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문제 정의
- 챔버 스커트의 흘수와 해저면 슬로프 각도 변화등 구조물의 형상 변화에 따른 최대 수면 변위를 조사하고 각 형상에 따른 영향을 파악하였다. 또한, 이를 통해 최대 파력 에너지 추출 효율을 가지는 최적화된 발전기 형상을 예측하고자 하였다. 또한, 챔버가 완전 개방된 경우와 부분 개방된 경우(직경 3cm 노즐)에 수면 변위를 계측하여 챔버 공기압이 수면 변위에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 실험 연구는 고정식 진동 수주형 파력발전기의 최대 에너지 추출을 위한 최적 형상을 예측하고, 발전기 형상 초기설계에 필요한 기본적인 설계인자들의 영향력을 파악하는데 있다. 이를 위해 2차원 실험 수조(길이 35m, 폭 0.
- 본 연구는 최대 파력 에너지 추출 효율을 갖는 최적 형상의 고정식 진동 수주형 파력발전기(OWC)를 파악하기 위한 기초 실험 연구로써, 발전기의 구조물 형상에 따른 챔버내 수면 변위를 측정하여 각 형상 파라메타의 영향을 분석하였다. 챔버 스커트 흘수와 해저면 슬로프 각의 변화, 그리고 챔버의 공기압의 영향(챔버의 부분 개방)등 총 18가지의 모델을 실험하였다.
제안 방법
- 2차원 수조를 이용하여 모델을 제작하고 챔버 스커트 흘수와 해저면 슬로프 각의 변화, 그리고 챔버의 공기압의 영향 (챔버 노즐 유무)등 총 18가지의 모델을 실험하여 각 변수에 따른 챔버내 수면 변위를 비교 분석하였다.
- 실험에서 사용한 파 주기와 그 파에 따른 파장의 길이를 Table 2에서 나타내었다. 구조물로부터 전방으로 3m, 10m에 파고계를 설치하여 조건에 맞는 입사파의 생성 여부를 확인하였다. 구조물에 의한 반사파가 조파기에서 재반사되어 측정 결과에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 실험에서 측정한 시계열 데이터를 분석하여 재반사의 영향이 없는 정상 상태의 값을 챔버 수면 변위값으로 정하였다.
- 구조물로부터 전방으로 3m, 10m에 파고계를 설치하여 조건에 맞는 입사파의 생성 여부를 확인하였다. 구조물에 의한 반사파가 조파기에서 재반사되어 측정 결과에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 실험에서 측정한 시계열 데이터를 분석하여 재반사의 영향이 없는 정상 상태의 값을 챔버 수면 변위값으로 정하였다.
- 파고계를 통해서 나오는 전기적 신호(Volt)를, 잔잔한 수면 상에서의 전기적 기준값 0(Zero)을 바탕으로 전기적신호와 파고계 수직 위치간의 비(캘리브레이션 상수)를 구한 뒤, 앰프에서 증폭된 아날로그적 전압의 변화량을 DAQ를 통해 디지털 신호로 바꾸고, 이를 최종적으로 컴퓨터로 읽어서 길이 단위의 파고로 기록 하였다. 또한 구해진 캘리브레이션 상수를 이용하여 조파기 진폭과 회전수를 조절하여 그에 따른 각 주파수별로 일정한 파고(1cm)를 가지는 파를 생성하였다. 실험에서 사용한 파 주기와 그 파에 따른 파장의 길이를 Table 2에서 나타내었다.
- 또한, 이를 통해 최대 파력 에너지 추출 효율을 가지는 최적화된 발전기 형상을 예측하고자 하였다. 또한, 챔버가 완전 개방된 경우와 부분 개방된 경우(직경 3cm 노즐)에 수면 변위를 계측하여 챔버 공기압이 수면 변위에 미치는 영향을 파악하였다. 따라서 본 실험은, 차후 각 연안 지역의 고유 파주기에 따른 파력 발전기 최적화 형상 설계와 그에 따른 발전 효율성 제고 및 실용화 가능성을 고찰할 수 있는 기초 연구가 될 것이다.
- 2에 나타내었다. 본 연구에서 수행한 실험 경우의 수는 총 18가지로, 각각 3종류의 스커트 흘수(d)와 슬로프 각(s) 변화를 설정하였고, 여기에 챔버 노즐의 완전 개방과 부분 개방(D=3cm)의 경우를 고려하였다. 본 연구에 사용된 모델에 대한 구체적인 제원과 형상 변화에 따른 주요 사항은 Table 1에 기술하였다.
- 본 연구에서는 2차원 해양 수조에 고정식 진동 수주형 파력 발전기 모델을 설치하고 각 입사 주파수에 따른 챔버내 수면 변위를 계측하였다. 챔버 스커트의 흘수와 해저면 슬로프 각도 변화등 구조물의 형상 변화에 따른 최대 수면 변위를 조사하고 각 형상에 따른 영향을 파악하였다.
- 챔버 스커트 흘수와 해저면 슬로프 각의 변화, 그리고 챔버의 공기압의 영향(챔버의 부분 개방)등 총 18가지의 모델을 실험하였다. 여기에 총 16가지의 입사 파주기(0.6sec~2.7sec)를 대입하여 공진 주기를 포함한 각 주기별 챔버 자유수면 변동을 계측하고 이를 분석하였다. 각각의 모델 조건에 따라 적절하게 8~11개의 입사파 주기를 사용하였다.
- 본 실험 연구는 고정식 진동 수주형 파력발전기의 최대 에너지 추출을 위한 최적 형상을 예측하고, 발전기 형상 초기설계에 필요한 기본적인 설계인자들의 영향력을 파악하는데 있다. 이를 위해 2차원 실험 수조(길이 35m, 폭 0.5m)에 모델을 설치하고 각 형상 파라메타를 변화시키면서 실험을 수행하였다. 고정식 진동 수주형 파력 발전기 모델에 대한 전체적인 실험 개요도를 Fig.
- 실험에서 사용된 Flap-type의 2차원 조파장치는 진폭(Stroke)과 조파기의 Inverter frequency를 변화시켜 조파기와 연결된 축의 회전수(RPM)를 조절하여 생성파의 주기와 진폭을 조절할 수 있다. 정확한 조파와 계측을 위해서 파고계의 보정(캘리브레이션)을 수행하였다. 파고계를 통해서 나오는 전기적 신호(Volt)를, 잔잔한 수면 상에서의 전기적 기준값 0(Zero)을 바탕으로 전기적신호와 파고계 수직 위치간의 비(캘리브레이션 상수)를 구한 뒤, 앰프에서 증폭된 아날로그적 전압의 변화량을 DAQ를 통해 디지털 신호로 바꾸고, 이를 최종적으로 컴퓨터로 읽어서 길이 단위의 파고로 기록 하였다.
- 챔버 내 수면변위에 큰 영향을 주는 스커트 흘수의 영향을 명확하게 알아보기 위해 슬로프 각을 15°로 고정시킨 상태에서 흘수의 변화에 따른 챔버 내 수면변위의 값을 Fig. 7에서 비교하였다.
- 본 연구에서는 2차원 해양 수조에 고정식 진동 수주형 파력 발전기 모델을 설치하고 각 입사 주파수에 따른 챔버내 수면 변위를 계측하였다. 챔버 스커트의 흘수와 해저면 슬로프 각도 변화등 구조물의 형상 변화에 따른 최대 수면 변위를 조사하고 각 형상에 따른 영향을 파악하였다. 또한, 이를 통해 최대 파력 에너지 추출 효율을 가지는 최적화된 발전기 형상을 예측하고자 하였다.
- 정확한 조파와 계측을 위해서 파고계의 보정(캘리브레이션)을 수행하였다. 파고계를 통해서 나오는 전기적 신호(Volt)를, 잔잔한 수면 상에서의 전기적 기준값 0(Zero)을 바탕으로 전기적신호와 파고계 수직 위치간의 비(캘리브레이션 상수)를 구한 뒤, 앰프에서 증폭된 아날로그적 전압의 변화량을 DAQ를 통해 디지털 신호로 바꾸고, 이를 최종적으로 컴퓨터로 읽어서 길이 단위의 파고로 기록 하였다. 또한 구해진 캘리브레이션 상수를 이용하여 조파기 진폭과 회전수를 조절하여 그에 따른 각 주파수별로 일정한 파고(1cm)를 가지는 파를 생성하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 장치는 2차원 수조 왼쪽에 설치된 Flap-type의 조파기, 저항식 파고계, 파고계에서 측정한 신호를 증폭하는 앰프(AMP), 앰프에서 증폭된 데이터를 디지털 신호로 수집하는 DAQ(Data acquisition device), 그리고 최종적으로 데이터를 저장하고 분석하는 컴퓨터 등이 있다. 실험 모델은 Table 1의 제원대로 아크릴로 제작되었으며, 3종류의 흘수와 슬로프 각을 변화시킬 수 있도록 스커트의 길이와 슬로프 각 조절이 가능한 구조로 제작하였다.
- 본 실험에서 사용한 장치는 2차원 수조 왼쪽에 설치된 Flap-type의 조파기, 저항식 파고계, 파고계에서 측정한 신호를 증폭하는 앰프(AMP), 앰프에서 증폭된 데이터를 디지털 신호로 수집하는 DAQ(Data acquisition device), 그리고 최종적으로 데이터를 저장하고 분석하는 컴퓨터 등이 있다. 실험 모델은 Table 1의 제원대로 아크릴로 제작되었으며, 3종류의 흘수와 슬로프 각을 변화시킬 수 있도록 스커트의 길이와 슬로프 각 조절이 가능한 구조로 제작하였다. Fig.
- 실험에서 사용된 Flap-type의 2차원 조파장치는 진폭(Stroke)과 조파기의 Inverter frequency를 변화시켜 조파기와 연결된 축의 회전수(RPM)를 조절하여 생성파의 주기와 진폭을 조절할 수 있다. 정확한 조파와 계측을 위해서 파고계의 보정(캘리브레이션)을 수행하였다.
- 본 연구는 최대 파력 에너지 추출 효율을 갖는 최적 형상의 고정식 진동 수주형 파력발전기(OWC)를 파악하기 위한 기초 실험 연구로써, 발전기의 구조물 형상에 따른 챔버내 수면 변위를 측정하여 각 형상 파라메타의 영향을 분석하였다. 챔버 스커트 흘수와 해저면 슬로프 각의 변화, 그리고 챔버의 공기압의 영향(챔버의 부분 개방)등 총 18가지의 모델을 실험하였다. 여기에 총 16가지의 입사 파주기(0.
이론/모형
- 따라서 본 실험은, 차후 각 연안 지역의 고유 파주기에 따른 파력 발전기 최적화 형상 설계와 그에 따른 발전 효율성 제고 및 실용화 가능성을 고찰할 수 있는 기초 연구가 될 것이다. 본 실험의 준비를 위해, 수치 해석을 통한 고정식 진동 수 주형 파력발전기의 에너지 추출 효율을 연구한 경조현 등 (2006)과 구원철 등 (2010)의 논문과 실험적 연구를 한 김성근 등 (1996)의 논문을 참조하였다.
성능/효과
- 공진주기는 슬로프 각이 10° 일때 λ/cw=16 으로 슬로프 각이 증가함에 따라 장파 영역으로 이동한다. 따라서 본 실험 모델과 같은 형태의 챔버와 입사파간의 공진 주기는 챔버 스커트의 흘수에 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 앞에서 비교한 결과들처럼 장파 영역의 입사파는 챔버내로의 투과 성능이 뛰어나기 때문에 공진 주기보다 큰 경우는 슬로프 각(s=10° 와 s=15° 경우)에 대한 영향이 작아져서 그 차이가 거의 없지만, 슬로프 각이 최대인 경우(s=20°)에는 수면 변위가 오히려 감소하는 것을 관측할 수 있다.
- 챔버 내 공기압이 존재할 경우, 공기압의 영향이 없는 경우에 비해 공진 주기가 장파영역으로 이동하였고 공진 주기 이후에 수면 변위가 매우 완만한 변화를 가지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 챔버내 공기압은 공진주기 이동과 공진 주기 영역에서 수면 변위 패턴에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 슬로프 각의 영향은 상대적으로 작은 것으로 파악되었다.
- 또한, 공진 주기 구간이 장파영역으로 이동(λ/cw ≈16)하였고, 보다 넓은 주파수 영역에서 수면 변위가 최대값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 또한, 흘수에 따른 공진주기의 이동으로 인해 λ/cw=8 과 15 일때 스커트의 흘수가 클수록 챔버내 수면변위가 높아지는 역전현상이 일어남을 알 수 있다.
- 슬로프 각의 영향은 상대적으로 작은 것으로 파악되었다. 수심 대 흘수비에 따른 공진주기의 이동은 오픈 챔버의 경우 공진 주기가 현격히 이동함을 확인할 수 있지만, 공기압의 영향이 있을 경우 최대 수면 변위를 가지는 공진 주기의 이동은 거의 없음을 알 수 있었고, 그 주기도 챔버 폭 대비 약 15배 이상의 장파영역에서 형성됨을 알 수 있다.
- 챔버 내 공기압이 존재할 경우, 공기압의 영향이 없는 경우에 비해 공진 주기가 장파영역으로 이동하였고 공진 주기 이후에 수면 변위가 매우 완만한 변화를 가지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 챔버내 공기압은 공진주기 이동과 공진 주기 영역에서 수면 변위 패턴에 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
- 챔버 폭(cw)에 대한 상대적인 입사파장이 길수록, 즉 주기가 클수록 입사파고 대비 챔버내 수면 변위는 공진주기(λ/cw =8~9)까지 대체로 증가하여 입사파고 대비 최대 2.7배 까지 증가하며 그 뒤로는 점차 감소하는 것을 알 수 있다.
- 챔버가 완전히 개방되어 챔버내 공기압이 대기압과 같은 경우, 스커트의 흘수가 커질수록 최대 수면 변위를 가지는 공진 주기가 장파영역으로 이동함을 확인할 수 있었고, 입사파고 대비 최대 수면 변위 값도 증가하였다. 또한, 입사파장의 길이에 따른 챔버내 투과성의 차이로 인해, 단파영역에서는 챔버 수면 변위 값이 작고 장파영역에서는 대체로 수면 변위가 큰 것을 알 수 있다.
- 또한, 입사파장의 길이에 따른 챔버내 투과성의 차이로 인해, 단파영역에서는 챔버 수면 변위 값이 작고 장파영역에서는 대체로 수면 변위가 큰 것을 알 수 있다. 해저면 슬로프 각에 대한 영향은 각이 증가함에 따라 공진주기이전의 짧은 파장에서는 대체로 작아짐을 알 수 있었다. 이는 챔버 내 투과성이 상대적으로 작은 단파에서 슬로프 각의 증가에 따른 파 에너지의 유입이 제한되기 때문이다.
후속연구
- 또한, 챔버가 완전 개방된 경우와 부분 개방된 경우(직경 3cm 노즐)에 수면 변위를 계측하여 챔버 공기압이 수면 변위에 미치는 영향을 파악하였다. 따라서 본 실험은, 차후 각 연안 지역의 고유 파주기에 따른 파력 발전기 최적화 형상 설계와 그에 따른 발전 효율성 제고 및 실용화 가능성을 고찰할 수 있는 기초 연구가 될 것이다. 본 실험의 준비를 위해, 수치 해석을 통한 고정식 진동 수 주형 파력발전기의 에너지 추출 효율을 연구한 경조현 등 (2006)과 구원철 등 (2010)의 논문과 실험적 연구를 한 김성근 등 (1996)의 논문을 참조하였다.
- 본 실험을 통해 고정식 진동수주형 파력 발전기의 초기 설계에 필요한 기본적인 형상 인자들의 영향을 파악하였고, 특정 입사주파수 영역에 대한 최대 수면 변위를 가지는 최적화 형상을 위해서는 스커트 흘수와 챔버 공기압의 영향이 반드시 고려되어야 한다고 판단된다.
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