[논문]선형발전기가 탑재된 파랑에너지 추출장치 설계 -II. 선형발전기

조일형; 최장영

doi:10.7846/jkosmee.2014.17.3.174

선형발전기가 탑재된 파랑에너지 추출장치 설계 -II. 선형발전기
Design of Wave Energy Extractor with a Linear Electric Generator -Part II. Linear Generator 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.17 no.3, 2014년, pp.174 - 181

조일형 (제주대학교 해양시스템공학과) , 최장영 (충남대학교 전기공학과)

초록
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선형발전기가 연결된 부이의 수직운동에 대한 시간영역 해석을 수행하여 얻은 시계열 자료를 가지고 선형발전기를 설계하고 전기에너지 출력특성 및 효율에 대해 살펴보았다. 1차 변환장치로 원통형 부이를 선택하였고, 2차 변환장치로 양측식 할박(Halbach) 배열 영구자석 가동자와 철심형 슬롯리스(Slotless) 고정자로 구성된 선형발전기를 사용하였다. 시간영역에서 부이의 수직운동 속도와 파랑하중을 입력자료로 직선형 영구자석 발전기가 설계되었고, 설계된 발전기는 규칙파 조건에서 유한요소 해석법을 적용하여 발전특성해석을 수행함으로써, 그 타당성이 입증되었다. 또한 불규칙파 조건에서 합리적이고 빠른 해석을 위해, 등가회로법을 적용하여 발전특성 해석을 수행하였는데, 그 결과 역시 매우 타당함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Design procedure of LEG(Linear Electric Generator) is introduced by performing the time-domain analysis for the heaving motion of a floating buoy coupled with LEG. A vertical truncated buoy is selected as a point absorber and a double-sided Halbach array mover and cored slotless stator is adopted as a linear electric generator. LEG with a double-sided Halbach array mover and cored slotless stator is designed with the input data such as the heave motion velocity and wave exciting forces in time-domain. The validity of designed LEG is confirmed by performing generating-characteristic-analysis under the sinusoidal motion of a buoy, based on the numerical techniques such as FE(Finite Element) analysis. In particular, an ECM(Equivalent Circuit Method) is employed as the design tool for the prediction of generating characteristics under irregular wave conditions. Finally, we confirm that the ECM gives reasonable and fast results without sacrifice of accuracy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선형발전기가 연결된 부이의 수직운동을 시간영역에서 해석하였고, 이 결과를 이용하여 선형발전기의 설계과정을 살펴보았다. 1차 변환장치로 원통형 부이가 선택되었고, 2,3차 변환장치로 양측식 할박(Halbach) 배열 영구자석 가동자와 철심형 슬롯리스(Slotless) 고정자로 구성된 선형발전기를 사용하였다.

가설 설정

선형발전기와 부이가 연성되어 있을 때 시간영역에서의 부이의 수직운동에 대한 천이 운동방정식은 다음과 같은 적미분방정식(Integro-differential Equation)으로 표현된다(Cummins[1962]). 해석모델은 반경 a, 흘수 d인 원통형부이로 수심이 h인 수면 위에 떠 있다고 가정한다(Fig. 1 참조).

제안 방법

또한 고정자의 구조를 슬롯리스 코어드 타입으로 하여 발전기의 리플 성분 중 하나인 디텐트력(Detent Force)을 저감하였다. 고정자의 권선은 환상형(Ringwound) 타입으로 하여 끝부분에서의 구리 사용량을 줄여 분포권과 비교하여 낮은 저항이 되도록 설계하였다. Table 1은 파력에너지 변환용으로 요구되는 부이의 출력 및 속도, 발전기의 출력 및 효율 등의 설계요구조건 및 제약조건을 나타낸다.
먼저 설계된 선형발전기는 규칙파 조건에서 유한요소 해석법을 이용하여 발전특성해석을 수행하였다. 더 나아가 부이가 불규칙파중에 놓여 있을 때 합리적이고 빠른 해석을 위해, 등가회로법을 적용하여 발전특성 해석을 수행하였다.
자화 패턴을 할박 배열로 구성할 경우 장점은 수직 배열 자화와 비교하여 부피당 출력 밀도가 높은 컴팩트한 구조를 가질 수 있으며, 영구자석의 back-iron의 두께를 감소시켜 발전기의 무게 및 비용 절감이 가능하다는 것이다(Atallah and Howe[1988]). 또한 고정자의 구조를 슬롯리스 코어드 타입으로 하여 발전기의 리플 성분 중 하나인 디텐트력(Detent Force)을 저감하였다. 고정자의 권선은 환상형(Ringwound) 타입으로 하여 끝부분에서의 구리 사용량을 줄여 분포권과 비교하여 낮은 저항이 되도록 설계하였다.
2π] 내의 난수를 뜻한다. 본연구에서는유의파고 3 m, 피크주기 6.67초의 JONSWAP 스펙트럼을 사용하였다. (|X_n/a_n|, φ_n)는 각각의 주파수에서 입사파의 진폭으로 나눈 부이에 작용하는 수직방향 파기진력의 절대값과 위상차를 나타내다.
시간 영역에서 부이의 수직운동방정식내의 충격응답함수를 수치적으로 구하는 방법을 소개하였고, 운동방정식을 Newmark β시간 적분법으로 풀어, 부이의 수직속도를 구하고 이를 입력 자료로 하여 직선형 영구자석 발전기를 설계하였다.
그러나 서론에서도 명시하였듯이, 불규칙파 해석을 유한요소 해석법을 적용하여 수행하게 되면, 많은 해석시간과 해석해의미 수렴으로 인한 계산 오류 등으로 인해, 해석의 부담이 가중된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 Fig. 10의 선형발전기 등가회로를 이용하여 불규칙파 속도 조건에서의 발전특성 해석을 수행하였다.
최대 파워를 추출할 수 있는 최적조건(cPTO=b33+bvis)에서 파고 3 m, 주파수가 ω=ωN 일 때의 규칙파와 유의파고 3.0 m, 피크 주기 6.67초인 불규칙파에서 수직운동 변위와 속도, 그리고 파워의 시계열을 구하였다.
파랑중 선형발전기가 연결된 부이의 수직운동을 시간영역 해석법을 통하여 구하고, 이 결과를 선형발전기 시스템을 설계하는데 활용하였다. 최대 파워를 추출할 수 있는 최적조건(c_PTO=b₃₃+b_vis)에서 파고 3 m, 주파수가 ω=ω_N 일 때의 규칙파와 유의파고 3.

대상 데이터

본 연구에서는 선형발전기가 연결된 부이의 수직운동을 시간영역에서 해석하였고, 이 결과를 이용하여 선형발전기의 설계과정을 살펴보았다. 1차 변환장치로 원통형 부이가 선택되었고, 2,3차 변환장치로 양측식 할박(Halbach) 배열 영구자석 가동자와 철심형 슬롯리스(Slotless) 고정자로 구성된 선형발전기를 사용하였다. 시간 영역에서 부이의 수직운동방정식내의 충격응답함수를 수치적으로 구하는 방법을 소개하였고, 운동방정식을 Newmark β시간 적분법으로 풀어, 부이의 수직속도를 구하고 이를 입력 자료로 하여 직선형 영구자석 발전기를 설계하였다.

이론/모형

시간 영역에서 부이의 수직운동방정식내의 충격응답함수를 수치적으로 구하는 방법을 소개하였고, 운동방정식을 Newmark β시간 적분법으로 풀어, 부이의 수직속도를 구하고 이를 입력 자료로 하여 직선형 영구자석 발전기를 설계하였다. 먼저 설계된 선형발전기는 규칙파 조건에서 유한요소 해석법을 이용하여 발전특성해석을 수행하였다. 더 나아가 부이가 불규칙파중에 놓여 있을 때 합리적이고 빠른 해석을 위해, 등가회로법을 적용하여 발전특성 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 초기조건(부이의 위치와 속도)를 가지고 Newmark[1959]에 의해 제안된 Newmark’s β 방법을 사용하여 시간 적분하였다.
m/s], 부이속도[m/s], 발전단자전압[V], 발전상전류[A], 부하저항[Ω], 발전기 권선 상 저항[Ω], 발전주파수[Hz], 권선 상 동기인덕턴스[H], 입력전력[W] 및 출력전력[W]이다. 특히, 영구자석에 의한 쇄교자속, 권선 상 저항 및 상 인덕턴스는 해석의 정확도를 높이기 위해, 유한요소 해석법으로부터 얻어진 값을 사용하였다.

성능/효과

67초인 불규칙파에서 수직운동 변위와 속도, 그리고 파워의 시계열을 구하였다. 시간영역해석 결과를 이용하여 직선형 영구자석 발전기가 설계되었고, 설계된 발전기는 규칙파 조건에서 유한요소 해석법을 적용하여 발전특성 해석을 수행함으로써, 그 타당성이 입증되었다. 특히, 불규칙파 조건에서 빠른 해석을 위해, 등가회로법을 적용하여 발전특성 해석을 수행하였는데, 그 결과 역시 매우 타당함을 확인하였다.
정현파 속도 입력조건에서의 발전특성해석 결과만으로도 발전기의 설계가 타당하게 이루어 졌음을 판단할 수 있다. 그러나, 실제 해상에서 부이의 운동은 불규칙적이므로, 이러한 불규칙한 조건하에서, 얼마의 출력이 얻어질 수 있는 가에 대한 검토는 반드시 필요하다.
시간영역해석 결과를 이용하여 직선형 영구자석 발전기가 설계되었고, 설계된 발전기는 규칙파 조건에서 유한요소 해석법을 적용하여 발전특성 해석을 수행함으로써, 그 타당성이 입증되었다. 특히, 불규칙파 조건에서 빠른 해석을 위해, 등가회로법을 적용하여 발전특성 해석을 수행하였는데, 그 결과 역시 매우 타당함을 확인하였다.

후속연구

수치계산과 모형실험에 의하면 둘 사이의 상호작용은 매우 복잡하며 단순히 발전기의 형상변화가 효율과 파워의 증가로 이어지지 않는다는 것이다. 따라서 가동물체의 운동특성에 함께 선형발전기의 전자기장의 해석을 위하여 유한요소 해석법을 이용한 시뮬레이션이 필요하고 둘 사이의 상호작용 특성(자기장 분포, 무부하 역기전력, Winding flux-자속, 전자력과 권선 인덕턴스 등)에 관한 연구가 요구된다. 현재 이 연구분야는 개발 초기단계이며 현재 해상감시 시스템과 같은 소형 발전장치부터 풍력발전과 연계한 대형 복합발전장치에 이르기까지 다양한 파력발전장치에 대한 선형발전기 실증 연구 사업들이 활발히 추진되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파력발전은 어떻게 구분할 수 있는가?	파력발전은 주기적으로 운동하는 파의 위치 및 운동 에너지를 1차 가용에너지로 변환하는 1차 변환과정과 발전기 구동을 위한 에너지로 전환하는 2차 변환과정 그리고 발전기를 통한 전력 생산 단계인 3차 변환과정으로 구분할 수 있다. 변환 방식에 따라서는 2차 변환과 3차 변환이 하나의 변환 장치로 이루어지는 경우도 있다.
	1차 변환장치 중 가동물체형 파력발전장치는 어떤 방식인가?	1차 변환장치에는 파의 위치 및 운동에너지를 직접 이용하는가 혹은 다른 형태로 변환하느냐에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파·월류형으로 대별할 수 있다. 특히 가동물체형 파력발전장치는 파의 상하운동, 회전운동 등을 물체에 직접 전달하여 물체의 운동으로부터 에너지를 흡수하는 방식을 말한다(Budal and Falnes[1975]).
	흡수된 에너지는 무엇으로 변환되는가?	흡수된 에너지는 발전기를 통해 전기에너지로 변환되므로, 이에 대한 연구의 중요성 또한 증가하고 있다. 이중 영구자석 발전기는, 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 희토류 자성체의 발견으로 인하여 보다 경량화, 소형화가 가능해 지고, 보다 높은 효율을 가질 수 있는 등의 장점 때문에 다양한 용도로 사용되고 있다(Polinder et al.

참고문헌 (9)

Atallah, K. and Howe, D., 1988, "The application of Halbach cylinders to brushless AC servo motors", IEEE Trans. Magn., Vol.34, No.4, 2060-2062.
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
Cummins, W., 1962, "The impulse response function and ship motions", Schiffstechnik, Vol.9, 101-109.
Cho, H.W., 2007, "Characteristic analysis of high-speed PM synchronous motor considering power losses and SVPWM inverter", Ph.D. Dissertation, Chungnam National University, Daejeon-city, Korea.
Choi, J.Y., 2009, "Characteristic analysis of direct-coupled permanent magnet wind turbine generator with single-phase fullbridge inverter", Ph.D. Dissertation, Chungnam National University, Daejeon-city, Korea.
Polinder, H., van der Pijl, F.F.A., de Vilder, G.J. and Tavner, P.J., 2009, "Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines", Ieee Transactions on Energy Conversion, vol.21, 725-733.
Newmark, N.M., 1959, "A method of computation for structural dynamics", Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol.85 (EM3), 67-94.
Amara, Y., Wang, J.B. and Howe, D., 2005, "Analytical prediction of eddy-current loss in modular tubular permanent-magnet machines", Ieee Transactions on Energy Conversion, vol.20, 761-770.

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