[논문]선형발전기가 탑재된 파랑에너지 추출장치 설계 -I. 파력 부이 설계

김정록; 배윤혁; 조일형

doi:10.7846/jkosmee.2014.17.2.146

선형발전기가 탑재된 파랑에너지 추출장치 설계 -I. 파력 부이 설계
Design of Wave Energy Extractor with a Linear Electric Generator -Part I. Design of a Wave Power Buoy 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.17 no.2, 2014년, pp.146 - 152

김정록 (제주대학교 해양시스템공학과) , 배윤혁 (제주대학교 해양시스템공학과) , 조일형 (제주대학교 해양시스템공학과)

초록
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선형발전기와 연성된 원통형 부이의 수직운동으로부터 파랑에너지를 추출하는 파력발전장치의 설계과정을 소개하였다. 최대 파워는 최적조건($c_{PTO}=b_T$, ${\omega}={\omega}_N$)에서 발생하며, 공진조건시 부이의 수직운동 고유주파수와 속도스펙트럼의 피크 주파수를 일치시키지 않고 의도적으로 고유주파수를 15% 크게 설정하면 추출파워의 최대값을 더욱 높일 수 있다. 이러한 방법을 통하여 추출 파워의 증가와 함께 부이의 흘수를 낮추고 동시에 PTO 감쇠력을 줄일 수 있기 때문에 발전장치 제작 비용을 낮출 수 있는 부수적인 효과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Design procedure of WEC (wave energy converter) using the heaving motion of a floating cylinder-type buoy coupled with LEG (linear electric generator) system is introduced. It is seen that the maximum power can actually be obtained at the optimal conditions ($c_{PTO}=b_T$, ${\omega}={\omega}_N$). Then, based on the developed theory, several design strategies are proposed to further enhance the maximum PTO (power take off), which includes the intentional mismatching with the heave natural frequency, which is 15% higher value than the peak frequency of input velocity spectrum. By using the intentional mismatching strategy, the generated power is actually increased and the corresponding draft as well as the required PTO damping value is significantly reduced, which is a big advantage in manufacturing the WEC with practical LEG (linear electric generator) system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선형발전기와 연성된 부이의 수직운동으로부터 에너지를 추출하는 파력발전장치의 효율을 극대화하도록 부이의 최적 형상을 설계하는 과정을 살펴보았다. 에너지 흡수장치로 원통형 부이가 선택되었다.

가설 설정

부이의 운동에너지로부터 전기에너지를 추출하기 위해서는 선형 발전기를 연결하는데, 이때 부이와 함께 움직이는 영구자석의 운동 방향과 반대방향으로 작용하는 PTO감쇠력이 존재한다. 본 연구에서는 편의상 PTO 감쇠력이 영구자석의 운동속도에 선형적으로 비례한다고 가정한다.
운동방정식내의 부가질량(Added Mass)과 방사감쇠계수(Radiation Damping Coefficient) 그리고 파기진력(Wave Exciting Force)을 구하기 위해 고유함수전개법(Matched Eigenfunction Expansion Method)을 사용하였다. 해석모델은 반경 a,흘수 d인 부이로 수심이 h인 수면 위에 떠 있다고 가정한다. 파도에 따라 부이는 전후/수직/종 운동을 하는데, 본 연구에서는 다른 운동모드는 구속하고 수직운동만을 고려하였다.

제안 방법

수조 한끝에는 피스톤 타입의 조파기(Wavemaker)가 설치되어 있고, 반대편에는 유공판 소파장치가 놓여져 있다. 모형실험을 자유감쇠실험과 파랑중 부이의 수직운동실험으로 나누어 실시하였다. 실험모형은 축척비 1/16인 부이로 반경 0.
선형포텐셜이론 아래에서 주파수 영역에서 선형발전기와 연성된 부이의 운동방정식을 유도하고 이를 풀어 부이의 수직운동 변위와 선형발전기 설계에 필요한 부이의 파워를 구하였다. 운동방정식내의 부가질량(Added Mass)과 방사감쇠계수(Radiation Damping Coefficient) 그리고 파기진력(Wave Exciting Force)을 구하기 위해 고유함수전개법(Matched Eigenfunction Expansion Method)을 사용하였다.
따라서 속도스펙트럼의 피크 주파수보다 다소 높은 값에 부이의 수직운동 고유주파수를 일치 시키면공진효과를극대화시킬수있다. 실제계산예로유의파고(H_1/3)가 3 m, 피크 주기(T_p)가 6.67초인 불규칙파를 대상으로 부이의 수직운동 스펙트럼과 추출된 파워스펙트럼에 대한 계산을 수행하였다.
3(b)는 조파수조내에 설치된 부이의 사진이다. 운동실험은 규칙파에 대해서 입사파 주기 1.0~1.4초 사이를 적절히 분할하여 총 8case에 대해서 수행하였다. 파경사(Wave Steepness)는 0.
따라서 가장큰 파워를 추출할 수 있을 것으로 예상되지만, 검토할 사항으로 파워의 피크값 주변 주파수 범위내에 설치해역의 파랑에너지가 많이 분포하거나 발생 빈도수가 높아야 한다. 이를 살펴보기 위하여 유의 파고 3.0 m, 피크주기 6.67초를 JONSWAP스펙트럼에 적용한 파랑 스펙트럼과 파랑스펙트럼에 주파수의 제곱을 곱하여 구한 속도스펙트럼을 함께 그렸다. 그림에서 속도스펙트럼의 피크 주파수는 파랑 스펙트럼보다 고주파수 영역으로 약간 이동함을 볼 수 있다.
먼저 자유감쇠실험을 통하여 구한 점성감쇠계수를 포함한 계산결과와 모형실험결과를 비교하였고 서로 잘 일치함을 확인하였다. 최대 파워를 추출할 수 있는 최적조건(c_PTO=b_T)에서 주어진 파랑조건(유의파고 3.0 m, 피크 주기 6.67초)에서 운동 스펙트럼과 파워스펙트럼을 구하고 각 스펙트럼의 면적을 적분하여 운동의 유의진폭과 추출 파워의 R.M.S. 값을 부이의 형상(직경,흘수)을 바꿔가면서 살펴보았다. 부이의 고유주파수와 속도스펙트럼의 피크 주파수의 비가 1.
해석모델은 반경 a,흘수 d인 부이로 수심이 h인 수면 위에 떠 있다고 가정한다. 파도에 따라 부이는 전후/수직/종 운동을 하는데, 본 연구에서는 다른 운동모드는 구속하고 수직운동만을 고려하였다. 포텐셜이론을 가지고 구할 수 없는 부이의 수직운동시 발생하는 와류나 마찰에 의한 점성효과를 고려하기 위하여 자유감쇠실험(Free-Decay Test)을 실시하였다.
파랑중 부이의 운동실험은 자유감쇠실험에서 사용한 동일한 모형에 대하여 실시하였으며, 부이 내부에 가속도계를 부착하여 수직운동변위를 계측하였다. Fig.
파랑중 선형발전기가 연결된 부이의 수직운동을 이용한 에너지 변환시스템을 설계하였다. 먼저 자유감쇠실험을 통하여 구한 점성감쇠계수를 포함한 계산결과와 모형실험결과를 비교하였고 서로 잘 일치함을 확인하였다.
파도에 따라 부이는 전후/수직/종 운동을 하는데, 본 연구에서는 다른 운동모드는 구속하고 수직운동만을 고려하였다. 포텐셜이론을 가지고 구할 수 없는 부이의 수직운동시 발생하는 와류나 마찰에 의한 점성효과를 고려하기 위하여 자유감쇠실험(Free-Decay Test)을 실시하였다.

대상 데이터

모형실험은 길이 20 m, 폭 0.8 m, 깊이 1.0 m인 제주대학교 2차원 조파수조에서 실시하였다. 수조 한끝에는 피스톤 타입의 조파기(Wavemaker)가 설치되어 있고, 반대편에는 유공판 소파장치가 놓여져 있다.
6는 선형발전기를 연결하였을 때의 수직운동 RAO를 그렸다. 선형발전기의 PTO 감쇠계수(c_PTO)는 최대 파워가 추출되는 c_PTO = b_T로 선정하였다. 즉, PTO 감쇠계수가 방사감쇠계수와 점성감쇠계수의 합과 같을 때 추출 파워는 최대가 된다.
모형실험을 자유감쇠실험과 파랑중 부이의 수직운동실험으로 나누어 실시하였다. 실험모형은 축척비 1/16인 부이로 반경 0.125 m, 흘수 0.35 m이며, 설치 수심은 0.6 m이다. 식 (4)로부터 구한 수직운동 고유주파수는 ω_N=4.

이론/모형

수직 원기둥과 입사파와의 상호작용 문제는 Miles and Gilbert[1968]가 처음으로 연구한 이후로 수면위에 떠 있는 원기둥에 대한 산란문제는 Garrett[1971]에 의해 다루어 졌고, 방사문제는 Tung[1979], Yeung[1981], Evans[1976]에 의해 해석되었다. Cho and Kweon[2011]은 파랑중 원기둥과 선형발전기가 서로 연성되 있을 때, 추출되는 파워를 구하였다.
선형포텐셜이론 아래에서 주파수 영역에서 선형발전기와 연성된 부이의 운동방정식을 유도하고 이를 풀어 부이의 수직운동 변위와 선형발전기 설계에 필요한 부이의 파워를 구하였다. 운동방정식내의 부가질량(Added Mass)과 방사감쇠계수(Radiation Damping Coefficient) 그리고 파기진력(Wave Exciting Force)을 구하기 위해 고유함수전개법(Matched Eigenfunction Expansion Method)을 사용하였다. 해석모델은 반경 a,흘수 d인 부이로 수심이 h인 수면 위에 떠 있다고 가정한다.

성능/효과

흘수가 커질수록 피크값을 보이는 공진주파수가 저주파수 영역으로 이동하며 공진폭도 좁아지는 것을 볼 수 있다. 또한 공진주파수의 위치는 고유주파수와 잘 일치하며 공진주파수에서 수직운동 RAO값이 약 3.3으로 나타났다.
파랑중 선형발전기가 연결된 부이의 수직운동을 이용한 에너지 변환시스템을 설계하였다. 먼저 자유감쇠실험을 통하여 구한 점성감쇠계수를 포함한 계산결과와 모형실험결과를 비교하였고 서로 잘 일치함을 확인하였다. 최대 파워를 추출할 수 있는 최적조건(c_PTO=b_T)에서 주어진 파랑조건(유의파고 3.
이때 불규칙파중 공진조건을 만족하기 위해서 부이의 수직운동 고유주파수와 속도스펙트럼의 피크 주파수를 일치시키지 않고, 의도적으로 고유주파수를 15% 크게 설정하여 추출 파워의 최대값을 더욱 높일 수 있다. 이러한 방법을 통하여 최대 파워의 향상과 함께 부이의 흘수를 낮추고 동시에 PTO감쇠력을 줄이는 부수적인 효과를 얻을 수 있었다.
값이 최대임을 밝혔다. 이로부터 부이의 흘수를 정할 때 수직운동의 고유주파수를 속도스펙트럼의 피크 주파수보다 약 15%정도 크게 잡는 것이 추출 파워를 극대화하는데 유리하다는 결론을 얻을 수 있었다. 부이의 반경이 증가할수록 운동의 유의진폭은 줄어든 반면에 파워의 R.
(#)값을 부이의 흘수와 반경을 변화시키면서 살펴보았다. 흥미로운 결과로 부이의 반경이 증가할수록 운동진폭은 줄어든 반면에 파워의 R.M.S.는 일정한 비율로 증가함을 볼 수 있다. 반경이 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형발전기는 어떻게 구성되는가?	이중에서 가동물체형은 1차 변환을 통하여 파랑에너지로부터 변환된 부유체의 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서 선형발전기(Linear Electric Generator)를 사용한다. 선형발전기는 부가적인 기계장치 없이 가동자인 영구자석과 고정자인 코일로 구성되며, 영구자석과 코일의 상대운동이 클수록 많은 양의 전기에너지를 생산할 수 있다. 따라서 대부분의 가동물체형 발전장치는 상대운동을 최대화하기 위하여 입사파와 공진이 일어나도록 부이의 형상을 설계한다.
	파력발전이란 무엇인가?	여러 신재생에너지 중 에너지 밀도가 가장 높은 파력발전은 최근 많은 학자들에 의해 연구되고 있다. 일반적으로 파력발전은 해수면에 존재하는 파랑에너지로부터 전기에너지를 생산하는 발전방식을 일컫으며, 변환방법에 따라 크게 4가지로 분류된다. ①파도에 의해 운동하는 부이(Buoy)로부터 전기를 추출하는 가동물체형, ②진동하는 수주(Water Column)에 의해 발생하는 공기흐름을 이용하여 발전하는 진동수주형(Oscillating Water Column), ③파랑에 의하여 발생하는 동압력으로 수중물체를 움직여 발전하는 수중압력형, 그리고 ④발전장치 상부로 월파된 해수의 위치에너지를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 월파형이 대표적인 발전방식이다.
	파력발전의 변환방법 4가지는 무엇인가?	일반적으로 파력발전은 해수면에 존재하는 파랑에너지로부터 전기에너지를 생산하는 발전방식을 일컫으며, 변환방법에 따라 크게 4가지로 분류된다. ①파도에 의해 운동하는 부이(Buoy)로부터 전기를 추출하는 가동물체형, ②진동하는 수주(Water Column)에 의해 발생하는 공기흐름을 이용하여 발전하는 진동수주형(Oscillating Water Column), ③파랑에 의하여 발생하는 동압력으로 수중물체를 움직여 발전하는 수중압력형, 그리고 ④발전장치 상부로 월파된 해수의 위치에너지를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 월파형이 대표적인 발전방식이다. 이중에서 가동물체형은 1차 변환을 통하여 파랑에너지로부터 변환된 부유체의 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서 선형발전기(Linear Electric Generator)를 사용한다.

참고문헌 (9)

Budal, K. and Falnes, J., 1975, "A resonant point absorber of ocean wave power", Nature, Vol.256, 478-479.

상세보기
Cho, I.H. and Kweon, H.M., 2011, "Extraction of wave energy using the coupled heaving motion of a circular cylinder and linear electric generator", J. KSOE, Vol.25, No.6, 9-16.

원문보기 상세보기
Evans, D.V., 1976, "A theory for wave-power absorption by oscillating bodies", J. Fluid Mech., Vol.77, 1-25.

상세보기
French, M.J., 1979, "A generalized view of resonant energy transfer", J. Mech. Engng. Science, Vol.21, 299-300.

상세보기
Garrett, C.J.R., 1971, "Wave forces on a circular dock", J. Fluid Mech.,Vol.46, 129-139.

상세보기
Grilli, A.R., Merrill, J., Grilli, S.T., Spaulding, M.L., Cheung, J., 2007, "Experimental and numerical study of spar buoy-magnet/ spring oscillators used as wave energy absorbers", Proc. 17th Intl. Conf. Offshore and Polar Eng., No.2007-JSC-569.
Miles, J.W. and Gilbert, F., 1968, "Scattering of gravity waves by a circular dock", J. Fluid Mech.,Vol.34, 783-793.

상세보기
Tung, C.C., 1979, "Hydrodynamic forces on submerged vertical circular cylindrical tanks under ground excitation", Appl. Ocean Res.,Vol.1, 75-78.

상세보기
Yeung, R.W., 1981, "Added mass and damping of a vertical cylinder in finite-depth waters", Appl. Ocean Res., Vol.3, No.3, 119-133.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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