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진동수주형 파력발전구조물의 최적형상에 대한 검토
Discussion on Optimal Shape for Wave Power Converter Using Oscillating Water Column 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.5, 2011년, pp.345 - 357  

이광호 ((일) 나고야대학교 공학연구과 사회기반공학) ,  박정현 (한국해양대학교 토목공학과) ,  백동진 (한국해양대학교 토목공학과) ,  조성 (K-water, 경인항만건설단) ,  김도삼 (한국해양대학교 토목공학과)

초록
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최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다. 특히, 케이슨 내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의 상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형 파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치로 알려져 있고, 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다. 본 연구에서는 진동수주형 파력발전구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 2차원 및 3차원수치실험으로부터 검토하며, 이 때 형상의 변화에 따른 공기의 최대흐름속도를 추정하여 진동수주형 파력발전구조물의 최적형상을 논의한다. 수치해석에서는 기체와 액체의 혼상동적현상을 동일한 지배방정식으로 해석하는 혼상류(2상류)수치모델에 기초한 3차원수치파동수로를 적용하였다. 이로부터 입사주기대에 따라 최적형상의 크기가 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 최소의 반사율이 발생하는 주기 대에서 공기흐름이 최대로 된다는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, as part of diversifying energy sources and earth environmental issues, technology development of new renewable energy using wave energy is actively promoted and commercialized around Europe and Japan etc. In particular, OWC(Oscillating Water Column) wave power generation system using air f...

주제어

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문제 정의

  • 본 절에서는 2상류수치모델에 의한 3차원수치파동수로에서 파랑과 구조물과의 상호간섭현상에 대한 타당성을 검증하기 위하여 中村(1999)가 제시하고 있는 Fig. 1의 저반사구조물의 반사율에 대한 수리모형실험 및 수치모형실험의 결과(神野, 2001)와를 비교ㆍ검토하며, 이와 병행하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技術硏究センタ, 2001)에 의한 수치해석도 수행하여 그 결과를 함께 제시한다. Fig.

가설 설정

  • 따라서, 수조폭을 20 m 구조물의 폭(전면 curtain wall, 공기실, 후면부의 케이슨)을 전부 10 m로 가정하고, 후면 케이슨부의 상단에 있는 공기유출부는 구조물의 중앙부에 두고 공기흐름을 빠르게 하기 위하여 그의 단면적을 줄였으며(크기는 2×2m의 정사각형), 다른 부재의 연직방향 크기는 Fig. 9에서 제시한 2차원의 경우와 동일하다.
  • 해석에서는 자유수면추적에 VOF법(Hirt and Nichols, 1981)을, 이산화방정식에 SMAC법(Amsden and Harlow, 1970)을, 난류해석에 LES법(Smagorinsky, 1963)을 각각 적용하며, 무반사조파시스템을 구현한 3차원수치조파수로를 적용한다. 이때, 공기실내의 공기압의 변화는 없는 것으로 가정하며, 형상치수를 변화시켜 Wells터빈이 놓이는 위치에서 공기흐름속도가 최대로 되는 경우를 대상으로 연구를 진행하였다. 먼저, 본 연구의 타당성을 검증하기 위하여 반사율에 관한 기존의 수치해석결과와 실험결과 및 일본 연안개발기술센터에서 개발한 CADMAS-SURF(沿岸開發技術硏究センタ, 2001)에 의한 수치해석결과와 본 연구의 3차원혼상류에 의한 수치해석결과를 각각 비교·검토하고, 동시에 공기실내의 공기흐름속도에 관해서는 CADMAS-SURF로부터 공기실내에서 수위변동의 시간변화로부터 산정된 공기흐름속도와 본 연구의 3차원혼상류법으로부터 얻어진 공기흐름속도를 비교·검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가장 효율적인 파랑에너지흡수장치로 알려진 시스템은 무엇인가? 최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다. 특히, 케이슨 내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의 상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형 파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치로 알려져 있고, 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다. 본 연구에서는 진동수주형 파력발전구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 2차원 및 3차원수치실험으로부터 검토하며, 이 때 형상의 변화에 따른 공기의 최대흐름속도를 추정하여 진동수주형 파력발전구조물의 최적형상을 논의한다.
WEC이 분류될 수 있는 관점은 무엇인가? WEC는 형식, 형상, 파랑에너지의 추출방법 및 설치위치 등의 여러 관점에서 분류될 수 있지만, McCormick(1981)은 기본적인 WEC의 기술을 다음의 5개의 범주로 나타내고 있다. 즉, (1) 물체의 연직 및 회전운동, (2) 공동공진(cavity resonator), (3) 파동장에서 유체압력, (4) 천해에서 파의 전후동(surging), (5) 물입자운동을 이용한 에너지변환기술로 대별된다.
WEC의 기술을 5개의 범주로 나타낸다면 어떻게 나타낼 수 있는가? WEC는 형식, 형상, 파랑에너지의 추출방법 및 설치위치 등의 여러 관점에서 분류될 수 있지만, McCormick(1981)은 기본적인 WEC의 기술을 다음의 5개의 범주로 나타내고 있다. 즉, (1) 물체의 연직 및 회전운동, (2) 공동공진(cavity resonator), (3) 파동장에서 유체압력, (4) 천해에서 파의 전후동(surging), (5) 물입자운동을 이용한 에너지변환기술로 대별된다. 여기서, (3), (4) 및 (5)는전기에너지로의 변환효율이 상대적으로 낮기 때문에 WEC로서의 가능성이 그다지 크지 않은 것으로 지적되고 있다(McCormick, 1981).
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