[논문]해수압 진동을 이용한 파력발전 장치 및 방법

송승관; 박진배

doi:10.5370/kiee.2011.60.12.2260

해수압 진동을 이용한 파력발전 장치 및 방법
Apparatus and Method for Wave Energy Convertor using Under-water Pressure Oscillation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.12, 2011년, pp.2260 - 2264

송승관 (연세대학교 전기전자공학과) , 박진배 (연세대학교 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the development of an wave energy convertor. We devise a new type of the wave energy convertor which generates electricity by means of under-water pressure oscillation. This wave energy convertor is installed on the seabed floor. That is, there is no exposed body on the surface of the sea. The wave energy convertor comprises an activated assembly which is adapted to be displaced in response to water pressure oscillation to vary the volume of bellows cavity and a power take off assembly which generates electricity in response to movement of the activated assembly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

구동 어셈블리의 작동 여부를 확인하기 위해 본 연구팀은 수직파도 발생장치를 개발하였다. 수직파도 발생장치는 공기의 압력을 이용하여 수면을 진동시킬 수 있는 장치로 15마력의 에어컴프레서를 사용하여 주기 5초에서 15초 사이, 최대 진폭 1.
본 논문에서 한국 해역에 적합한 파력발전기에 대해 제안하려 한다. 이 파력발전기는 잠수식으로 파도에 의한 해수압 진동을 전기에너지로 변환하는 장치이다.
발전 어셈블리는 이동자를 통해 공급된 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 본 논문에서는 선형발전기(LPMG: Linear Permanent Magnet Generator)를 예로 기술한다. 선형발전기는 크게 고정자와 이동자로 구성된다.
본 연구팀은 해양공학을 기반으로 한 구동 어셈블리의 기구학 모델링에 대해 연구를 진행하고 있다. 구동 어셈블리의 연구와 함께 그림 3과 같은 4측식 선형발전기의 개발을 병행하고 있으며, 이 두 연구를 기반으로 구동 어셈블리와 선형발전기를 결합시켜, 파도에 의해 실제로 전력 생산이 가능함을 실험적으로 검증하고, 발전량 증대와 효율적 운영을 위한 제어 방법에 대해서도 제안할 계획이다.

제안 방법

하우징은 내부의 동작을 확인할 수 있게 T10, ¢500의 아크릴 파이프로 제작했으며, 플렌지와 리니어 가이드 블록은 PE 수지로 가공하였고, 무게추와 리니어 샤프트는 녹 방지를 위해 표면가공을 한 철과 스테인리스로 제작하였다. 벨로우즈는 방수가 가능 한 폴리우레탄으로 특수 가공하여 제작하였으며, 완벽한 수밀을 위해 모든 이음새는 실리콘 접착제로 접착하였다. 벨로우즈의 완벽한 수밀과 내구성을 테스트 해보기 위해, 벨로우즈를 밀봉한 채 에어컴프레서를 이용하여 압축공기를 주 입하는 내구성 테스트를 했으며, 5kg/cm²이상의 압력에서도 외형의 변형 없이 수밀이 됨을 확인하였다.
이 파력발전기는 잠수식으로 파도에 의한 해수압 진동을 전기에너지로 변환하는 장치이다. 본 장치는 잠수식이기 때문에 풍랑 및 해일에 의한 파손에 강인하며, 잠수식으로 인한 진폭 확보의 어려움을 역학적 구조 설계로 극복하였다.
수직하도 발생장치를 주기 10초, 진폭 약 0.3m의 수직파도를 생성하도록 설정하고, 구동 어셈블리의 모의실험을 실시하였다. 파고의 변화에 따라 구동 어셈블리 내의 벨로우즈가 팽창과 수축을 반복함을 확인할 수 있었다.
제안한 파력발전기의 내부 구조는 벨로우즈, 플랜지, 본체와의 결합으로 구성되어져 있으며, 선형 운동을 보완하기 위한 리니어가이가 포함되어 있다. 이는 기존 파력발전기에 비해 발전 장치 내부는 단순한 형태를 지니고 있으며, 벨로우즈를 사용해 해수의 유입을 완벽하게 차단하기 때문에 내부 구조물을 보호할 수 있어 유지 보수에 상대적 용이성을 가져다준다.
하우징은 내부의 동작을 확인할 수 있게 T10, ¢500의 아크릴 파이프로 제작했으며, 플렌지와 리니어 가이드 블록은 PE 수지로 가공하였고, 무게추와 리니어 샤프트는 녹 방지를 위해 표면가공을 한 철과 스테인리스로 제작하였다.

대상 데이터

선형발전기는 크게 고정자와 이동자로 구성된다. 본 연구팀은 4개의 선형발전기로 한 모듈을 구성한 4측식 선형발전기를 연구 중이며, 그림 3은 4측식 선형발전기의 사시도이다.

성능/효과

1) 파도가 잔잔한 상태에서 대기압과 본체 설치 깊이에 해당하는 수압의 합이 벨로우즈 상판의 아랫면에 작용하며, 본체 내부 기압과 무게추에 의한 압력이 벨로우즈 상판의 윗면에 작용하게 된다. 벨로우즈 상판 위, 아랫면에 작용한 압력이 상쇄가 되도록 내부 기압 및 무게추의 질량을 선정한다.
2) 파고가 높아짐에 따라 본체 외부 수압이 증가하여 해수 출입구를 통해 해수가 유입되면서 벨로우즈 내부의 수압이 증가하게 된다. 증가된 수압에 의해 벨로우즈가 팽창하면서 상단에 연결된 무게추도 상승하게 된다.
3) 파고가 낮아짐에 따라 본체 외부 수압이 감소하고 벨로우즈 내부의 수압이 감소하게 됨에 따라 벨로우즈가 하강하게 된다. 그에 따라 벨로우즈 상단에 연결된 무게추가 하강하게 되며 무게추에 연결된 이동자는 에너지 발전 어셈블리 내부에서 하강 운동한다.
3m 정도이다. 따라서 파고 대비 약 60% 정도의 진폭을 확보할 수 있음을 대략적으로 파악할 수 있었다.
또한 무게추를 이용하여 대기압 및 수압의 차를 상쇄시켜 이동자의 진폭을 극대화 할 수 있기 때문에 파고가 낮은 우리나라의 해역에 적합한 파력발전기라 할 수 있다. 또한 구동 어셈블리를 실제로 제작하여 수직파도 발생기를 이용하여 파고 대비 약 60%의 진폭 확보가 가능함을 실험적으로 증명하였다.
벨로우즈는 방수가 가능 한 폴리우레탄으로 특수 가공하여 제작하였으며, 완벽한 수밀을 위해 모든 이음새는 실리콘 접착제로 접착하였다. 벨로우즈의 완벽한 수밀과 내구성을 테스트 해보기 위해, 벨로우즈를 밀봉한 채 에어컴프레서를 이용하여 압축공기를 주 입하는 내구성 테스트를 했으며, 5kg/cm²이상의 압력에서도 외형의 변형 없이 수밀이 됨을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 해수압 진동을 이용한 파력발전 장치는 수중에 설치하기 때문에 풍랑 및 해일과 같은 자연 재해에 강인하며, 벨로우즈를 사용하여 내부를 완벽 방수하기 때문에 내부 압력을 조정할 수 있으며, 유지 보수가 용이하다. 또한 무게추를 이용하여 대기압 및 수압의 차를 상쇄시켜 이동자의 진폭을 극대화 할 수 있기 때문에 파고가 낮은 우리나라의 해역에 적합한 파력발전기라 할 수 있다.
3m의 수직파도를 생성하도록 설정하고, 구동 어셈블리의 모의실험을 실시하였다. 파고의 변화에 따라 구동 어셈블리 내의 벨로우즈가 팽창과 수축을 반복함을 확인할 수 있었다. 그림 4는 수직파도의 수면이 최저점과 최고점에 도달 했을 때의 순간화면이다.

후속연구

본 연구팀은 해양공학을 기반으로 한 구동 어셈블리의 기구학 모델링에 대해 연구를 진행하고 있다. 구동 어셈블리의 연구와 함께 그림 3과 같은 4측식 선형발전기의 개발을 병행하고 있으며, 이 두 연구를 기반으로 구동 어셈블리와 선형발전기를 결합시켜, 파도에 의해 실제로 전력 생산이 가능함을 실험적으로 검증하고, 발전량 증대와 효율적 운영을 위한 제어 방법에 대해서도 제안할 계획이다.
이 기관에 따르면 전 세계적으로 향후 2013년까지 파력과 조력·조류에너지 발전 시설이 시설용량 기준 86㎿ 추가 건설될 전망이며, 100여개의 기술이 실증화 및 실용화 테스트 단계를 거칠 것으로 전망되며 그 중 절반정도의 기술은 상업용 규모까지 발전할 것으로 내다봤다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	더글러스 웨스트우드에서 주장하는 해양에너지 시장의 지속적 성장을 위한 시장구조는 어떤 것인가?	이와 같이 파력에너지 개발이 이루어지고 있는 가운데, 에너지 비즈니스 분석기관인 더글러스 웨스트우드(Douglas -Westwood)의 최근 파력·조력에너지 시장전망 보고서는 해양에너지 시장의 지속적 성장을 위해서는 발전단가 하락, 민간 투자 유치, 수요·공급 조절, 지속적 기술개발 및 상용화 연구를 진행할 수 있는 안정적인 시장구조를 만들어나가야할 것이라고 지적했다. 이 기관에 따르면 전 세계적으로 향후 2013년까지 파력과 조력·조류에너지 발전 시설이 시설용량 기준 86㎿ 추가 건설될 전망이며, 100여개의 기술이 실증화 및 실용화 테스트 단계를 거칠 것으로 전망되며 그 중 절반정도의 기술은 상업용 규모까지 발전할 것으로 내다봤다.
	파력에너지는 개발에 어떤 어려움이 있는가?	친환경적인 에너지 개발에 관심이 높아지면서 풍력, 지열, 태양광과 같은 자연 에너지를 이용한 난방 및 전력 생산에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 중 파력에너지는 에너지 밀도가 높기 때문에 신재생 에너지 활용으로써 가치는 높이 평가되나 에너지의 불규칙성 및 구조체의 내구성 확보의 어려움과 같은 문제점이 있기에 개발에 많은 어려움이 있다.
	외국의 파력발전의 대규모 상업화로 어떤 예시가 있는가?	세계적으로 파력발전 개발에 대한 투자가 확대됨에 따라 관련기술에 대한 연구가 빠르게 진행되고 있으며 이에 힘입어 발전 단가도 획기적으로 낮아지고 있어 파력발전의 대규모 상업화가 보다 가시화되고 있는 중이다. 일본에서는 길이 80m, 폭 12m의 부유식 파랑발전 방식 ‘카이메이’를 개발했으며[1], 스코틀랜드는 길이 140m, 직경 3.5m 크기의 원통형 부유체를 이용해 1,000가구가 사용할 수 있는 전기를 만들어낼 수 있는 ‘펠라미스’형 파력발전기를 개발하였다[2]. 호주의 신재생 에너지 기업인 Carnegi Corporation는 기존 파력 발전의 시스템의 한계를 극복한 새로운 시스템인 ‘케토(CETO)'를 개발 중이다[3]. 케토는 수면이 아닌 수심 15~45m의 해저에 설치돼 강력한 태풍에도 견딜 수 있다. 포르투갈에서도 잠수식 파력발전기인 AWS(Archimedes Wave Swing)를 개발하여 단일 파력발전기로 2MW의 발전이 가능함을 실험적으로 증명하였다[3-5].

참고문헌 (7)

김정환, 김유택, 이영호, "해양에너지를 이용한 파력 발전 시스템", 유체기계저널, 제10권, 제1호, pp. 65-76, 2007.

원문보기 상세보기
경조현, 홍사영, 홍도천, "진동수주형 파력발전기의 에너지 흡수효율 해석", 한국해양공학회지, 제20권, 제4호, pp. 64-69, 2006.

원문보기 상세보기
Valerio, D., Beirao, P., "Optimization of wave energy extraction with the Archimedes Wave Swing", Ocean Engineering in press, 2007.
Evans, D.V. "A theory for wave-power absorption by oscillating bodies", J. Fluid Mechanics, voI 71, pp. 1-25, 1976.
Waveswing; 2002. www.waveswing.com.
Falnes, I., "Ocean waves and oscillating system", Cambridge University Press, 2002.
에너지관리공단, "신.재생 에너지 R&D전략 2030", 2008.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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