[논문]해양 파력 발전 시스템 설계를 위한 부유체 거동에 관한 연구

박영규; 정호윤; 최윤환; 이연원

doi:10.5916/jkosme.2011.35.5.632

[국내논문] 해양 파력 발전 시스템 설계를 위한 부유체 거동에 관한 연구
Study on the Motion of Floater Structure for Design of Wave Energy Generation in Ocean 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.5, 2011년, pp.632 - 639

(부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , (부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 박영규 (부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 정호윤 (부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 최윤환 (부경대학교 BK21 스마트기계 사업팀) , 이연원 (부경대학교 기계자동차공학과)

초록
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해양 파력 발전 시스템의 설계를 위하여 본 연구에서는 6-자유도운동해석 기법을 적용한 3차원 CFD 해석으로 두 개의 부유체에 대한 거동을 유입되는 파의 성질에 따라 해석하였다. 수조모델내에서의 파의 생성형상을 현재 실험에서 가장 많이 사용되는 피스톤 형식의 조파기와 동일한 형태의 파를 생성하였으나 얕은 수심으로 인하여 바닥면에서 생성되는 에크만 경계층에 의해 파의 에너지가 감쇄되는 현상을 보였다. 생성된 파를 이용하여 파장에 따른 부유체의 거동을 계산한 결과 파장이 5m인 경우 부유체의 최대 진폭은 0.3m, 파장 1m인 경우 최소 진폭은 0.15m 그리고 파장 6m인 경우 부유체간 최대 거리는 1.06m로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to design a wave energy generate system, a 6-Degree of freedom motion analysis technique was applied to the three-Dimensional CFD analysis on two floating body and the behavior was interpreted according to the nature of the incoming wave. The waves are generated by the same type of wave in the model of tank using the piston type, but due to the shallow water that is generated from the bottom of the wave energy is attenuated by Ekman boundary layer. According to the wavelength of waves generated by the result of evaluating the behavior of floating body, it is concluded that 0.3m is the maximum amplitude of wavelength of 5m, and 0.15m is the minimum amplitude of wavelength of 1m. 1.06m is the maximum distance between the two floaters of wavelength of 6m.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 주기파가 생성되었을 때 부유체 변위 및 회전 각도에 대한 고찰이므로 파장을 변수로 선택하여 파장의 변화에 따른 부유체의 변위를 확인하였다. Figure 5는 비정상상태 계산에서파 생성 후 9초인 시점에서 파장 크기 변화에 따른 Z-방향의 중앙 X-Y단면에서의 속도 벡터를 비교한 그림이다.

가설 설정

Figure 3과 같이 왼쪽벽면은 파를 생성하는 역할을 하는 좌우로 이동하는 피스톤 wall로 가정을 하였고 위쪽벽면은 열린면으로(Opening type) 설정하였다. 오른쪽 출구면(Outlet)에서는 깊이에 따른 정수압 p = ρgh 를 부여하였고 바닥은 고체벽면으로 가정하여 점착조건(no-slip)을 적용하였다.
오른쪽 출구면(Outlet)에서는 깊이에 따른 정수압 p = ρgh 를 부여하였고 바닥은 고체벽면으로 가정하여 점착조건(no-slip)을 적용하였다.

제안 방법

펠라미스 시스템과 같은 대형 해양 발전시스템을 설계하려면 파의 성질에 따른 다단식 부유체 운동에 관한 기술 구축이 필요하며 부유체의 상호작용에 의한 발전시스템 내부에 장착된 유압 피스톤의 주행 거리에 따른 발전시스템의 최적화 설계가 결정될 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구에서는 CFD를 이용하여 수치해석 수조모델 내에서의파의 생성현상을 구현하였고 파장의 변화에 따른 두 부유체의 거동을 시간에 따른 변위와 회전 각도를 계산하여 비교 분석하였다.
본 연구에서는 6-자유도운동해석 기법을 적용한 3차원 CFD 해석으로 두개의 부유체에 대한 거동을 유입되는 파의 성질에 따라 해석하였다. 현재 실험에서 가장 많이 사용되는 피스톤 형식의 조파기와 동일한 형태의 파를 생성하였으나 얕은 수심으로 인하여 바닥면에서 생성되는 에크만 경계층에 의해 파의 에너지가 감쇠되는 현상을 보였다.

데이터처리

파의 주기적인 변화에 따라서 자유표면에의 거동을 해석하기 위하여 물과 공기 2상의 유체에 대한 해석을 수행하였으며 해석을 위하여 본 연구에서는 상용해석코드인 ANSYS CFX-13을 이용하였다.

이론/모형

또한 부유체의 운동은 6-자유도강체(6-DOF Rigid Body) 해석법을 사용하였으며, 본 연구에서는 두 부유체에 대한 운동을 해양에서 주로 많이 발생하고 지배적인 운동방향인 heave(3)와 pitch(5) 만 고려하여 계산하였으며 Figure 4에 6-자유도운동을 제시하였다. 부유체의 시간에 따른 거동을 나타내기 위해 비정상상태 계산을 수행하였으며, 해석 정밀도를 확인하기 위하여 courant [6]수를 비교한 결과 시간 간격은 0.

성능/효과

[3]의 연구에 의하면 펠라미스 시스템은 파력에너지를 변환하는 다른 시스템에 비해 발전효율도 높다고 언급하였다. [4] EMINENT software tool을 이용하여 해석한 결과 펠라미스의 기술이 응용될 경우 파력에너지자원의 이용이 더욱 큰 스케일에서 사용될 수 있을 것이라고 예측하였다.
그림에서 시간이 지나면 초기 c-d의 거리는 c'-d'와 같이 변하게 되고 결과적으로 거리의 증가와 감소는 다단식 부유체 발전시스템 설계에 있어서 유압 실린더 내에 설치될 피스톤의 왕복이동행정과 관련되므로 시간에 따른 두 부유체 사이의 거리변화 값이 발전시스템 내부 유압시스템 설계에 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 두 부유체 사이에서의 거리는 파장이 가장 큰 6m인 경우 가장 높은 값인 1.06m로 확인되었으며 c-d 간의 거리는 파장이 증가함에 따라 비례적으로 증가하지만 50초가 지나면 증가폭이 다소 불규칙하게 변동됨을 알 수 있다. 불규칙한 거동은 왼쪽 부유체와 오른쪽 부유체가 시간이 지나면서 위상차가 커지기 때문인 것으로 생각된다.
또한 부유체의 운동은 6-자유도강체(6-DOF Rigid Body) 해석법을 사용하였으며, 본 연구에서는 두 부유체에 대한 운동을 해양에서 주로 많이 발생하고 지배적인 운동방향인 heave(3)와 pitch(5) 만 고려하여 계산하였으며 Figure 4에 6-자유도운동을 제시하였다. 부유체의 시간에 따른 거동을 나타내기 위해 비정상상태 계산을 수행하였으며, 해석 정밀도를 확인하기 위하여 courant [6]수를 비교한 결과 시간 간격은 0.1초가 적합한 것으로 판단되었으며 총 10초에 대한 부유체의 거동을 계산하였다.
현재 실험에서 가장 많이 사용되는 피스톤 형식의 조파기와 동일한 형태의 파를 생성하였으나 얕은 수심으로 인하여 바닥면에서 생성되는 에크만 경계층에 의해 파의 에너지가 감쇠되는 현상을 보였다. 생성된 파를 이용하여 파장에 따른 부유체의 거동을 계산한 결과 파장이 5m인 경우 부유체의 최대 진폭은 0.3m, 파장 1m인 경우 최소 진폭은 0.15m 그리고 파장 6m인 경우 부유체간 최대 거리는 1.06m로 계산되었다.
전체적으로 좌측 벽면 근처에서는 파가 생성되는 구간이므로 유체의 속도가 상대적으로 다른 지점보다 큰 것으로 나타났고 좌측 피스톤 벽면과의 거리가 멀어지면서 속도가 점차 감소되었다. 에너지의 감쇠가 일어나는 원인은 수심이 깊지 않으므로 바닥 경계면에서 발생하는 에크만 경계층(Ekman layer)에 의해 전체적인 에너지의 감쇠가 진행된다고 판단된다.
Figure 8과 Figure 9는 각각 좌-우 부유체에 대한 시간 경과에 따른 회전각도를 파장 크기에 따라서 비교한 그림이다. 파가 유입되면 좌우 두 부유체가 동시에 시간에 따라 각 각 b와 e를 중심으로 회전운동을 할 것이며 좌-우 두 부유체의 파장이 클수록 회전각도가 커지는 경향을 보였으며 파장이 동일한 경우 좌측 부유체에서의 회전 각도가 우측보다 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다.
파의 에너지가 비교적 큰 왼쪽 부유체에 위치한 지점 a, b, c에서 파장이 증가함에 따라 커지는 파고가 불규칙하게 증가하는 양상을 보이며 파의 에너지가 상대적으로 많이 감소된 오른쪽 부유체 지점 d, e, f에서의 파장 변화에 따른 파고의 변동은 왼쪽 부유체에 비해 규칙적인 형태를 보인다. 여기서 진폭은 아래의 식으로 정의할 수 있다.
본 연구에서는 6-자유도운동해석 기법을 적용한 3차원 CFD 해석으로 두개의 부유체에 대한 거동을 유입되는 파의 성질에 따라 해석하였다. 현재 실험에서 가장 많이 사용되는 피스톤 형식의 조파기와 동일한 형태의 파를 생성하였으나 얕은 수심으로 인하여 바닥면에서 생성되는 에크만 경계층에 의해 파의 에너지가 감쇠되는 현상을 보였다. 생성된 파를 이용하여 파장에 따른 부유체의 거동을 계산한 결과 파장이 5m인 경우 부유체의 최대 진폭은 0.

후속연구

Figure 7의 설명에서 언급한 바와 같이 각 지점에서의 변위와 Figure 8과 9에서와 같이 두 부유체 사이의 회전각도의 변화는 부유체의 시간에 따른 모든 운동에 대한 정보를 계산할 수 있으므로 부유체 발전 시스템 내부 최적화 설계에 도움을 주는 유용한 기초자료가 될 것이다.
특히 펠라미스 시스템은 효율이 높고 시설비가 적게 들며 유지보수가 용이하므로 유망한 해양 에너지 자원으로 판단되며 향후 펠라미스 시스템에 대한 응용분야 또한 성장해 나갈 것으로 전망된다. 그리고 에너지자원이 고갈되는 위기 하에 지속적인 발전을 이어가려면 해양 파력에너지를 이용한 발전시스템 설계가 꼭 필요하다고 생각된다.
펠라미스 시스템과 같은 대형 해양 발전시스템을 설계하려면 파의 성질에 따른 다단식 부유체 운동에 관한 기술 구축이 필요하며 부유체의 상호작용에 의한 발전시스템 내부에 장착된 유압 피스톤의 주행 거리에 따른 발전시스템의 최적화 설계가 결정될 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구에서는 CFD를 이용하여 수치해석 수조모델 내에서의파의 생성현상을 구현하였고 파장의 변화에 따른 두 부유체의 거동을 시간에 따른 변위와 회전 각도를 계산하여 비교 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파력에너지를 변환하는 시스템인 펠라미스 시스템이 유망한 해양 에너지 자원으로 판단되는 이유는 무엇인가?	특히 펠라미스 시스템은 효율이 높고 시설비가 적게 들며 유지보수가 용이하므로 유망한 해양 에너지 자원으로 판단되며 향후 펠라미스 시스템에 대한 응용분야 또한 성장해 나갈 것으로 전망된다. 그리고 에너지자원이 고갈되는 위기 하에 지속적인 발전을 이어가려면 해양 파력에너지를 이용한 발전시스템 설계가 꼭 필요하다고 생각된다.
	해양 파력 발전 시스템의 설계를 위하여 본 연구에서는 무슨 기법을 적용한 3차원 CFD 해석으로 두 개의 부유체에 대한 거동을 유입되는 파의 성질에 따라 해석하였는가?	해양 파력 발전 시스템의 설계를 위하여 본 연구에서는 6-자유도운동해석 기법을 적용한 3차원 CFD 해석으로 두 개의 부유체에 대한 거동을 유입되는 파의 성질에 따라 해석하였다. 수조모델내에서의 파의 생성형상을 현재 실험에서 가장 많이 사용되는 피스톤 형식의 조파기와 동일한 형태의 파를 생성하였으나 얕은 수심으로 인하여 바닥면에서 생성되는 에크만 경계층에 의해 파의 에너지가 감쇄되는 현상을 보였다.
	파력에너지를 변환하는 시스템 중 영국의 펠라미스사에서 최초 개발한 것은 무엇인가?	파력에너지를 변환하는 시스템 중에서 Figure 1의 펠라미스 시스템(Pelamis system)은 영국의 펠라미스사에서 최초 개발한 것으로 2004년 스코틀랜드에 길이 120m,직경 3.5m 그리고 750kW 전력을 공급 가능한 시제품 펠라미스 시스템을 설치하였다[2].

참고문헌 (6)

Richard Bound, Status and Research and Development Priorities, Wave and Marine Accessed Energy, UK Dept. of Trade and Industry(DTI), DTI Report # FES-R-132, AEAT Report # AEAT/ENV/1054, United Kingdom,2003.
Antonio F.de O.Falcao, "Wave energy utilization: A review of the technologies," Renewable and Sustainable Energy Reviews vol. 14, no. 3, pp. 899-918, 2010.

상세보기
A. Al-Habaibeh, D. Su, J. McCague and A. Knight, "An innovative approach for energy generation from waves", Energy Conversion and Management, vol. 51, no. 8, pp. 1664-1668,2010.

상세보기
Igor Bulatov, Simon J Perry and Jiri J Klemes, "A new emerging energy technology - Pelamis-Demonstration of the assessment by EMINENT tool", Chemical Engineering Transactions, vol. 18, pp. 105-110, 2009.
Robert G. Dean and Robert A. Dalrymple,Water Wave mechanics, for Engineers and Scientists, World Scientific, 1991.
ANSYS CFX 13.0 Solver theory

저자의 다른 논문 :

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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