[논문]착저식 OWC 파력발전장치의 파에너지 흡수효율 및 파랑하중 계산

홍도천; 홍기용

착저식 OWC 파력발전장치의 파에너지 흡수효율 및 파랑하중 계산
Prediction of Wave Energy Absorption Efficiency and Wave Loads of a Three-Dimensional Bottom-Mounted OWC Wave Power Device 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.13 no.1, 2010년, pp.47 - 52

홍도천 (충남대학교 첨단수송체연구소) , 홍기용 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소)

초록
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근해에 설치되는 3차원 착저식 OWC 파력발전 챔버 구조물의 파 에너지 흡수효율과 구조물에 작용하는 1차 및 시간 평균 2차 파랑하중의 해석기법을 보였다. 쌍동형 OWC챔버 내부의 변동압력을 각 챔버의 내부 자유표면 경계조건에 도입하였으며 챔버 내부는 Rankine, 외부는 유한수심 3차원 자유표면 Green함수에 연계된 하이브리드 적분방정식을 사용하여 포텐셜 유동을 해석하였다. 수치실험 결과로서 3차원 착저식 OWC 파일럿 플랜트의 파력발전 1차변환 효율과 구조물에 작용하는 반복 및 지속적인 파랑하중을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The wave energy absorption efficiency and the first-order and the time-mean second-order wave loads of a three-dimensional bottom-mounted oscillating water column (OWC) chamber structure are studied. The potential problem is solved by making use of a hybrid Green integral equation associated with the finite-waterdepth free-surface Green function outside a twin chamber and the Rankine Green function inside taking account of the fluctuating air pressure inside the chamber. Numerical results of the primary wave energy converting efficiency and the oscillating and steady wave loads of a three-dimensional bottom-mounted OWC pilot plant have been presented.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

각각의 챔버내부 자유표면 Fsi, (s=1,2)상부의 기체는 외부와 단면적 AsD,(s=1,2)인 공기덕트를 통하여 연결되어있고 덕트통과 기류의 평균 상대속도 UsD,(s=1,2)와챔버내부 공기압력 psC,(s=1,2)의 관계는 압력강하 복소수 파라메터 γs(s=1,2)를 도입하여 다음과 같이 선형적으로 가정한다.
비 점성 유체, 비압축성 유동이라는 가정하에 선형파 이론을 적용한다. Fig.
압력강하 파라메터는 공기 터빈 설계를 위하여 필요한 인자이며 보통 실험적으로 결정되고 있다. 압력강하 파라메터가 복소수인 경우에 대한 실험 결과는 아직 미비하나 본 연구는 파랑하중 및 파에너지 1차변환 효율에 주안점을 두었으므로 이를 복소수 파라메터로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

3차원 착저식 OWC 파력발전용 해양구조물에 작용하는 반복적 및 지속적 파랑하중과 챔버 내부의 파 압력분포를 추정하였다. OWC챔버 내부 공기압을 고려한 파랑하중 산정을 위하여 압력강하 파라미터 γ를 사용하여 파에너지 흡수효율이 최대가 되는 γ의 값을 수치실험으로 구하고 이 값 전후에서 파랑하중을 계산하였다.
OWC챔버 내부 공기압을 고려한 파랑하중 산정을 위하여 압력강하 파라미터 γ를 사용하여 파에너지 흡수효율이 최대가 되는 γ의 값을 수치실험으로 구하고 이 값 전후에서 파랑하중을 계산하였다.
또한 설치될 파일럿 플랜트도 수밀 격벽이 없이 설계되었기에 본 수치 실험에서는 y<0인 부분의 챔버에 대한 해석을 수행하였다.
따라서 모든 수치실험 결과를 유의파고와 곱하면 설계파에 대응하는 값을 얻을 수 있으며 이 결과는 극한상황 이외에서는 비선형성을 고려한 결과보다 크므로 보다 안전하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 심해 설계파 주기 영역 3-20초에 해당하는 파를 설치해역 수심 15 m로 변환하여 수치실험을 수행하였다. 한편 진동수주(OWC: Oscillating Water Column) 챔버 구조물은 진동수주 상부에 위치한 공기실의 압력과 챔버 내부 자유표면 유동이 서로 연계되어 있다.
Ψ_S는 또한 무한원방 방사 경계 조건을 만족시켜야 한다. 본 연구에서는 자유표면 Green함수를 사용함으로서 이 조건이 만족되게 된다. 여기서 Fig.
유한수심 해역에 설치되는 3차원 착저형 파력발전 OWC 챔버 구조물에 작용하는 반복 파랑하중과 시간평균 표류력 및 모멘트를 3차원 유한수심 선형 산란파이론을 사용하여 해석하였다. 파력 발전 OWC 챔버구조물은 착저식 구조물로서 해양파 중에 방파제 등의 보호가 없이 설치되므로 구조안전성이 보장되어야 한다.
착저식 OWC 파력발전장치 파일럿 플랜트의 내파성능 검증을 위하여 챔버 내부 압력강하 파라미터 γ의 변화에 따른 파랑하중을 계산하였다.
[2004a]). 챔버 구조물에 작용하는 반복 파랑하중과 시간평균 표류력 및 모멘트도 모두 챔버 내 압력강하 파라미터의 값에 따라 변하므로 파 에너지 흡수효율이 최대가 되는 압력강하 파라미터를 수치실험으로 구하여 이 값 전후에서 파랑하중과 표류력 등을 구하였다.
특히 해양파의 입사각이 챔버입구에 수직으로 들어올 경우, 즉 입사각 β=0도인 경우에 파에너지 흡수효율이 최대가 되는 γ의 값을 수치실험으로 구하고 이 값 전후에서 파랑하중의 변화를 구하였다.

대상 데이터

압력강하 파라메터는 챔버 내부기체의 압축성을 고려하지 않을 경우에는 실수이며 공기덕트가 완전히 막혀있을 경우에는 내부기체의 압축성으로 인하여 허수가 된다. 본 연구에서는 복소수 파라메터를 사용하였다. 그 이유는 내부기체의 압축성은 무시하지만 내부 자유표면의 운동으로 유발되는 공기유동은 터빈을 거치면서 위상차를 경험하게 되며 이것이 압력강하 파라메터의 허수에 해당하는 효과를 가지기 때문이다.
한편 실측자료가 전혀 없는 경우에는 해양환경이 유사한 인접해역의 실측자료로부터 구하기도 한다. 본 파력발전 OWC챔버 구조물이 제주도 남부에 설치되므로 심해 설계파는 북태평양의 파랑자료를 사용하여 구할 수 있다.본수치실험 연구에서는 선형파 이론을 사용하므로 파랑하중 등은 유의파고에 선형적으로 비례하게 된다.

이론/모형

공기실 압력에 의한 자유표면 교란을 자유표면 변동압력면(free surface oscillating pressure patch)으로 다룬 기본 이론은 Falcão and Sarmento[1980] 에 의하여 발표된 바 있다. 본 논문에서는 챔버 내부유동은 Rankine, 외부유동은 유한수심 3차원 자유표면 Green함수를 사용하여 해석한 뒤 각각의 해를 정합시켜 완전한 해를 구하는 하이브리드 적분방정식을 해석방법으로 사용하였고 챔버 내 압력강하 파라미터를 내부 자유표면 경계조건에 도입하였다(Hong et al.[2004a]). 챔버 구조물에 작용하는 반복 파랑하중과 시간평균 표류력 및 모멘트도 모두 챔버 내 압력강하 파라미터의 값에 따라 변하므로 파 에너지 흡수효율이 최대가 되는 압력강하 파라미터를 수치실험으로 구하여 이 값 전후에서 파랑하중과 표류력 등을 구하였다.

성능/효과

따라서 설계파에 대한 파랑하중은 γ=0인 경우에 대한 해석결과를 사용하는 것이 타당한 것으로 판단되며 항만 및 어항설계기준에 따른 설계파 조건이 주어지면 본 기법을 사용하여 설계파 파고, 입사각 및 주기에 대응하는 파랑하중을 쉽게 도출할 수 있다.

후속연구

따라서 설계파에 대한 파랑하중은 γ=0인 경우에 대한 해석결과를 사용하는 것이 타당한 것으로 판단되며 항만 및 어항설계기준에 따른 설계파 조건이 주어지면 본 기법을 사용하여 설계파 파고, 입사각 및 주기에 대응하는 파랑하중을 쉽게 도출할 수 있다. 한편 본 연구결과는 3차원 착저식 OWC 파력발전장치의 파에너지 1차변환 효율을 추정하는 해석적 방법으로도 유용하게 쓰일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심해 설계파는 무엇에 근거하여 작성되고 있는가?	설계파는 통상 구조물 설치해역의 외해에서 들어오는 심해 설계파를 정하고 이에 대하여 설치해역의 수심에 대한 보정을 행한다. 심해 설계파는 10년 이상의 실측자료 또는 30년 이상의 기상 자료를 근거하여 작성되고 있다. 한편 실측자료가 전혀 없는 경우에는 해양환경이 유사한 인접해역의 실측자료로부터 구하기도 한다.
	파력 발전 OWC 챔버구조물은 구조 안전성이 보장되어야 하는 이유는?	유한수심 해역에 설치되는 3차원 착저형 파력발전 OWC 챔버 구조물에 작용하는 반복 파랑하중과 시간평균 표류력 및 모멘트를 3차원 유한수심 선형 산란파이론을 사용하여 해석하였다. 파력 발전 OWC 챔버구조물은 착저식 구조물로서 해양파 중에 방파제 등의 보호가 없이 설치되므로 구조안전성이 보장되어야 한다.이를 위하여 타당한 설계파를 설정하고 이에 따른 6방향 파랑하중 및 챔버 내외부에 작용하는 파압력 분포를 추정하여 내파 구조설계에 반영하여야 한다.
	파력 발전 OWC 챔버구조물의 구조 안전성을 보장하기 위해서 해야 하는 것은?	파력 발전 OWC 챔버구조물은 착저식 구조물로서 해양파 중에 방파제 등의 보호가 없이 설치되므로 구조안전성이 보장되어야 한다.이를 위하여 타당한 설계파를 설정하고 이에 따른 6방향 파랑하중 및 챔버 내외부에 작용하는 파압력 분포를 추정하여 내파 구조설계에 반영하여야 한다.

참고문헌 (6)

홍기용, 신승호, 홍도천, 2007, "진동수주형 파력발전장치 공기실의 파력에너지 흡수효율", 한국해양환경공학회지 제10권 제3호, 173-180.

원문보기 상세보기
Falcao, A.F. de O. and Sarmento, A.J.N.A., 1980, "Wave generation by a periodic surface pressure and its application in wave-energy extraction", 15th Int. Cong. Theo. Appl. Mech., Toronto.
Guevel, P. et Hong, D.C., 1983, "Quelques problemes d'hydrodynamique navale envisages sous l'angle de la theorie de la recuperation de l'energie des vagues (Some hydrodynamic problems related with the thoery of the wave energy absorption)", Bulletin de l'ATMA Paris, France, Vol.83, 141-165.
Hong, D.C. and Hong, S.Y. 2007, "Floating wave energy device with two oscillating water columns," Proceedings of the 26th OMAE symposium, ASME, Sandiego, USA, paper No. OMAE2007-29103.
Hong, D.C., Hong, S.Y. and Hong, S.W. 2004a, "Numerical study of the motions and drift force of a floating OWC device", Ocean Engineering, Vol.31, No.2, 139-164.

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Hong, D.C., Hong, S.Y. and Hong, S.W., 2004b, "Numerical study on the reverse drift force of floating BBDB wave energy absorbers", Ocean Engineering Vol.31, No.10, 1257-1294.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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