최근 지구온난화 문제가 대두되면서 신재생에너지 개발을 위한 여러 기술적인 해결책이 제시되고 있는데, 그 중 산업적으로 크게 주목을 받고 있는 분야가 바로 해양에너지이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 부존자원이 풍부하여 조력, 조류, 파력에너지에 대한 실용화 기술이 요구되고 있으며, 특히 빠른 조류흐름을 이용하는 조류발전은 해양환경에 거의 영향을 끼치지 않는 친환경적인 발전 방법이다. 조류발전은 조수간만에 의해 발생되는 해수의 자연적인 수평 유체흐름을 로터 및 발전기를 설치하여 회전운동으로 변환시켜 전력을 생산하는 발전 형태이다. 조류발전은 로터의 방향에 따라 크게 수평축 형태와 수직축 형태로 구별할 수 있으며, 발전량은 로터 단면의 크기와 조류속도에 따라 큰차이가 난다. 따라서 본 연구는 저수심형 100 kW급 수평축 조류발전 터빈의 성능해석을 위하여 상용 ANSYS-CFX를 이용하여 3차원 유동해석및 성능평가를 수행하였고, 유동해석을 통해 회전하는 로터 블레이드 표면 유선, 로터 주변 3차원 유동특성에 대해 고찰을 하였다. 그 결과 토크는 터빈의 날개가 증가함에 따라 증가하다가 TSR 3.77에서 최대토크가 발생하였으며, 그 이후 날개끝 속도비가 증가해도 토크는 감소하였다. 또한, 설계유속에서 0.38의 최대 출력계수를 얻었다.
최근 지구온난화 문제가 대두되면서 신재생에너지 개발을 위한 여러 기술적인 해결책이 제시되고 있는데, 그 중 산업적으로 크게 주목을 받고 있는 분야가 바로 해양에너지이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 부존자원이 풍부하여 조력, 조류, 파력에너지에 대한 실용화 기술이 요구되고 있으며, 특히 빠른 조류흐름을 이용하는 조류발전은 해양환경에 거의 영향을 끼치지 않는 친환경적인 발전 방법이다. 조류발전은 조수간만에 의해 발생되는 해수의 자연적인 수평 유체흐름을 로터 및 발전기를 설치하여 회전운동으로 변환시켜 전력을 생산하는 발전 형태이다. 조류발전은 로터의 방향에 따라 크게 수평축 형태와 수직축 형태로 구별할 수 있으며, 발전량은 로터 단면의 크기와 조류속도에 따라 큰차이가 난다. 따라서 본 연구는 저수심형 100 kW급 수평축 조류발전 터빈의 성능해석을 위하여 상용 ANSYS-CFX를 이용하여 3차원 유동해석및 성능평가를 수행하였고, 유동해석을 통해 회전하는 로터 블레이드 표면 유선, 로터 주변 3차원 유동특성에 대해 고찰을 하였다. 그 결과 토크는 터빈의 날개가 증가함에 따라 증가하다가 TSR 3.77에서 최대토크가 발생하였으며, 그 이후 날개끝 속도비가 증가해도 토크는 감소하였다. 또한, 설계유속에서 0.38의 최대 출력계수를 얻었다.
As the problems of global warming are brought up recently, many skillful solutions for developing new renewable energy are suggested. One of the most remarkable things is ocean energy. Korea has abundant ocean energy resources owing to geographical characteristics surrounded by sea on three sides, t...
As the problems of global warming are brought up recently, many skillful solutions for developing new renewable energy are suggested. One of the most remarkable things is ocean energy. Korea has abundant ocean energy resources owing to geographical characteristics surrounded by sea on three sides, thus the technology of commercialization about tidal current power, wave power is demanded. Especially, Tidal energy conversion system is a means of maintaining environment naturally. Tidal current generation is a form to produce electricity by installing rotors, generators to convert a horizontal flow generated by tidal current into rotating movement. According to rotor direction, a tidal current turbine is largely distinguished between horizontal and vertical axis shape. Power capacity depends on the section size crossing a rotor and tidal current speed. We therefore investigated three dimensional flow analysis and performance evaluation using commercial ANSYS-CFX code for an 100 kW class horizontal axis turbine for low water level. Then We also studied three dimensional flow characteristics of a rotating rotor and blade surface streamlines around a rotor. As a result, We found that torque increased with TSR, the maximum torque occurred at TSR 3.77 and torque decreased even though TSR increased. Moreover we could get power coefficient 0.38 at designed flow velocity.
As the problems of global warming are brought up recently, many skillful solutions for developing new renewable energy are suggested. One of the most remarkable things is ocean energy. Korea has abundant ocean energy resources owing to geographical characteristics surrounded by sea on three sides, thus the technology of commercialization about tidal current power, wave power is demanded. Especially, Tidal energy conversion system is a means of maintaining environment naturally. Tidal current generation is a form to produce electricity by installing rotors, generators to convert a horizontal flow generated by tidal current into rotating movement. According to rotor direction, a tidal current turbine is largely distinguished between horizontal and vertical axis shape. Power capacity depends on the section size crossing a rotor and tidal current speed. We therefore investigated three dimensional flow analysis and performance evaluation using commercial ANSYS-CFX code for an 100 kW class horizontal axis turbine for low water level. Then We also studied three dimensional flow characteristics of a rotating rotor and blade surface streamlines around a rotor. As a result, We found that torque increased with TSR, the maximum torque occurred at TSR 3.77 and torque decreased even though TSR increased. Moreover we could get power coefficient 0.38 at designed flow velocity.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 부남군도 등과 같은 서남해안 저수심 해역에 발전단지 구성이 가능한 100 kW급 소형 수평축 터빈에 대해 다양한 성능해석을 수행하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 선행연구에서 날개요소운동량 이론으로 개발된 설계기법을 이용하여 설계된 조류발전 단지용 100 kW급 소형 수평축 터빈의 성능 평가를 목적으로 상용 ANSYS-CFX를 이용한 수치해석적 결과를 바탕으로 로터 블레이드 표면유선 및 로터 주변 3차원 유동특성을 비교, 고찰하고 TSR에 따른 다양한 터빈의 성능해석을 수행하고자 한다.
본 논문에서는 수평축 조류발전의 성능향상에 기여하고자 상용코드 CFD를 이용하여 수평축 조류발전용 터빈을 Fig. 1에 보이고 있다. 터빈의 직경은 8미터, 터빈의 깃 수는 3매이다.
본 연구에서는 저수심 해역에 발전단지 구성이 가능한 100 kW급 소형 조류발전용 수평축 터빈에 대해 유체유동 상용 프로그램인 CFX를 이용하여 TSR의 변화에 따른 3차원 유동특성 고찰 및 성능평가를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 부남군도 등과 같은 서남해안 저수심 해역에 발전단지 구성이 가능한 100 kW급 소형 수평축 터빈에 대해 다양한 성능해석을 수행하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 선행연구에서 날개요소운동량 이론으로 개발된 설계기법을 이용하여 설계된 조류발전 단지용 100 kW급 소형 수평축 터빈의 성능 평가를 목적으로 상용 ANSYS-CFX를 이용한 수치해석적 결과를 바탕으로 로터 블레이드 표면유선 및 로터 주변 3차원 유동특성을 비교, 고찰하고 TSR에 따른 다양한 터빈의 성능해석을 수행하고자 한다.
제안 방법
1. CFD 유동해석을 통하여 터빈의 로터 로터 블레이드 주위에 발생하는 복잡한 3차원 유동현상의 정확한 이해를 위해 TSR의 변화에 따른 표면 압력분포와 표면유선의 다양한 중첩된 가시화 결과를 조사하였다.
본 연구에서는 3차원 정상상태 유동장의 해석을 위해 범용 CFD 해석 툴인 CFX를 이용하였으며 입구조건으로 균일 속도유입조건을 적용하였으며 다양한 운전 상태에서 해석조건의 반영을 위하여 TSR의 변화에 따른 계산조건을 설정하였다. TSR의 변화를 반영하기 위해 일정한 입구측 유입속도를 유지하고 TSR 0.42~8.79까지 변화시키며 계산을 수행하였다. Table 1에 조류터빈의 제원을 나타내었다.
수치해석을 하는데 있어서 해의 정확도를 좌우하는 가장 중요한 부분의 하나가 계산격자이며, 우수한 품질의 격자를 생성하기는 쉽지가 않다. 격자를 생성하는 과정에서 복잡한 형상에 대하여 상당히 우수한 3차원 정렬격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 이용하였다. 설계된 터빈의 전산유동 해석을 위해 회전하는 로터 영역과 로터 주위의 유체 영역에 대해 해의 정확도와 해의 수렴성을 고려하여 로터영역에 1,021,451개의 노드와 3,602,790개의 엘리먼트로 구성된 비정렬 격자이며, 로터를 둘러싸고 있는 유체 영역은 로터와 마찬가지로 비정렬격자이며 61,493개의 노드와 316,119개의 엘리먼트로 구성되어 있다.
설계된 터빈의 전산유동 해석을 위해 회전하는 로터 영역과 로터 주위의 유체 영역에 대해 해의 정확도와 해의 수렴성을 고려하여 로터영역에 1,021,451개의 노드와 3,602,790개의 엘리먼트로 구성된 비정렬 격자이며, 로터를 둘러싸고 있는 유체 영역은 로터와 마찬가지로 비정렬격자이며 61,493개의 노드와 316,119개의 엘리먼트로 구성되어 있다. 격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체 격자계는 정렬 다중 블록 격자계(Structured multi-block grid)로 구성하였다. 또한, 유동 해석을 수행할 때 가장 큰 에러의 원인 중의 하나는 난류모델의 부적절한 사용이라 할 수 있으며, 계산격자의 생성은 적용 난류모델의 특성에 따라 원활한 수렴 및 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해 y+, 경계층 격자 밀집도, 격자형태, Aspect ratio 등을 신중히 고려해야 한다.
2는 계산격자의 다양한 형태를 나타내었다. 경계 조건으로 외부도메인 출구영역에 Averaged static pressure 조건을 부여하였고, 단일 블레이드 계산을 위하여 양쪽 주기 경계면에 Periodic 조건을 부여하였다.
구성된 격자계와 수량은 Tetrahedra 31만개, Triangle 280만개, Pentgon 105만개, Quad 2,400개, Pyramid 7,000여개로 전체 엘리먼트 수는 약 418만개 이다. 계산격자는 ICEM CFD를 이용하여 생성하였다.
로터 블레이드 주위에 발생하는 복잡한 3차원 유동현상의 정확한 이해를 위해 TSR의 변화에 따른 표면 압력분포와 표면유선의 다양한 중첩된 가시화 결과를 조사하였다.
수치해석은 유량을 초기조건 및 경계조건으로 입력하여 계산을 수행하는 것으로, ANSYS 사에서 제작한 유체유동 상용프로그램인 ANSYS ICEM CFD와 ANSYS CFX 두 가지 프로그램을 사용하였다. 본 연구에서는 3차원 정상상태 유동장의 해석을 위해 범용 CFD 해석 툴인 CFX를 이용하였으며 입구조건으로 균일 속도유입조건을 적용하였으며 다양한 운전 상태에서 해석조건의 반영을 위하여 TSR의 변화에 따른 계산조건을 설정하였다. TSR의 변화를 반영하기 위해 일정한 입구측 유입속도를 유지하고 TSR 0.
임의의 유속에서 로터에 의하여 발생하는 출력은 블레이드 끝단과 유체의 상대속도에 의해 크게 좌우된다. 본 연구에서는 TSR 1.26～6.28의 범위에서 얻어진 토크 값을 측정하여 조류터빈의 효율을 계산하여 Fig. 8과 같이 TSR과 토크 및 출력계수 변화를 나타내었다. 토크는 조류의 일정유입속도에 대해 터빈의 회전속도가 증가함에 따라 비례적으로 증가하다가 TSR 3.
블레이드 주위 영역과 블레이드 주위를 제외한 외부 영역으로 구성된 이중분할 격자계를 구성하였으며, 내부 회전영역과 외부 영역의 맞닿는 부분의 Interface 조건으로 General connect - Frozen rotor 조건을 적용하였고, Mesh connect method는 GGI(General Grid Interface) 조건을 사용하였다. 블레이드에서 발생하는 토크의 정확한 예측을 위해 블레이드 주변영역을 tetrahedra 격자계로 구성하였고, 나머지 영역은 Wedge 격자계로 구성하였으며 두 영역의 경계면은 Pyramids 격자로 처리하였다.
본 연구에서는 유체기계 해석에 탁월한 성능을 보이는 CFX-TASC flow의 솔버 기술과 다양한 물리 모델을 결합하여 새롭게 개발된 Fully implicit pressure based AMG coupled solver인 CFX를 사용하였다. 수치해석은 유량을 초기조건 및 경계조건으로 입력하여 계산을 수행하는 것으로, ANSYS 사에서 제작한 유체유동 상용프로그램인 ANSYS ICEM CFD와 ANSYS CFX 두 가지 프로그램을 사용하였다. 본 연구에서는 3차원 정상상태 유동장의 해석을 위해 범용 CFD 해석 툴인 CFX를 이용하였으며 입구조건으로 균일 속도유입조건을 적용하였으며 다양한 운전 상태에서 해석조건의 반영을 위하여 TSR의 변화에 따른 계산조건을 설정하였다.
대상 데이터
격자를 생성하는 과정에서 복잡한 형상에 대하여 상당히 우수한 3차원 정렬격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 이용하였다. 설계된 터빈의 전산유동 해석을 위해 회전하는 로터 영역과 로터 주위의 유체 영역에 대해 해의 정확도와 해의 수렴성을 고려하여 로터영역에 1,021,451개의 노드와 3,602,790개의 엘리먼트로 구성된 비정렬 격자이며, 로터를 둘러싸고 있는 유체 영역은 로터와 마찬가지로 비정렬격자이며 61,493개의 노드와 316,119개의 엘리먼트로 구성되어 있다. 격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체 격자계는 정렬 다중 블록 격자계(Structured multi-block grid)로 구성하였다.
수평축 조류발전의 유동해석을 위한 계산 격자는 Fig. 1 에 보이는 것처럼 Triangle, Quad 격자계로 로터 블레이드 주위 격자수는 102만 노드이며, 외부 도메인의 격자수는 61,000 노드이다. 전체 계산격자 수는 108만 노드이다.
이론/모형
따라서, 본 연구에서는 복잡한 내부 유동장에 대해서 상대적으로 우수한 터빈해석결과를 얻을 수 있는 것으로 알려진 k-ω SST 난류모델을 적용하였다.
최근 전산해석 기술의 눈부신 발달에 힘입어 선진 연구기관을 중심에서는 이론적으로 명확한 해석이 가능하고 다양한 물지적 변수를 포함할 수 있다는 장점이 있는 CFD에 의한 로터 블레이드 2차원 및 3차원 수치해석과 다양한 로터 블레이드용 익형에 대한 수치해석적 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 유체기계 해석에 탁월한 성능을 보이는 CFX-TASC flow의 솔버 기술과 다양한 물리 모델을 결합하여 새롭게 개발된 Fully implicit pressure based AMG coupled solver인 CFX를 사용하였다. 수치해석은 유량을 초기조건 및 경계조건으로 입력하여 계산을 수행하는 것으로, ANSYS 사에서 제작한 유체유동 상용프로그램인 ANSYS ICEM CFD와 ANSYS CFX 두 가지 프로그램을 사용하였다.
터빈의 직경은 8미터, 터빈의 깃 수는 3매이다. 블레이드 주위 영역과 블레이드 주위를 제외한 외부 영역으로 구성된 이중분할 격자계를 구성하였으며, 내부 회전영역과 외부 영역의 맞닿는 부분의 Interface 조건으로 General connect - Frozen rotor 조건을 적용하였고, Mesh connect method는 GGI(General Grid Interface) 조건을 사용하였다. 블레이드에서 발생하는 토크의 정확한 예측을 위해 블레이드 주변영역을 tetrahedra 격자계로 구성하였고, 나머지 영역은 Wedge 격자계로 구성하였으며 두 영역의 경계면은 Pyramids 격자로 처리하였다.
성능/효과
2. 블레이드 국부단면 흐름특성으로부터 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행하는 반경류(Radial flow)의 형성을 표면 유선으로부터 확인 할 수 있으며, 이 반경류는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시키는 역할을 하였다.
3. 소형 조류발전용 수평축 터빈에 대한 성능해석 결과, 토크는 일정 유입속도에 대해 터빈의 회전속도가 증가함에 따라 증가하며, TSR 3.77에서 최대 토크가 발생하였고, TSR 5.44에서 최대 성능계수 0.38을 얻었다.
5의 (a)에서 보는 바와 같이 허브 근방의 낮은 TSR에서는 블레이드 후방에 중심와류가 형성됨을 알 수 있고, 이로 인해 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행한 반경류(Radial flow)는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시켜 실속(Stall)의 원인이 된다. 또한, 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행하는 반경류의 형성을 표면유선(Surface streamline)으로부터 확인 할 수 있으며, 이 반경류는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시키는 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 특히, Fig.
66GHz, Quard-Core Processor이며 RAM은 8 GB이다. 모든 계산은 1,000회 반복계산 이전에 수렴되었으며, 수행시간은 최적화된 상태로부터 대략 1 case 당 5시간 정도 소요 되었다. 계산격자의 난류모델 의존성에 대해서 검토하였으며, 일반적으로 k-ε모델은 유동박리 현상이 지배적인 유동장의 예측에 있어 해석결과의 정도가 낮다고 평가되고 있으므로, 로터 블레이드 표면으로부터 발생되는 실속현상 등을 포함하는 복잡한 3차원 유동현상을 파악하기 위한 적용 난류모델로서 적합하지 않다.
7과 같이 나타내었다. 블레이드를 통과한 유체의 흐름 특성을 파악하고자 허브(H : 1.6 m)를 기준으로 후방 0.13 H, 0.38 H, 0.63 H, 0.88 H에서 TSR별로 비교하였으며, 최대 출력계수가 나타난 TSR 5.44를 기준으로 출력에 큰 영향을 미치는 블레이드의 70 % 부근에서 완만히 분포한 후류 흐름을 보인 0.63 H에서의 유선을 나타내었다.
최대 출력계수가 발생하는 TSR 5.44의 후방 0.625 H에서는 블레이드 후방에서 와류를 형성하는 다른 조건에서 보다 유선의 흐름이 완만하고, 특히 블레이드 제작 용이성 및 제작비용 절감을 위해 성능에 큰 영향을 미치는 영역인 허브로 부터 70 %∼90 % 사이의 영역에서 유선의 흐름이 고르게 분포되었고, TSR 2.09, 3.77보다 상대적으로 와류에 의한 손실이 적게 나타났다.
후속연구
한편, 중·소형 조류발전 및 해양 소수력용 터빈은 주로 수직축 터빈 관한 연구(한국에너지기술평가원, 2010; 이, 2009)가 대부분으로, 이러한 터빈은 설치 및 관리는 용이하나 낮은 효율 특성을 보인다. 따라서 저수심에서도 고효율 특성을 보이는 로터 직경이 10 m이내의 수평축 터빈에 대한 추가적 연구가 필요하다.
끝으로 조류발전은 여타의 신재생에너지에 비해 자연환경의 훼손이 적은 친환경에너지일 뿐 아니라 예측이 가능하여 기저 부하에 도움을 줄 수 있는 것으로 알려져 있으나, 현재까지 기술개발이 미진하여 상용화에 어려움이 많다. 따라서, 본 연구를 통하여 국내 상용 조류발전이 조기 실현되기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 연안에 부존하고 있는 해양에너지자원은 어느 정도 규모인가?
해양에너지는 대규모로 개발이 가능한 무한한 재생 에너지 자원으로 오염문제가 없는 무공해 자원이며 미래의 유망에너지 자원이다. 특히, 국내 연안에는 조력 650만 kW, 조류 100만 kW, 파력 650만 kW를 포함하여 총 1,400만 kW의 해양에너지자원이 부존되어 있는 것으로 추정되고 있으며, 서남해안은 세계적으로 보기 드문 조류발전의 적지이다( , 2009).
터빈 블레이드에 요구되는 조건은 무엇인가?
조류발전은 지구의 자전 및 태양과 달의 인력에 기인하는 해수면의 상승/하강 운동인 조석현상에 의하여 발생하는 해수의 유동에너지를 조류터빈을 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 조류에너지를 회수하여 전기에너지로 변환하는 핵심장치인 터빈 블레이드, Gear box 및 발전기로 구분할 수 있다. 특히, 블레이드는 시스템 안전성, 출력, 에너지 변환효율, 연간 발전량에 직접적인 영향을 주므로 형상/구조 및 최적설계가 요구된다. 조류발전은 풍력발전의 풍속 및 풍향의 불확실성과 태양광에너지의 날씨에 대한 불확실성의 단점을 극복할 수 있는 신뢰성 있는 에너지로서 조석은 예측가능한 현상으로 정확한 발전량 예측이 가능하며 댐을 건설할 필요가 없으므로 해수유동이 자유롭기 때문에 선박의 운항과 생태계에 미치는 영향이 적다.
해양에너지는 어떻게 구분되는가?
친환경 재생에너지는 전세계에 걸쳐 화석연료의 유한성 및 경제성 악화로 그 필요성이 점차 커지게 되었다. 그 중 바닷물 그 자체가 에너지인 해양에너지는 크게 파력, 조류, 해수온도차 및 조력으로 대별할 수 있다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해양에너지 부존자원이 풍부하며 대체에너지로서의 개발가치가 높다.
참고문헌 (11)
김기평, 강호근, 이영호(2010), 외벽을 장착한 양방향 입출실 에너지 집적형 조류발전터빈의 성능평가, 한국 마린엔지니어링학회 논문집, pp. 455-457.
김종춘(2011), 기후변화 국제정책 동향, 한국자동차공학회지, 오토저널, 제33권, 제5호, pp. 55-57.
한국에너지기술평가원(2010), MW급 조류발전시스템 표준화 모델 개발, pp. 8-14.
Burton, T., D. Sharpe, N. Jenkins and E. Bossanyi (2003), Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons Ltd., pp. 1-56.
Doherty, D. M. O., A. Mason-Jones, T. O. Doherty and C. B. Byrne(2009), Considerations of Improved Tidal Stream Turbine Performance Using Double Rows of Contra-Rotating Blades, European Wave and Tidal Energy Conference, Vol. 8, pp. 434-442.
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