파력발전장치 설계를 위한후포 연안의 파랑 분석 및 스펙트럼 추정 Wave Analysis and Spectrum Estimation for the Optimal Design of the Wave Energy Converter in the Hupo Coastal Sea원문보기논문타임라인
파력변환장치에는 여러 가지 형식이 있으며 지점흡수식이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만, 국내외적으로 진동형 전력부이 형식의 설계를 위한 계통적 실측자료 분석 예는 찾기가 어렵다. 본 연구는 권 등(2010)에 의해 제안된 지점흡수식인 공진형 파동에너지 추출시스템에 작용하는 파랑외력을 산정하고자 한다. 본 연구는 경북 동해안에 위치한 후 포항 북방파제 전면수역에서 수압식 파고계를 이용하여 약 3년동안 관측한 자료(2002년 5월 1일~2005년 3월 29일)를 대상으로 시계열 스펙트럼을 분석하였다. 분석결과, 월별주기변동과 파고변동이 뚜렷하게 나타나며 월별 파력이 년 간 불균등하게 분포함을 알았다. 상시파랑의 평균 파형경사는 풍파영역인 0.02-0.04보다 작은 0.01이였다. 년 중 파의 평균주기의 최빈값은 5.31 sec 이며 본 주기에 해당하는 파고 중 최빈 파고는 0.32m이다. 첨두 주기의 발생확률은 이산형(bi-modal)으로 나타나며 4.47 sec와 6.78 sec에서 mode값을 보인다. 설계주기는 이러한 4개의 값으로부터 선택할 수 있다. 파고는 1m 이하가 약 95%를 차지하고 있다. 본 연구를 통하여 파력이 미약한 해역에서는 공진형 파력 시스템이 필요하며 파력의 월별 불균등 분포를 극복하기 위한 최적설계가 전력생산단지(Wave Energy Farm) 형성을 위한 주요한 과제임을 알았다. 본 연구는 상시파랑의 평균스펙트럼에 대하여 표준스펙트럼으로 표현이 불가능하여 3개의 매개변수로 표현이 가능한 새로운 스펙트럼형을 제안하였으며 파력부이에 의한 전력생산 예측과 피로해석을 위한 기본 자료를 제공할 수 있다.
파력변환장치에는 여러 가지 형식이 있으며 지점흡수식이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만, 국내외적으로 진동형 전력부이 형식의 설계를 위한 계통적 실측자료 분석 예는 찾기가 어렵다. 본 연구는 권 등(2010)에 의해 제안된 지점흡수식인 공진형 파동에너지 추출시스템에 작용하는 파랑외력을 산정하고자 한다. 본 연구는 경북 동해안에 위치한 후 포항 북방파제 전면수역에서 수압식 파고계를 이용하여 약 3년동안 관측한 자료(2002년 5월 1일~2005년 3월 29일)를 대상으로 시계열 스펙트럼을 분석하였다. 분석결과, 월별주기변동과 파고변동이 뚜렷하게 나타나며 월별 파력이 년 간 불균등하게 분포함을 알았다. 상시파랑의 평균 파형경사는 풍파영역인 0.02-0.04보다 작은 0.01이였다. 년 중 파의 평균주기의 최빈값은 5.31 sec 이며 본 주기에 해당하는 파고 중 최빈 파고는 0.32m이다. 첨두 주기의 발생확률은 이산형(bi-modal)으로 나타나며 4.47 sec와 6.78 sec에서 mode값을 보인다. 설계주기는 이러한 4개의 값으로부터 선택할 수 있다. 파고는 1m 이하가 약 95%를 차지하고 있다. 본 연구를 통하여 파력이 미약한 해역에서는 공진형 파력 시스템이 필요하며 파력의 월별 불균등 분포를 극복하기 위한 최적설계가 전력생산단지(Wave Energy Farm) 형성을 위한 주요한 과제임을 알았다. 본 연구는 상시파랑의 평균스펙트럼에 대하여 표준스펙트럼으로 표현이 불가능하여 3개의 매개변수로 표현이 가능한 새로운 스펙트럼형을 제안하였으며 파력부이에 의한 전력생산 예측과 피로해석을 위한 기본 자료를 제공할 수 있다.
There exist various types of the WEC (Wave Energy Converter), and among them, the point absorber is the most popularly investigated type. However, it is difficult to find examples of systematically measured data analysis for the design of the point absorber type of power buoy in the world. The study...
There exist various types of the WEC (Wave Energy Converter), and among them, the point absorber is the most popularly investigated type. However, it is difficult to find examples of systematically measured data analysis for the design of the point absorber type of power buoy in the world. The study investigates the wave load acting on the point absorber type resonance power buoy wave energy extraction system proposed by Kweon et al. (2010). This study analyzes the time series spectra with respect to the three-year wave data (2002.05.01~2005.03.29) measured using the pressure type wave gage at the seaside of north breakwater of Hupo harbor located in the east coast of the Korean peninsula. From the analysis results, it could be deduced that monthly wave period and wave height variations were apparent and that monthly wave powers were unevenly distributed annually. The average wave steepness of the usual wave was 0.01, lower than that of the wind wave range of 0.02-0.04. The mode of the average wave period has the value of 5.31 sec, while mode of the wave height of the applicable period has the value of 0.29 m. The occurrence probability of the peak period is a bi-modal type, with a mode value between 4.47 sec and 6.78 sec. The design wave period can be selected from the above four values of 0.01, 5.31, 4.47, 6.78. About 95% of measured wave heights are below 1 m. Through this study, it was found that a resonance power buoy system is necessary in coastal areas with low wave energy and that the optimal design for overcoming the uneven monthly distribution of wave power is a major task in the development of a WEF (Wave Energy Farm). Finding it impossible to express the average spectrum of the usual wave in terms of the standard spectrum equation, this study proposes a new spectrum equation with three parameters, with which basic data for the prediction of the power production using wave power buoy and the fatigue analysis of the system can be given.
There exist various types of the WEC (Wave Energy Converter), and among them, the point absorber is the most popularly investigated type. However, it is difficult to find examples of systematically measured data analysis for the design of the point absorber type of power buoy in the world. The study investigates the wave load acting on the point absorber type resonance power buoy wave energy extraction system proposed by Kweon et al. (2010). This study analyzes the time series spectra with respect to the three-year wave data (2002.05.01~2005.03.29) measured using the pressure type wave gage at the seaside of north breakwater of Hupo harbor located in the east coast of the Korean peninsula. From the analysis results, it could be deduced that monthly wave period and wave height variations were apparent and that monthly wave powers were unevenly distributed annually. The average wave steepness of the usual wave was 0.01, lower than that of the wind wave range of 0.02-0.04. The mode of the average wave period has the value of 5.31 sec, while mode of the wave height of the applicable period has the value of 0.29 m. The occurrence probability of the peak period is a bi-modal type, with a mode value between 4.47 sec and 6.78 sec. The design wave period can be selected from the above four values of 0.01, 5.31, 4.47, 6.78. About 95% of measured wave heights are below 1 m. Through this study, it was found that a resonance power buoy system is necessary in coastal areas with low wave energy and that the optimal design for overcoming the uneven monthly distribution of wave power is a major task in the development of a WEF (Wave Energy Farm). Finding it impossible to express the average spectrum of the usual wave in terms of the standard spectrum equation, this study proposes a new spectrum equation with three parameters, with which basic data for the prediction of the power production using wave power buoy and the fatigue analysis of the system can be given.
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문제 정의
공진형파동에너지추출시스템은파력발전단지를형성하여인근 지역에 안정적인 전력을 공급하고자 하는 것이 목표이다. 따라서 계절별 부존 파력과 공급의 불균형을 해소하기 위해서는 우선 부존파력의 계절적 변화특성을 파악해야 한다.
즉, 스펙트럼 정보는 진폭의 증폭과 관계되므로 부이의 설계에 이용하고, 발전기 운동자는 부이와 위상차를 발생시켜야 하므로 부이의 설계주기와는 다른 평균주기의 정보가 필요하다. 단, 상시파랑의 스펙트럼은 어느 정도 큰 풍파를 표시할 수 있는 표준 스펙트럼으로는 표현이 불가능하므로 새로운 수학식을 제안하고자 한다.
6에 보인 바와 같이 연간 평균에너지 밀도분포는 JONSWAP 스펙트럼의 형태로 표현하기가 어렵다. 본 연구는 상시파랑의 평균에너지밀도를 다음의 식 (5)에 보이는 누적함수 분포형태를 보이는 GEV(Generalized Extreme Value) 분포로 추적하고자 한다.
본 연구는 실해역 관측자료로부터 부유식 파력에너지 추출시스템에 요구되는 상시파랑의 특성을 파악하여 공진형 전력생산부이와 발전기 설계를 위한 입력 자료를 검토한다. 또한 전력생산부이의 성능평가에 중요한 입력자료에 해당하는 평균 스펙트럼을 추정하여 기존의 스펙트럼의 한계와 새로운 형식의 스펙트럼 추정함수를 제안하였다.
이 때, 파고가 커지면 커질수록 파고-주기 상관관계도 높아진다. 본 연구는 월별 파고와 주기의 분포 특성을 파악하고자 하며, 이러한 파랑특성계수의 변화는 파력부이의 최적설계와 파력발전단지(WEF; Wave Energy Farm) 조성을 위한 부이의 최적 흘수심 조정을 위한 입력정보로 활용될 수 있다.
본 연구에서는 지점흡수식 파력변환장치의 공진형 부이와 직렬발전기의 운동자 설계를 위한 실해역 관측자료를 분석하였다. 후포해역에서 구해진 관측자료의 분석 결과를 통해 구해진 주요 결론 및 토의사항은 다음에 정리하였다.
정점 WHP01에서 관측된 자료는 매 30분마다의 스펙트럼으로부터 유의파고, 첨두주기, 평균주기 등의 파랑특성계수들로 환산된다. 이러한 자료들을 바탕으로 연중 특성값을 분석해야 하며 여기서는 평균주기의 최빈값과 유의파고와 첨두주기의 상시파랑 스펙트럼을 각각 분석하고자 한다. 즉, 스펙트럼 정보는 진폭의 증폭과 관계되므로 부이의 설계에 이용하고, 발전기 운동자는 부이와 위상차를 발생시켜야 하므로 부이의 설계주기와는 다른 평균주기의 정보가 필요하다.
제안 방법
- 상시파랑의 평균에너지밀도를 누적함수 분포형태의 GEV 분포로 추적하여 첨두주파수에 상당하는 에너지밀도는 약간 작게 나타나지만 전체 주파수 영역에서는 비교적 유사한 결과를 제시하는 새로운 상시파랑의 스펙트럼 표현식을 제안하였다.
- 후포항 북방파제 전면해역에서 취득한 3년간의 실해역 관측자료에 대한 스펙트럼 분석을 통하여 유의파고, 첨두주기, 평균주기 등의 파랑특성계수들을 산출하였다.
5초 간격으로 연속적으로 계측된 압력자료를 30분마다 2,048개씩 선정하고 FFT 기법을 사용하여 압력 스펙트럼을 구하였다. 그 다음에 선형파 이론에서 구해진 주파수별 파압-파고 스펙트럼 전달함수를 적용하여 압력 스펙트럼을 파랑에너지 스펙트럼으로 변환하고 이를 사용하여 유의파고 Hs, 첨두주기 Tp, 평균주기 Tz 등의 파랑특성 계수들을 산출하였다. 이때, 0.
본 연구는 실해역 관측자료로부터 부유식 파력에너지 추출시스템에 요구되는 상시파랑의 특성을 파악하여 공진형 전력생산부이와 발전기 설계를 위한 입력 자료를 검토한다. 또한 전력생산부이의 성능평가에 중요한 입력자료에 해당하는 평균 스펙트럼을 추정하여 기존의 스펙트럼의 한계와 새로운 형식의 스펙트럼 추정함수를 제안하였다.
본 연구는 Tz의 최빈값을 얻기 위하여 다음과 같은 수순과 방법으로 분석하였다.
자료 해석 시에는 먼저 0.5초 간격으로 연속적으로 계측된 압력자료를 30분마다 2,048개씩 선정하고 FFT 기법을 사용하여 압력 스펙트럼을 구하였다. 그 다음에 선형파 이론에서 구해진 주파수별 파압-파고 스펙트럼 전달함수를 적용하여 압력 스펙트럼을 파랑에너지 스펙트럼으로 변환하고 이를 사용하여 유의파고 Hs, 첨두주기 Tp, 평균주기 Tz 등의 파랑특성 계수들을 산출하였다.
파력발전 부이의 최적설계를 위해서는 시간에 따른 주기변화에 대한 정보를 파악해야 한다. 파랑 인자는 1개월 이내의 짧은 기간 중에도 큰 변화를 보이고 있으나, 본 연구에서는 월별 대표 주기 및 파고 변화를 중점적으로 분석하였다. 정점 WHP01에서 관측된 자료의 유의파고와 첨두주기 시계열 자료의 시간 도시(time plot)는 Fig.
78초에서 각각 나타나고 있다. 평균 스펙트럼이 표준 스펙트럼형으로 설명이 가능하지 여부를 알기 위하여 JONSWAP 스펙트럼 및 천해 효과를 고려한 TMA 스펙트럼과 비교하였다. JONSWAP 스펙트럼을 TMA 스펙트럼으로 변환하는 방법은 Suh et al.
후포 연안의 파랑특성 분석은 이 등(1984)에 의하여 수행된 바가 있으나 결측율이 상당히 높고 또 설치수심에도 큰 차이가 나서 상세한 비교는 생략하였다. 조 등(2012)에 따르면 기본적인 파랑정보는 1년 이상의 자료를 사용하는 경우, 파랑 모수 추정오차는 크게 감소하며, 3년 정도의 자료를 사용하는 경우 평균 파고 추정오차는 10% 이내, 평균 주기 추정오차는 0.
대상 데이터
본 연구는 경상북도 울진군 소재 후포항의 동측 및 북측 해안 부근(Fig. 2 참조)에서 수압식 파고계(WTG; Wave and Tide Gauge)로 취득한 파랑자료를 분석대상으로 한다. 후포항에서의 파랑관측은 해수교환시설의 최적설계를 위한 파랑조건 검토를 위해 2002년 4월 26일부터 정점 WHP01(129o 27'40''E,36o40'35''N, 수심 = 약 10 m)에서 시작되었으며 2005년 5월부터는 정점 WHP02(수심 = 약 18.
5 m)로 위치를 변경하고 현재까지 관측이 계속되고 있다. 본 연구에서는 전력생산부이의 현장 성능시험 평가를 위한 위치 및 수심 조건이 유사한 정점 WHP01 지점에서 2002년 5월~2005년 3월까지 취득된 약 3년간의 자료를 분석하였다.
이론/모형
JONSWAP 스펙트럼을 TMA 스펙트럼으로 변환하는 방법은 Suh et al.(2010) 및 US Army Corps of Engineers에서 발간한 CEM manual(2008)을 참조하였다. 또한 Holthusijen(2007)이 제안한 간략 환산계수 공식도 이용하여 그 차이를 비교하였다.
(2010) 및 US Army Corps of Engineers에서 발간한 CEM manual(2008)을 참조하였다. 또한 Holthusijen(2007)이 제안한 간략 환산계수 공식도 이용하여 그 차이를 비교하였다.
송 등(2004)은 우리나라의 평균파력에너지 부존량이 단위파봉장당 대략3 kW/m이며 계절별 변화가 뚜렷한 것으로 제시하였다. 본 연구에서는 송 등(2004)의 연구에서 제시한 다음의 식 (1)을 사용하여 불규칙파의 평균파력을 산정하였다.
성능/효과
- 월별 주기변화는 대체로 최대발생빈도 주기 mode값과 자승평균인 rms값이 일치하지 않는 것으로 나타났으나 산술평균주기 TZ의 변화는 비교적 연중 안정된 것으로 나타났다.
- 첨두주기는 계절적 변화가 뚜렷하게 나타나서 여름철에 길고 겨울철에 짧은 특성을 보였으며 유의파고도 유사한 경향을 나타내어 유의파고와 첨두주기의 상관성이 뚜렷하지는 않으나 어느정도(상관계수 = 0.625)의 상관관계를 보이는 것으로 확인되었다.
- 파고-주기 산포도에 의한 최빈 주기값과 최빈주기에 해당하는 파고의 분포를 분석한 결과 평균주기의 최빈값은 5.31초이며, 최빈주기 ±10% 영역에 포함되는 유의파고의 평균은 0.45 m로 나타났다.
- 평균 스펙트럼과 표준 스펙트럼형의 합치성을 판별하기 위하여 JONSWAP 스펙트럼 및 TMA 스펙트럼과 비교한 결과 상당한 차이를 나타냈다.
73 kW/m이다. 따라서 후포연안의 평균 파력부존량 1.73 kW/m에 대하여 약 20% 전력 추출효율을 가정하면, rms 값으로 0.3~0.4 kW급 발전기 규모가 적절하다고 판단된다.
31초보다 상당히 주기가 긴 파에 해당한다. 즉, 에너지 밀도가 가장 큰 8.53초 주기대의 파는 자주 발생한 파보다 빈도는 낮으나 비교적 파고가 큰 파가 내습한 것으로 판단할 수 있다.
73 kW/m이다. 평균 파력부존량 1.73 kW/m에 대하여 약 20% 전력 추출효율을 가정하면 0.3~0.4 kW급 발전기 규모가 적절하다고 판단된다.
후속연구
5초 정도로 제시되었다. 따라서 보다 장기간의 자료를 이용한 검증이 필요하기도 하지만 본 연구에서 사용한 후포 연안의 3년간의 자료는 후포 연안의 평상조건에서의 파랑정보를 대표할 수 있는 자료로 간주할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경북 동해안에 위치한 후 포항 북방파제 전면수역에서 수압식 파고계를 이용하여 약 3년동안 관측한 자료(2002년 5월 1일~2005년 3월 29일)를 대상으로 시계열 스펙트럼을 분석한 결과는 어떠한가?
본 연구는 경북 동해안에 위치한 후 포항 북방파제 전면수역에서 수압식 파고계를 이용하여 약 3년동안 관측한 자료(2002년 5월 1일~2005년 3월 29일)를 대상으로 시계열 스펙트럼을 분석하였다. 분석결과, 월별주기변동과 파고변동이 뚜렷하게 나타나며 월별 파력이 년 간 불균등하게 분포함을 알았다. 상시파랑의 평균 파형경사는 풍파영역인 0.02-0.04보다 작은 0.01이였다. 년 중 파의 평균주기의 최빈값은 5.31 sec 이며 본 주기에 해당하는 파고 중 최빈 파고는 0.32m이다. 첨두 주기의 발생확률은 이산형(bi-modal)으로 나타나며 4.47 sec와 6.78 sec에서 mode값을 보인다. 설계주기는 이러한 4개의 값으로부터 선택할 수 있다. 파고는 1m 이하가 약 95%를 차지하고 있다. 본 연구를 통하여 파력이 미약한 해역에서는 공진형 파력 시스템이 필요하며 파력의 월별 불균등 분포를 극복하기 위한 최적설계가 전력생산단지(Wave Energy Farm) 형성을 위한 주요한 과제임을 알았다.
해양의 부유식 구조물은 무엇에 노출되어 있는가?
불규칙한 파랑에너지를 전력으로 변환하려는 장치인 파력발전장치(WEC; Wave Energy Converter)는 설치 구조 형식에 따라 부유식과 착저식으로 크게 구분할 수 있다. 해양의 부유식 구조물은 강풍, 폭풍파 등의 가혹한 외력 환경에 노출되어 있으므로 사용성을 위해서 작용하중에 대한 안전성(safety)과 안정성(stability)을 동시에 확보하는 것이 중요하다. 계류형 해양구조물도 일반적인 구조물처럼 사용성과 밀접한 관계를 가지지만 안전성 문제가 전체 구조물의 목적성에 결정적인 영향을 미치는 경우가 많다.
파력발전장치란 무엇인가?
불규칙한 파랑에너지를 전력으로 변환하려는 장치인 파력발전장치(WEC; Wave Energy Converter)는 설치 구조 형식에 따라 부유식과 착저식으로 크게 구분할 수 있다. 해양의 부유식 구조물은 강풍, 폭풍파 등의 가혹한 외력 환경에 노출되어 있으므로 사용성을 위해서 작용하중에 대한 안전성(safety)과 안정성(stability)을 동시에 확보하는 것이 중요하다.
대부분의 기존 연구들은 수치모형 결과를 이용하거나 개략적인 파랑조건을 이용하여 장비 및 시설, 시스템의 성능평가를 수행하는데 국한되었으며(류 등, 2004; 류 등, 2009; 유 등, 2009; 홍 등, 2010) 파랑조건의 변동성에 따른 성능평가를 수행한 경우는 미미한 실정이다.
류황진, 신승호, 홍기용, 홍석원, 김도영, 2007. Boussinesq 모델을 이용한 제주 차귀도 해역의 다방향 불규칙파 시물레이션, 한국해양공학회지, 21(1), 7-17.
대부분의 기존 연구들은 수치모형 결과를 이용하거나 개략적인 파랑조건을 이용하여 장비 및 시설, 시스템의 성능평가를 수행하는데 국한되었으며(류 등, 2004; 류 등, 2009; 유 등, 2009; 홍 등, 2010) 파랑조건의 변동성에 따른 성능평가를 수행한 경우는 미미한 실정이다.
박지용, 신승호, 홍기용, 2011. 월류 파력 발전 구조물 통합 축소 모형 시험을 통한 월류 성능 및 제어시스템에 관한 실험적 연구, 한국해양환경공학회지, 14(1), 11-18.
대부분의 기존 연구들은 수치모형 결과를 이용하거나 개략적인 파랑조건을 이용하여 장비 및 시설, 시스템의 성능평가를 수행하는데 국한되었으며(류 등, 2004; 류 등, 2009; 유 등, 2009; 홍 등, 2010) 파랑조건의 변동성에 따른 성능평가를 수행한 경우는 미미한 실정이다.
대부분의 기존 연구들은 수치모형 결과를 이용하거나 개략적인 파랑조건을 이용하여 장비 및 시설, 시스템의 성능평가를 수행하는데 국한되었으며(류 등, 2004; 류 등, 2009; 유 등, 2009; 홍 등, 2010) 파랑조건의 변동성에 따른 성능평가를 수행한 경우는 미미한 실정이다.
Goda, Y., 2000. Random Seas and Design of Maritime Structures, Advanced Series on Ocean Engineering, 15, World Scientific.
또한 Holthusijen(2007)이 제안한 간략 환산계수 공식도 이용하여 그 차이를 비교하였다.
Hughes, S.A., 1984. The TMA shallow-water spectrum description and applications, Technical Report CERE-84-7, US Army Corps of Engineers.
Kim, G., Lee, M.E., Lee, K.S., Park J-S, Jeong, W.M., Kang, S.K., Soh, J-G, and Kim, H., 2012. An overview of ocean renewable energy resources in Korea, Renewable an Sustainable Energy Reviews, 16, 2278-2288.
송 등(2004), Kim et al.(2012)은 후측 파랑자료(hindcast wave data)를 분석하여 우리나라 해역의 파랑 에너지 부존량을 제시한 바 있다.
송 등(2004)과 Kim et al.(2010)은 후측 파랑자료를 사용하여 우리나라 근해의 파랑에너지 분포를 분석하였다.
Suh, K.D., Kwon, H.D., Lee, D.Y., 2010. Some statistical characteristics of large deepwater waves around the Korean Peninsula, Coastal Engineering, 57, 375-384.
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