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NTIS 바로가기韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.3 = no.112, 2013년, pp.67 - 72
이진학 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지연구부) , 오상호 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지연구부) , 박진순 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지연구부) , 이광수 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지연구부) , 이상열 ((주)리우스)
In this study, numerical analyses that considered the dynamic interaction effects between the flow and a turbine were carried out to investigate the power output performance of an H-type Darrieus turbine rotor, which is one of the representative lifting-type vertical-axis tidal-current turbines. For...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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조류발전 터빈이란? | 지난 2009년 국가연구개발사업의 일환으로 울돌목 시험조류발전소가 준공되어 실증실험을 수행한 바 있으며, 이외에도 여러 국가연구개발 사업을 통하여 관련 시스템 기술을 개발하고 있다 (KORDI, 2011). 이러한 조류발전 시스템에 있어 가장 기본적인 시스템 구성 모듈은 조류가 가지고 있는 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 조류발전 터빈이며, 현재 가장 많이 연구되고 있는 조류발전 터빈으로는 기존 상용화 규모의 풍력 터빈과 동일한 수평축 조류발전 터빈(Horizontal axis tidal current turbine)이다. 한편 울돌목 시험조류발전소에서 적용된 바 있는 수직축 조류 발전 터빈(Vertical axis tidal current turbine)은 발전효율 측면에서는 수평축 터빈보다 불리하지만, 발전 시스템 중 주요 구성 모듈이라 할 수 있는 증속기, 발전기, 전력변환장치 등을 모두 수면 위에 설치할 수 있고 또한 조류 방향에 따른 추가적인 고려가 필요 없기 때문에 운영 시 유지관리 측면에서는 유리한 조류발전 터빈 형태이다(KORDI, 2011, Khalid, 2013). | |
기존 수치 시뮬레이션 방법의 장단점은? | 현재까지 적용되어 온 수치 시뮬레이션 방법은 주로 일정한 속도의 흐름을 주고, 이러한 조건에서 터빈을 일정한 각속도로 인위적으로 회전시킬 때 축에서 발생한 토크를 계산하여, 터빈의 출력계수(Power coefficient) 등의 성능을 평가하는 방식이다. 이러한 방법은 프로펠러 등에 의하여 발생하는 추력 등을 평가 하는 데에도 많이 적용되고 있는 방법으로 상대적으로 계산시간을 줄일 수 있는 방법이지만, 실제 터빈 날개가 가지고 있는 관성 모멘트(Inertial moment)를 표현하지 못하기 때문에 어떤 의미에서는 준정적해석(Quasi static analysis)이라고 할 수 있을 것이다. 이 연구에서는 기존 수치 시뮬레이션 방법을 대신하여 유체와 터빈 간의 상호작용을 고려하여 전체 시스템을 분석함으로써 상대적으로 실제 조류발전 터빈의 동작 메카니즘을 더욱 정확 하게 모사하고자 하였다. | |
조류발전이 해양 신재생 에너지 개발에 있어 많은 관심을 받고 있는 이유는? | 한편 조류 에너지의 경우 울돌목을 비롯하여 장죽 수도, 맹골수도, 강화수도 등 여러 해역에서 상용 발전이 가능한 정도의 조류가 흐르고 있어 경제성 있는 시스템 기술이 개발된다면 상용화가 가능할 것으로 기대되고 있다. 특히 조류발전의 경우 방조제로 해수 유통을 차단할 필요가 없고 조력발전과 마찬가지로 발전량 예측이 가능하기 때문에 해양 신재생 에너지 개발에 있어 많은 관심을 받고 있다. |
CD-adapco, 2006. CCM User Manual. Star-CD Version 4.02, CD-adapco.
이를 위하여 이 연구에서는 6자유도 운동을 모사할 수 있는 상용 CFD 코드인 Star-CCM+를 사용하여 발전효율을 평가하였다(CDadapco, 2006).
Han, J.S., Hyun, B.S., Choi, D.H., Mo, J.O., Kim, M.C., Rhee, S.H., 2010. Study on Design of Darrieus-type Tidal Stream Turbine Using Parametric Study. Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, 13(4), 241-248.
Han et al. (2010)의 연구에서는 솔리디티가 0.072인 경우 최적 주속비는 2.75로 분석된 바 있으며, KORDI(2011) 보고서에서는 솔리디티가 0.132인 경우, 최적주속비 2.0에서 47.5%의 효율을 제시한 바 있다.
Hyun, B.S., Choi, D.H., Han, J.S., Jin, J.Y., 2012. Performance Analysis and Design of Vertical Axis Tidal Stream Turbine. Journal of Shipping and Ocean Engineering, 2, 191-200.
한편 Hyun 등(Hyun et al., 2012)은 수치 및 실험연구를 통하여 수직축 터빈에 대한 성능을 평가한 바 있고, 특히 터빈이 수면 상에 놓인 경우 상대적으로 효율이 높게 나온다는 사실을 제시한 바 있다.
Jo, C.-H., Lee, J-H, Rho, Y-H., Ko, K-O., Lee, K-H., 2012. Design and Performance Test of Savonius Tidal Current Turbine with CWC. Journal of Ocean Engineering and Technology, 26 (4), 37-41.
Jung, H.J., Rhee, S.H., Song, M., Hyun, B.S., 2009. A Numerical Study of Unsteady Flow around a Vertical Axis Turbine for Tidal Current Energy Conversion. Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, 12(1), 9-14.
그러나 최근 수직축 터빈에 대한 재인식이 이루어지면서 CFD 분석 및 실험을 통한 특성평가가 활발히 이루어지고 있는데, Jung 등 (Jung et al., 2009)은 상용 코드를 이용하여 조류발전용 수직축 터빈 주위의 비정상 유동을 분석하여 피치가 고정된 3개 혹은 4개의 날개를 갖는 터빈의 효율을 분석하였고, Lee 등 (Lee et al., 2012)은 수직축 조류발전 터빈의 효율을 주속비(TSR, tip speed ratio)와 레이놀즈(Reynolds) 수만의 함수로 표현할 수 있음을 보이고, 터빈 초기설계단계에서의 간편한 용량산정 기법을 제안한 바 있다.
그러나 토크 값은 100-300Nm로 기존의 강제 회전에 의하여 해석한 경우(Jung et al., 2009; Lee et al., 2012)와 비교해 보면 그 폭이 크게 감소하였음을 알 수 있다.
Khalid, S.S., Liang, Z., Shah, N., 2013. Harnessing Tidal Energy Using Vertical Axis Tidal Turbine. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 5(1), 239-252.
한편 울돌목 시험조류발전소에서 적용된 바 있는 수직축 조류 발전 터빈(Vertical axis tidal current turbine)은 발전효율 측면에서는 수평축 터빈보다 불리하지만, 발전 시스템 중 주요 구성 모듈이라 할 수 있는 증속기, 발전기, 전력변환장치 등을 모두 수면 위에 설치할 수 있고 또한 조류 방향에 따른 추가적인 고려가 필요 없기 때문에 운영 시 유지관리 측면에서는 유리한 조류발전 터빈 형태이다(KORDI, 2011, Khalid, 2013).
Korea Ocean Research and Development Institute (KORDI), 2011. Development of Utilization Technique for Tide and Tidal Current Energy. Final Report Submitted to the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs.
지난 2009년 국가연구개발사업의 일환으로 울돌목 시험조류발전소가 준공되어 실증실험을 수행한 바 있으며, 이외에도 여러 국가연구개발 사업을 통하여 관련 시스템 기술을 개발하고 있다 (KORDI, 2011).
한편 울돌목 시험조류발전소에서 적용된 바 있는 수직축 조류 발전 터빈(Vertical axis tidal current turbine)은 발전효율 측면에서는 수평축 터빈보다 불리하지만, 발전 시스템 중 주요 구성 모듈이라 할 수 있는 증속기, 발전기, 전력변환장치 등을 모두 수면 위에 설치할 수 있고 또한 조류 방향에 따른 추가적인 고려가 필요 없기 때문에 운영 시 유지관리 측면에서는 유리한 조류발전 터빈 형태이다(KORDI, 2011, Khalid, 2013).
그리고 한국해양연구원에서는 울돌목 시험조류발전소에서 실증실험을 통하여 조류발전 터빈의 발전효율이 35%에 이르는 것을 확인한 바 있다(KORDI, 2011).
Han et al. (2010)의 연구에서는 솔리디티가 0.072인 경우 최적 주속비는 2.75로 분석된 바 있으며, KORDI(2011) 보고서에서는 솔리디티가 0.132인 경우, 최적주속비 2.0에서 47.5%의 효율을 제시한 바 있다.
한편 솔리디티에 따른 최적 주속비에 관한 연구결과로 NACA0020의 익형을 사용한 결과(KORDI, 2011)와 NACA0012를 사용한 결과(Winchester et al., 2011) 등이 있다.
Lee, D.H., Hyun, B.S., Lee, J.K., Kim, M.C., Rhee, S.H., 2012. Development of Hydrodynamic Capacity Evaluation Method for a Vertical-Axis Tidal Stream Turbine. Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, 15(2), 142-149.
그러나 최근 수직축 터빈에 대한 재인식이 이루어지면서 CFD 분석 및 실험을 통한 특성평가가 활발히 이루어지고 있는데, Jung 등 (Jung et al., 2009)은 상용 코드를 이용하여 조류발전용 수직축 터빈 주위의 비정상 유동을 분석하여 피치가 고정된 3개 혹은 4개의 날개를 갖는 터빈의 효율을 분석하였고, Lee 등 (Lee et al., 2012)은 수직축 조류발전 터빈의 효율을 주속비(TSR, tip speed ratio)와 레이놀즈(Reynolds) 수만의 함수로 표현할 수 있음을 보이고, 터빈 초기설계단계에서의 간편한 용량산정 기법을 제안한 바 있다.
조류발전 터빈의 경우, 유입 속도에 따라 레이놀즈 수가 달라지고 이러한 레이놀즈 수에 따라 출력계수 등의 특성이 달라질 수 있기 때문에 (Lee et al. 2012) 이 연구에서는 조류 유속을 1m/s, 3m/s, 5m/s의 세 가지로 고려하고, 유동에 의한 터빈의 회전을 유발할 수 있도록 하였다.
그러나 토크 값은 100-300Nm로 기존의 강제 회전에 의하여 해석한 경우(Jung et al., 2009; Lee et al., 2012)와 비교해 보면 그 폭이 크게 감소하였음을 알 수 있다.
Shiono, M., Suzuki, K., Kiho, S., 2000. An Experimental Study of the Characteristics of a Darrieus Turbine for Tidal Power Generation. Electronic Engineering in Japan, 132(3), 781-787.
또한 Shiono et al.(2000)의 연구에서는 솔리디티가 0.366으로 비교적 큰 경우 최적 주속비가 1.2-1.3이며, 출력계수는 20-23%로 분석된 바 있다.
Winchester, J.D.L., Quayle, S.D., 2011. Torque Ripple and Power in a Variable Pitch Vertical Axis Tidal Turbine. Proceedings of the 9th European Wave and Tidal Conference, Southhampton, U.K.
한편 솔리디티에 따른 최적 주속비에 관한 연구결과로 NACA0020의 익형을 사용한 결과(KORDI, 2011)와 NACA0012를 사용한 결과(Winchester et al., 2011) 등이 있다.
Yi, J.-H., Oh, S.-H., Park, J.-S., Lee, K.-S., Lee, S.-Y., 2013. Flow- Turbine Interaction CFD Analysis for Performance Evaluation of Vertical Axis Tidal Current Turbines (II). Journal of Ocean Engineering and Technology, 27(3), 73-78.
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