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문제 정의
- 본 논문에서는 넓은 주파수 대역에서 파랑에너지를 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 높은 효율을 갖는 파력발전장치를 개발하기 위해 다중 공진개념을 이용하였다. 다중 공진을 발생시키기 위하여 외부와 내부 부이로 구성된 이중 부이 파력발전장치 모델을 제안하였다.
- 본 논문에서는 다중 공진을 이용하는 이중 부이 파력발전장치를 제안하고 파랑중 이중 부이의 수직운동 특성을 파악하고자 2차원 조파수조에서 체계적인 모형실험을 실시하였다. 시스템 안에 내재된 고유주기는 내부와 외부 부이의 수직운동 고유 주기와 내부 유체의 피스톤-모드 고유주기이다.
제안 방법
- 수직운동을 이용한 기존의 점 흡수식(Point absorber) 파력발전장치들은 대부분 원기둥 형상을 갖는 1개 또는 2개 부이(Buoy)로 구성된다. 1차 변환과정에서 에너지 추출효율을 높이기 위한 방법으로 설치지점에서 파랑에너지가 가장 밀집되어 있는 파랑스펙트럼의 최대주파수(Peak frequency)와 부이의 수직운동 고유주파수(Heave natural frequency)를 일치시키도록 설계한다(Budar and Falnes, 1975). 이 경우, 에너지 밀도가 높은 입사파의 주파수 대역에서 공진(Resonance)이 일어나 부이의 수직운동이 크게 증가되어 1차 변환 효율을 높일 수 있다.
- 시스템 안에 내재된 고유주기는 내부와 외부 부이의 수직운동 고유 주기와 내부 유체의 피스톤-모드 고유주기이다. 2개의 외부 부이 모델(기본형, 개량형)에 대하여 내부 부이의 흘수(3개)를 변화시켜가면서 총 6개의 실험 모델을 제작하여 입사파의 주기를 바꿔가면서 모형실험을 실시하였다.
- , 2009). Power buoy는 Wavebob과 비슷한 형상을 갖지만 내부 부이 바닥면에 수직운동을 저감시키는 감쇠판(Damping plate)을 부착하여 내부 부이의 수직운동을 최대한 억제하도록 설계되었다. 따라서 파를 따라 운동하는 외부 부이와 수직운동을 거의 하지 않는 내부 부이 간의 상대운동을 이용하여 전기를 추출한다.
- 본 논문에서는 넓은 주파수 대역에서 파랑에너지를 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 높은 효율을 갖는 파력발전장치를 개발하기 위해 다중 공진개념을 이용하였다. 다중 공진을 발생시키기 위하여 외부와 내부 부이로 구성된 이중 부이 파력발전장치 모델을 제안하였다. 외부 부이로 내부가 빈 단순한 원기둥 형상을 갖는 기본형(Model 1)과 기본형 바깥 수면 근처에 고리 모양의 부가물을 부착한 개량형(Model 2) 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 선형발전기를 배제한 상태에서 파랑 중 이중 부이의 수직운동 변위를 제주대학교 2차원 수조에서 측정하였다. 모형실험은 2종류(기본형, 개량형)의 외부 부이 모델에 대하여 내부 부이의 흘수를 변경시켜가면서 각 부이의 수직운동을 측정하고 이로부터 1차 변환효율을 결정짓는 상대 수직운동을 구하였다. 이중 부이 파력발전장치 중에서 개량형 외부 부이를 사용한 모델이 기본형 외부 부이 모델보다 불규칙파와 같이 넓은 주파수 대역에서 더욱 효과적으로 에너지 추출할 수 있음을 모형실험결과를 통하여 입증하였다.
- 모형실험은 제주대학교 2차원 조파수조에서 실시하였다. 수조의 제원은 길이 20m, 폭 0.
- 따라서 영구자석을 외부 부이에 고정하고, 코일을 내부 부이에 설치하면 내⋅외부 부이의 상대 수직운동이 발전효율에 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 선형발전기를 배제한 상태에서 파랑 중 이중 부이의 수직운동 변위를 제주대학교 2차원 수조에서 측정하였다. 모형실험은 2종류(기본형, 개량형)의 외부 부이 모델에 대하여 내부 부이의 흘수를 변경시켜가면서 각 부이의 수직운동을 측정하고 이로부터 1차 변환효율을 결정짓는 상대 수직운동을 구하였다.
- 1에 제시된 이중부이 파력발전장치는 에너지 추출효율을 높이기 위하여 다중 공진을 이용하는 새로운 개념의 파력발전장치이다. 이 장치의 성능을 모형실험을 통하여 살펴보기 위하여 2차원 조파수조에서 여러 설계 변수들을 바꿔가면서 다양한 실험을 수행하였다.
- 외부 부이에는 회전운동 변위도 함께 측정하기 위하여 2개의 가속도계를 사용하였다. 조파기로부터 약 2.8m 떨어진 위치에 용량식 파고계를 설치하여 입사파를 계측하였다. 또한 외부 부이의 무게 중심으로부터 수조 벽까지 약한 강성을 갖는 4줄의 스프링으로 연결하여 운동을 구속하지 않으면서 표류력(Drift force)으로 부이가 밀려나가는 것을 방지하였다.
- 파랑 중 운동실험은 규칙파에 대해서 수행하였으며 내⋅외부 부이의 수직운동 고유주기와 내부 유체의 고유주기를 모두 포함하는 범위[0.8s 1.5s]내에 있는 총 15개의 주기에 대하여 실험을 실시하였다.
대상 데이터
-
2.1 실험 모델
모형실험에서는 Fig. 2와 같이 총 6개의 실험 모델을 대상으로 규칙파중 운동실험을 실시하였다. Mij는 모형실험에서 사용한 총 6개의 실험모델을 쉽게 나타내기 위한 기호이다.
- 모형실험은 제주대학교 2차원 조파수조에서 실시하였다. 수조의 제원은 길이 20m, 폭 0.8m이며 수심은 0.6m이다. Fig.
- 여기서 i=1은 내부 부이, i=2는 외부 부이를 나타낸다. 실험데이터는 소파장치가 놓인 수조 끝단으로부터의 반사파가 실험모델에 도달하기 전까지의 유효한 데이터를 추출하여 분석하였고, 샘플링 주파수는 200Hz이다. 입사파의 진폭과 내⋅외부 부이의 수직운동 진폭 그리고 상대 운동진폭은 입사파의 파형(ζa(t))과 내부 부이 운동변위(z1(t)), 외부 부이 운동변위(z2(t)), 상대 운동변위(z2 (t)-z1 (t))의 시계열 자료로부터 Zero-crossing 방법을 사용하여 구한 평균값이다.
데이터처리
- 국내에서는 Bae and Cho(2013)은 내부가 빈 원기둥 형상의 부이의 수직운동 특성을 해석하기 위하여 회절과 방사문제를 고유함수전개법을 사용하여 해석하였다. 여기서 계산된 파기진력 및 동유체력을 운동방정식에 대입하여 부이의 수직운동특성을 살펴보고 모형실험 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 다중 공진을 발생시키기 위하여 외부와 내부 부이로 구성된 이중 부이 파력발전장치 모델을 제안하였다. 외부 부이로 내부가 빈 단순한 원기둥 형상을 갖는 기본형(Model 1)과 기본형 바깥 수면 근처에 고리 모양의 부가물을 부착한 개량형(Model 2) 모델을 사용하였다. 개량형 모델은 외부 부이의 수선면적을 늘려 외부 부이의 수직운동 고유주파수를 인위적으로 높이기 위함이다.
성능/효과
- 8과 9를 비교해 보면 공진주기에서 내부 부이의 수직운동 RAO의 피크값이 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 기본형(Model 1) 외부 부이에서는 실험모델 M11과 M13에서 약 8배, M12에서 6.5배의 증폭비를 나타났다. 반면에 개량형(Model 2) 외부 부이에서는 내부 부이의 RAO 피크값이 내부 부이의 흘수에 따라 약 4.
- 5배의 증폭비를 나타났다. 반면에 개량형(Model 2) 외부 부이에서는 내부 부이의 RAO 피크값이 내부 부이의 흘수에 따라 약 4.8-5.6사이의 값을 보이고 있다. 이러한 결과는 앞에서 언급했듯이 기본형인 경우 주기 1.
- 그리고 2개의 공진주기 사이의 주기범위에서도 비교적 높은 증폭비(=2)를 유지하고 있음을 볼 수 있다. 개량형 외부부이를 갖는 파력발전장치는 넓은 주파수 대역에서 에너지를 획득할 수 있음과 동시에 다중 공진에 통해 에너지 추출효율을 증가시킬 수 있음을 잘 보여주었다.
- 즉, 공진으로 인하여 공진주기에서 외부 부이의 수직운동 RAO는 큰 값을 갖는다. 또한 각 공진주기에서 기본형과 개량형의 수직운동 RAO의 값 차이가 나타남을 볼 수 있는데, 이는 고리모양의 부가물 부착으로 수직운동 시 점성에 의한 박리가 발생하여 감쇠효과가 증가하여 개량형의 RAO가 크게 줄어들었다. 기본형에서 외부 부이의 수직운동 RAO(za2/A)의 피크값은 M11=4.
- 8m 떨어진 위치에 용량식 파고계를 설치하여 입사파를 계측하였다. 또한 외부 부이의 무게 중심으로부터 수조 벽까지 약한 강성을 갖는 4줄의 스프링으로 연결하여 운동을 구속하지 않으면서 표류력(Drift force)으로 부이가 밀려나가는 것을 방지하였다. Fig.
- 본 이중 부이 파력발전장치의 효율을 결정짓는 부이간의 상대 수직운동 RAO는 수선면적을 증가시켜 고유주기를 짧게 한 개량형(Model 2)이 기본형(Model 1)보다 내부 부이의 흘수 변화에 관계없이 전 주기에 걸쳐 우수한 결과를 보였다. 특히 기본형과 달리 개량형은 측정 주기 범위 내에서 서로 다른 2개의 공진주기를 갖기 때문에 비교적 넓은 파 주파수 대역에서 에너지를 추출할 수 있는 장점을 지니고 있다.
- 이론적으로 3개의 고유주기를 갖는 이중 부이 파력발전장치를 모형 실험한 결과 최대로 이용할 수 있는 공진주기는 개량형에서 2개였다. 이는 내부 유체 고유주기와 내부 부이 고유주기의 차가 크지 않았기 때문이다.
- 모형실험은 2종류(기본형, 개량형)의 외부 부이 모델에 대하여 내부 부이의 흘수를 변경시켜가면서 각 부이의 수직운동을 측정하고 이로부터 1차 변환효율을 결정짓는 상대 수직운동을 구하였다. 이중 부이 파력발전장치 중에서 개량형 외부 부이를 사용한 모델이 기본형 외부 부이 모델보다 불규칙파와 같이 넓은 주파수 대역에서 더욱 효과적으로 에너지 추출할 수 있음을 모형실험결과를 통하여 입증하였다.
후속연구
- 내부와 외부 부이의 흘수가 같을 때는 내부 부이의 수직운동 고유주기와 내부 유체의 고유주기가 같기 때문에 공진의 발생 원인을 명확하게 구분하기는 어려웠다. 닫쳐진 유체영역에서 속한 내부 부이의 운동특성은 차후 파력발전 장치의 형상 설계에 있어서 유용한 정보로 사용될 것으로 사료된다.
- 이는 내부 유체 고유주기와 내부 부이 고유주기의 차가 크지 않았기 때문이다. 차후 연구에서는 내부 유체 고유주기와 내부 부이 고유주기를 일정 간격 떨어지도록 이중 부이 형상을 설계하여 불규칙파와 같이 넓은 파 주파수 대역에서 더욱 더 효과적으로 에너지 추출할 수 있는 개선된 형태의 이중 부이 파력발전장치를 개발할 것이다.
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