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문제 정의
- 본 장치의 경우 파력에너지 1차 흡수체에 해당하는 가동부(진자)는 유압 및 발전 시스템과 연결되며, 발전 부하의 증감에 따라 파랑 중 부유모선의 운동에 일정량의 변화를 야기시킨다. 따라서 본 검토에 있어서는 진자 및 발전 시스템을 포함하지 않음으로서 구조물 형상 자체의 변화와 그에 따른 파랑 중 운동 만을 분석하는 것으로 하였다. 또한 실제 구조물과 실험 등의 검토를 위한 축소 구조물의 치수 표기는 혼선을 피하기 위해 가능한 한 실제 구조물의 크기로 환산하여 표현하였다.
- 본 연구는 상기 검토된 기본적인 형상를 토대로 입사 파랑의 극한주기대역(파주기 12초)에서 구조물의 생존성능을 향상시키고 운용주기대역(파 주기 4~7초)에서 부유모선의 에너지 효율 극대화를 위한 파랑 중 운동을 저감하는 일환으로 진행되었으며, 이를 위한 구조물 본체(수실부)의 형상 변화를 중심으로 검토한 것이다.
- 3은 실제 복원판과 감쇠판이 각각 설치되었을 경우, 구조물의 수면하부 형상을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 복원판과 감쇠판을 기본구조물의 측면과 후면에 각각 개별적으로 설치한 형상과 측면과 후면 모두 설치한 형상에 대해 검토하였다. 복원판에 해당하는 (b), (c)는 수선면적의 변화를 위해 입사파의 파고를 고려하여 흘수선을 중심으로 상하 2m의 높이가 되도록 하였으며, 감쇠판에 해당하는 (d), (e)는 부력 변화에 미치는 영향을 최소화하기 위해 얇은 판으로 바닥에 배치하였다.
- 본논문에서는부유식진자형파력발전 구조물의운동을저감할수 있는 추가적인 형상의 설계에 관해 연구를 수행하였다. 복원판과 감쇠판을 구조물에 설치하여 실험과 수치해석을 수행하였으며, 이를 통해 운동응답 특성의 변화와 운동저감 성능을 검토하였다.
제안 방법
- 5와 같다. 5000 격자 이상의 포텐셜 해석에서 계산결과가 수렴하였고, 이를 토대로 해석을 수행하였다.
- 감쇠판과 복원판은 구조물의 측면과 후면에 1, 2, 3, 4 m의 너비에 대해, 측후면 설치판은 1, 2 m의 너비에 대해 계산하고 비교하였다.
- 감쇠판의 너비는 측면과 후면에 설치할 경우 1~4 m의 너비, 후면과 측면에 동시에 설치할 경우 1, 2 m의 너비에 대해 계산을 수행하였다.
- (1) 감쇠판은 부가질량을 증가시켜 고유주기를 장주기로 이동시키고, 감쇠력의 증가를 통해 전체 운동응답의 크기를 감소시켰다. 구조물 폭 대비 25% 너비를 갖는 측면 감쇠판으로 8초의 횡동요 고유주기를 14초로, 구조물 길이 대비 20% 너비의 후면 감쇠판으로 8초의 종동요 고유주기를 12초로 변화시켰다.
- 구조물의 고유주기를 확인하기 위해 자유감쇠실험을 수행하였다. 구조물의 횡동요는 약 7.
- 구조물의 운동을 계측하기 위해, 이차원 수조 내 길이 방향으로 구조물을 설치하여 정면파에 따른 상하동요와 종동요를 관찰하였고, 수조의 폭 방향으로 나란히 설치하여 측면파에 따른 구조물의 상하동요와 횡동요를 관찰하였다. 부유 구조물의 네 모서리 흘수선 높이에 계류를 위한 스프링을 설치하였으며, 스프링 계류가 주어진 입사파 조건에서 구조물의 운동에 영향을 미치지 않도록 스프링 상수를 결정하였다.
- 실험을 수행한 입사파 조건은 Table 1과 같다. 규칙파 주기는 실해역 주기를 기준으로 4초에서부터 15초까지 1초 간격으로 적용하였고, 파고는 실해역 파고 기준으로 0.9 m, 1.5 m, 2.1 m를 적용하였다. 실험을 수행한 입사파 주기와 파고는 우리나라의 파력발전적지로 판단되는 제주도 서쪽 해안의 연간 파랑관측자료(해양수산부[2005])를 토대로 결정하였다.
- 기본 구조물에 감쇠판을 추가로 설치한 형상은 Fig. 8과 같으며, 감쇠판을 구조물의 후면(Fig. 8, 좌) 또는 측면(Fig. 8, 중앙), 그리고 후면과 측면 동시에 설치한 형상(Fig. 8, 우)에 대해 규칙파에 의한 운동응답을 계측하였다.
- 종동요와 상하동요 자유감쇠 운동은 열린 수실에 포함된 물과 비대칭 형상의 영향으로 관측가능시간이 짧고, 각 방향의 운동이 연성되어 감쇠계수의 추정이 어렵다. 따라서 종동요 감쇠계수는 실험과 수치 해석 결과의 공진점 부근에서 운동의 크기를 비교하여 결정하였다.
- [2001]). 또한, 수치해석에 있어서 공진점 부근에 발생하는 구조물의 과도한 운동을 줄이기 위하여 자유감쇠실험으로부터 구한 선형감쇠계수를 해석에 적용하였다.
- 본논문에서는부유식진자형파력발전 구조물의운동을저감할수 있는 추가적인 형상의 설계에 관해 연구를 수행하였다. 복원판과 감쇠판을 구조물에 설치하여 실험과 수치해석을 수행하였으며, 이를 통해 운동응답 특성의 변화와 운동저감 성능을 검토하였다.
- 본 논문에서는 부유식 진자형 파력발전구조물(Fig. 1)을 기본 형상으로 수실부에 감쇠판과 복원판으로 이루어진 다양한 운동 저감 형상을부가하고 이의형상과 부가 위치에 따른 파랑중 운동 성능을 수치해석 및 실험을 통해 평가하였으며, 최적의 운동 저감 형상을 제안하였다.
- 관측된 파의 주된 입사파 주기가 4초에서 6초 부근이고, 파고는 1m에서 2 m 사이로서 본 파력발전장치의 주된 운용 주기대에 해당한다. 본 장치의 설치 예정지에 대한 설계 파랑은 50년 재현파로서 검토하고 있으며 이때의 파 주기는 첨두주기(Peak period) 12초로서, 이때의 구조물의 운동성능을 분석하여 설계안정성을 평가하였다.
- 부유 구조물의 네 모서리 흘수선 높이에 계류를 위한 스프링을 설치하였으며, 스프링 계류가 주어진 입사파 조건에서 구조물의 운동에 영향을 미치지 않도록 스프링 상수를 결정하였다. 부유 구조물의 6자유도 운동은 비접촉식 광학 운동계측장비를 통해 계측하였다.
- 구조물의 운동을 계측하기 위해, 이차원 수조 내 길이 방향으로 구조물을 설치하여 정면파에 따른 상하동요와 종동요를 관찰하였고, 수조의 폭 방향으로 나란히 설치하여 측면파에 따른 구조물의 상하동요와 횡동요를 관찰하였다. 부유 구조물의 네 모서리 흘수선 높이에 계류를 위한 스프링을 설치하였으며, 스프링 계류가 주어진 입사파 조건에서 구조물의 운동에 영향을 미치지 않도록 스프링 상수를 결정하였다. 부유 구조물의 6자유도 운동은 비접촉식 광학 운동계측장비를 통해 계측하였다.
- 부유식 장치로 고안된 본 구조물은 후면에 수직 및 수평 판으로 구성된 운동 제어 구조를 연결함으로써 운용 주기대에 해당하는 저파랑에서 운동 제어(억제)와 함께 및 고파랑 대역에서의 구조물 전체의 연성 운동을 허용함으로써 부유식 파력발전장치로서의 역할을 수행하도록 하고 있다. 이러한 기본 형상에 대해 주된 운용 주기대역에서의 구조물 파랑 응답은 수치 및 실험적 연구를 통해 타당성을 이미 확인한 바가 있고(남보우[2011], Park[2012], Nam[2012]), 고파랑의 극한 상황에 대한 부유 모선의 응답에 대해서는 계류시스템을 부가한 통합 형상을 토대로 수치해석 및 실험적 연구를 병행하여 안전성을 확인하였다.
- 부유식 파력발전 구조물의 운동에 대한 수치해석을 위하여 사용한 격자에 대한 수렴특성을 우선 확인하였다. 격자는 9절점 2차 요소를 사용하였고, 격자수의 변화에 따른 종동요 운동결과는 Fig.
- 부유식 파력발전 모형시험은 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 이차원 조파수조에서 수행하였다. 이차원 수조의 제원은 31 m(L)×0.
- 부유식인 본 장치에 있어서 구조물 본체의 형상 변화를 통한 운동 제어 효과를 명확히 하기 위해 우선 Fig. 1에 제시된 부유식 진자형 파력발전구조물의 기존 형상을 단순화하였다. 이에 후면 운동 제어 구조물을 제외시키고 본체에 해당하는 수실부를 단 수실부로 단순화하였다.
- 입사파 주기에 따른 운동응답의 변화를 확인하였고, 감쇠판의 성능을 수치적으로 평가하기 위해 주기에 따른 운동응답과 불규칙파 스펙트럼을 선형중첩하여 불규칙 파랑 중 운동응답을 계산하였다. 불규칙파 생존조건은 첨두 주기(peak period)가 12초, 유의파고(Significant wave height)가 8m인 ITTC 스펙트럼을 사용하였고, 선형 중첩을 통해 계산된 운동응답 스펙트럼을 적분하여 유의운동 응답(SDA, Significant Double Amplitude)을 얻었다(Fig. 13).
- 75 m(D)이며, 능동형조파시스템을 갖추고 있다. 수리모형시험을 위해 실물 형상 치수의 1/30 크기로 모형을 제작하였으며, 해당 모형은 조파판으로부터 19 m 떨어진 위치에 배치하여 조파된 파가 충분히 안정된 후 구조물에 도달하도록 하였다(Fig. 4).
- 7에 각각 점선과실선으로 나타내었다. 수치계산은 1 m 단위파고를 사용하여 파고를 통해 무차원화하였다.
- 운동 저감 형상의 부가에 의한 운동의 변화를 검토하기에 앞서 수치해석 및 수리모형실험을 통해 기본 형상에 대한 운동특성을 분석하였다.
- 이차원 수조의 벽면에 의한 영향을 살펴보기 위해 기본구조물의양 옆에 동일한 구조물을 배치하여 수치계산을 수행하였다(Fig. 6). 양 옆에 위치한 구조물에 의해 야기되는 유동은 수조의 벽면에서 반사되는 유동과 같으며, 이때의 계산결과와 벽면이 없는 무한수조에 하나의 구조물만 있을 때의 계산결과를 Fig.
- 입사파 주기에 따른 운동응답의 변화를 확인하였고, 감쇠판의 성능을 수치적으로 평가하기 위해 주기에 따른 운동응답과 불규칙파 스펙트럼을 선형중첩하여 불규칙 파랑 중 운동응답을 계산하였다. 불규칙파 생존조건은 첨두 주기(peak period)가 12초, 유의파고(Significant wave height)가 8m인 ITTC 스펙트럼을 사용하였고, 선형 중첩을 통해 계산된 운동응답 스펙트럼을 적분하여 유의운동 응답(SDA, Significant Double Amplitude)을 얻었다(Fig.
- 특히, 안전에 중요한 요소인 횡동요의 저감을 위해서는 빌지 킬(bilge keel), 횡동요 감소 탱크(Anti-Rolling Tank)와 같은 부가물을 설치하기도 한다. 해양구조물은 주로 정해진 해역의 일정위치에 설치되어 운용되기 때문에 파에 의한 상하동요, 횡동요, 종동요 등의 다양한 운동이 발생하므로 초기 형상 자체로 운동이 저감될 수 있도록 전체 형상을 설계한다. 이때 반잠수식 구조물(semi-submersible)은 수면하부의 용적을 늘리고 수선면 적을 작게 설계함으로써 파랑 중 동요를 줄이고, 스파형 구조물은 매우 깊은 흘수를 갖는 원통형 형상으로 상하동요를 저감하며, 추가로 감쇠판 형상을 통해 상하동요를 저감한다(Tao and Cai[2004], Cho[2011]).
대상 데이터
- 기본구조물의제원은 14 m(L)× 10.5 m(B)×8 m(D)에 해당하며, 복원판과 감쇠판의 너비는 구조물 폭 대비 1/5의 크기인 2m로 하였다.
- 1 m를 적용하였다. 실험을 수행한 입사파 주기와 파고는 우리나라의 파력발전적지로 판단되는 제주도 서쪽 해안의 연간 파랑관측자료(해양수산부[2005])를 토대로 결정하였다. 관측된 파의 주된 입사파 주기가 4초에서 6초 부근이고, 파고는 1m에서 2 m 사이로서 본 파력발전장치의 주된 운용 주기대에 해당한다.
이론/모형
- 한편, 실험결과와의 비교, 검증을 위한 수치해석기법은 포텐셜모델 기반의 파랑그린함수를 이용한 고차경계요소법을 사용하였다. 경계치 문제에 대한 특이 주파수 제거는 Hong[1987]의 방법을 따르며, 이에 대한 검증은 기존 연구를 통해 확인 할 수 있다(Choi et al.
성능/효과
- (1) 감쇠판은 부가질량을 증가시켜 고유주기를 장주기로 이동시키고, 감쇠력의 증가를 통해 전체 운동응답의 크기를 감소시켰다. 구조물 폭 대비 25% 너비를 갖는 측면 감쇠판으로 8초의 횡동요 고유주기를 14초로, 구조물 길이 대비 20% 너비의 후면 감쇠판으로 8초의 종동요 고유주기를 12초로 변화시켰다.
- (3) 감쇠판과 복원판의 너비 변화를 통해 상하동요, 종동요, 횡동요에 대해 각각 최대 20%, 35%, 40%의 운동을 저감하였고, 설계가능 범위의 운동저감부 형상설계를 통해 만족할만한 운동저감성능을 확인하였다.
- (4) 고유주기의 변화를 통해 파력발전구조물의 운동을 저감하는 과정에서, 특정구조물형상은 파랑하중의 증가로 인해 운동응답의 크기가 증가하였다. 엄밀한 운동저감부 형상설계를 위해 입사파 주기에 따른 파랑하중의 변화에 대한 분석이 동시에 수행되어야 함을 확인하였다.
- 감쇠판에 의해 8초 근방에 있던 고유주기는 불규칙파의 첨두 주기인 12초에 점차 가까워져 운동응답을 증가시키지만 점성과 방사에 의한 감쇠력의 증가로 인해 결국 구조물의 운동응답 크기가 감소한다. 2 m의 감쇠판을 설치하여 상하동요와 종동요는 최대 20%, 횡동요는 30% 저감된다.
- 실험과 수치계산의 결과는 특정 입사파 주기를 제외하면 전체적으로 잘 일치한다. 동일한 입사파주기 조건에서 서로 다른 세 가지 파고에 대해 실험을 수행하였고, 그 결과 입사 파고로 무차원화 한 운동응답은 공진 주기를 제외하면 파고의 변화에 관계없이 유사한 값이 나온다. 이를 통해 주어진 실험환경조건에서 구조물 운동의 선형적인 특징을 알 수 있으며, 구조물의 형상변화에 따른 운동응답 특성 분석을 위한 포텐셜 이론의 적용가능성을 확인 할 수 있다.
- 19와 같이 8초에서 5초로 변화한다. 비록 변화한 고유주기에서 운동응답의 증가로 인해 전체 운동응답이 증가할 수 있지만, 복원판을 통한 운동응답 특성을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
- 7은 수치계산결과와 함께 실험을 통해 계측한 규칙파의 주기와 파고 변화에 따른 정면파와 측면파에서 운동응답을 보여준다. 실험과 수치계산의 결과는 특정 입사파 주기를 제외하면 전체적으로 잘 일치한다. 동일한 입사파주기 조건에서 서로 다른 세 가지 파고에 대해 실험을 수행하였고, 그 결과 입사 파고로 무차원화 한 운동응답은 공진 주기를 제외하면 파고의 변화에 관계없이 유사한 값이 나온다.
- 7a의 벽면을 고려한 계산결과에서 보이는 과도응답은 구조물과 수조벽 사이의 공간과 입사파주기와의 공진으로 인해 발생하며, 이러한 현상은 점성이 존재하는 실험결과에서 관찰되지 않는다. 이를 통해 이차원 수조의 실험결과와 무한수조에 배치된 구조물의 수치계산결과를 활용하여 운동성능평가를 수행할 수 있음을 알 수 있다.
- (2) 복원판은 복원력을 증가시켜 구조물 운동의 고유주기를 단주기로 이동시켰다. 폭방향 길이 대비 25% 너비를 갖는 측면 복원판으로 횡동요 고유주기를 25% 감소시키고, 종방향 길이 대비 10%너비를 갖는 후면 복원판으로 종동요 고유주기가 25% 감소시켰다.
- 9(d))의 변화가 두드러진다. 후면 및 측면의 감쇠판의 부가에 의해 부가질량이 증가하여 종동요는 8초 부근에 있던 구조물의 고유주기가 10초 부근으로 이동하고, 동시에 감쇠력의 증가로 운동의 크기가 감소하였다.
후속연구
- 동일한 입사파주기 조건에서 서로 다른 세 가지 파고에 대해 실험을 수행하였고, 그 결과 입사 파고로 무차원화 한 운동응답은 공진 주기를 제외하면 파고의 변화에 관계없이 유사한 값이 나온다. 이를 통해 주어진 실험환경조건에서 구조물 운동의 선형적인 특징을 알 수 있으며, 구조물의 형상변화에 따른 운동응답 특성 분석을 위한 포텐셜 이론의 적용가능성을 확인 할 수 있다.
- 향후 연구에서 본 연구에서 제안한 두 가지 운동저감부 형상의 실증 구조물 적용가능성과 구조적인 안전성을 판단할 것이며, 점성의 영향을 고려한 운동저감부 성능평가와 삼차원 불규칙파 실험을 통한 운동성능 검증 연구를 수행할 예정이다.
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