개 주위의 3차원 유동특성을 조사 결과로 얻은 결론은?	본 연구에 사용되었던 A형, S형, SE형 중 터빈날개 각도가 동일할 경우에, 낮은 조류속도에서는 SE형이 가장 좋은 발전특성을 보였으며, 높은 조류속도에서는 S형이 가장 좋은 발전특성을 보였다. 좋은 발전특성을 보일 때에는 날개 후류의 속도분포는 상류측 날개입구부의 유속과 후류측의 유속이 현저히 차이가 나고 있음이 확인되었다. 동일한 날개형상인 경우에는 날개각도가 큰 것 일수록 발전특성이 좋았는데, 발전특성이 좋을수록(S65의 경우) 날개 주위에 발생하는 와의 형태는 칼만와처럼 규칙적으로 교대로 나타나며, 나쁠수록 와의 형태는 일그러진 타원에 가까우며, 이는 와가 날개 면과의 마찰손실 유발을 의미한다.
	조류발전이 최근 많은 각광을 받는 이유는?	신재생에너지에 대한 화두가 많아지면서 조류발전은 동일 유량기준으로 에너지 밀도가 높은 점으로부터 최근 많은 각광을 받고 있다(1). 특히, 우리나라의 조류자원은 여타 다른 나라들보다 많은 관계로 조류발전에 대한 실증연구가 이루어졌다.

참고문헌 (3)

Cho, C. H., Park, K. K., Cho, W. C., 2006, "Interaction of Multi Current Power Generation Blade," J. of Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No.4, pp.47-54.
Doh, D. H., Jo, H. J., Choi, J. H., Lee, Y. W., Suzuki, K. and Kato, S., 2009, "A New Current Power Generating System," Proc. of 10th Asian International Conference on Fluid Machinery, Kuala Lumpur, Malaysia, Oct. 21-23, paper No. 211.
Hwang, T.G., Doh, D.H. and Okamoto, K., 2005, "4D-PTV; Measurements of an Impinged Jet with Time-Resolved 3D-PTV," Journal of Visualization, Vol. 8, No. 3, pp. 245-252.

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