[논문]케이슨방파제 부착 OWC-MB 복합형 파력발전시스템 성능해석

서지혜; 박우선; 이중우

doi:10.12652/ksce.2015.35.3.0589

케이슨방파제 부착 OWC-MB 복합형 파력발전시스템 성능해석
Performance Analysis of OWC-MB Hybrid Wave Energy Harvesting System Attached at Caisson Breakwater 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.3, 2015년, pp.589 - 597

서지혜 (한국해양과학기술원 연안공학연구본부) , 박우선 (한국해양과학기술원 연안공학연구본부) , 이중우 (한국해양대학교 건설공학과)

초록
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기존 케이슨방파제 외해 측에 수로를 설치하고 수로 내에 부유체를 설치한 파력발전시스템에 대해서 연구하였다. 이 시스템은 중복파를 기진력으로 활용하고, 수로 내 수주와 부유체의 공진현상을 이용하여 에너지 추출효율 극대화할 목적으로 제안되었다(Park et al., 2014). 선형파 이론에 기초한 Galerkin 유한요소 모델(Park, 1991)을 이용하여 제안된 발전시스템의 성능을 평가한 결과, 기존의 타 시스템에 비하여 우수한 발전효율을 보임과 수로 내 수주의 공진현상이 성능에 지배적인 영향을 미침을 확인하였다. 또한, 수로와 부이 주변에서 발생하는 유체 점성감쇠가 발전효율에 미치는 영향이 커 이를 최소화하는 노력이 필요한 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wave energy harvesting system using OWC(Oscillating Water Column) and MB (Movable Body) attached at the caisson breakwater was studied. This system was suggested to maximize wave energy extraction using resonant phenomena of oscillating water column and buoy in wave channel (Park et al., 2014). Not only incident waves but also reflected waves from the breakwater can be used as sources of exciting force for harvesting wave energy efficiently. Using Galerkin finite model based on the linear wave theory (Park, 1991), the performance of the system was evaluated for various damping ratios of power take off system. Numerical results show that the proposed system is excellent in efficiency compared with that of conventional system and the performance of the system is governed by the resonance of oscillating water column in the wave channel. In addition, the additional efforts to minimize viscous damping was found to be necessary because viscous damping occurring in the channel and around the moving buoy is significant in generation efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 방파제를 활용하여 파력발전을 효율적으로 할 수 있는 새로운 시스템에 대해서 연구하였다. 수심 15m에 설치된 방파제에 주기 7초, 파고 2m를 대상으로 파력발전 시스템을 설계하여 성능해석을 실시하였다.
본 연구에서는 기존의 방파제를 파력발전시스템의 지지구조물로 활용하여 경제성을 제고하고, 수주의 공진과 물체의 공진을 이용하여 에너지 추출효율을 증대시키기 위하여 고안된 방파제 부착형 OWC-MB 복합형 파력발전시스템(Park et al., 2014)에 대해서 연구하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 발전시스템에 대한 기본 개념도를 Fig.

가설 설정

진폭이 A이고 진동수가 ω인 정현파가 수심 h에 위치한 파력발전시스템에 입사하는 경우의 동유체력 산정문제를 정식화하기 위하여 입사파고 및 구조물의 거동이 미소하다는 가정을 하고 원점이 정수면에 위치한 직교좌표계를 사용하였다.

제안 방법

Case①의 경우는 PTO 시스템에 의한 임계감쇠(#내에서 Case②의 경우에는 LEG에 의한 임계감쇠(cG=2mGωG) 내에서의 성능을 살펴보았다.
입사파에 대한 파력발전시스템 내 부이의 수직운동은 발전기내 영구자석의 수직운동을 유발하며 이에 의하여 발전하게 된다. 발전성능평가를 위해 발전장치(Power Take-Off, PTO)를 Fig. 4와 같이 1자유도 스프링-질량-감쇠계수 시스템으로 모델화하여 파랑과의 상호작용 해석을 실시하였다(Seo et al., 2014).
제안된 파력발전시스템의 성능을 파악하기 위하여 시간평균파워 및 효율의 변화를 살펴보았다. 발전에 관련된 감쇠를 임계감쇠의 2~100% 범위 내에서 변화시키며 해석을 수행하였다. Case①의 경우는 PTO 시스템에 의한 임계감쇠(#내에서 Case②의 경우에는 LEG에 의한 임계감쇠(cG=2m_Gω_G) 내에서의 성능을 살펴보았다.
본 연구에서는 전체 유체요소영역은 2차 형상함수를 갖는 8절점 등매개변수요소(isoparametric element)를 사용하여 모형화하였다. 무한요소영역은 방사조건을 효율적으로 모형화하기 위해 수직 방향으로 6절점 등매개변수요소를 사용하였고, 각 요소의 시스템행렬을 Gauss적분공식을 사용하여 구성하였다(Park, 1991).
5에 보인 바와 같이 수심 15m에 설치된 케이슨 방파제 외해 측에 적용하는 것으로 하였으며, 최대효율을 목표로 하는 파랑조건은 기존의 케이슨방파제에 내습하는 통상파를 기준으로 이에 근접한 주기 7초, 파고 2m로 설정하였다. 수로의 폭은 1.0m로 하였으며, 부체의 단위 폭 당 질량은 5,000kg, 발전기의 질량은 Cho and Kweon (2011)의 논문을 참조하여 부이의 2%인 100kg으로 설정하고, Case① 방식은 부이의 강성계수(k_F) 및 감쇠계수(c_F)를 수로의 고유주기(T_ch)와 일치시킨 경우를 해석하였고, Case② 방식은 부이와 연성된 발전기 스프링 강성(k_G)이 목표 파랑조건인 7초에서 발전기 공진이 발생하도록 설정한 경우(Case②-1)와 부이의 공진 주기인 5초에 맞춘 경우(Case②-2)로 각각 고려하였다(Table 1).
본 논문에서는 기존 방파제를 활용하여 파력발전을 효율적으로 할 수 있는 새로운 시스템에 대해서 연구하였다. 수심 15m에 설치된 방파제에 주기 7초, 파고 2m를 대상으로 파력발전 시스템을 설계하여 성능해석을 실시하였다. 수치해석결과, 수로의 공진이 발전효율에 지배적인 영향을 줌을 알 수 있었으며, 상대적인 운동보다 직접 부이의 운동을 이용하는 것이 에너지 추출 효율이 높아짐을 알 수 있었다.
입사파의 주기와 같은 주기로 조화운동을 하는 발전시스템에 이중공진 효과를 발생시키기 위하여 기존 방파제가 설치된 해역의 지배적인 유의주기와 발전시스템의 고유주기가 근접하도록 모델을 설계하였다.
제안된 발전시스템의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 5에 보인 바와 같이 수심 15m에 설치된 케이슨 방파제 외해 측에 적용하는 것으로 하였으며, 최대효율을 목표로 하는 파랑조건은 기존의 케이슨방파제에 내습하는 통상파를 기준으로 이에 근접한 주기 7초, 파고 2m로 설정하였다. 수로의 폭은 1.
또한, 방파제 전면 해상은 입사파와 반사파가 같이 존재하기 때문에 중복파압을 기진력을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 제안된 발전시스템의 성능을 평가하기 위해 발전시스템과 파동의 상호작용해석은 Park(1991)이 개발한 Galerkin 유한요소 모델을 확장하여 제안된 발전시스템의 성능을 평가하였다. 이 모델은 파동장을 등매개변수 요소로 모형화하고, 무한 경계면에서의 방사경계조건은 무한요소로 처리하고 있다.
제안된 파력발전시스템의 성능을 파악하기 위하여 시간평균파워 및 효율의 변화를 살펴보았다. 발전에 관련된 감쇠를 임계감쇠의 2~100% 범위 내에서 변화시키며 해석을 수행하였다.

대상 데이터

3에 발전시스템과 파의 상호작용 해석에 사용한 유한요소망도를 제시하였다. 2,148개의 유한요소와 20개의 무한요소로 사용하였으며 총 절점 수는 7,594개이다. 파랑 거동의 중첩을 확인하기 위한 이산화된 유체영역에서의 파장 당 최소 요소수는 54개로, 일반적으로 2차 요소에서는 4개, 선형 요소에서 20개가 필요한 것에 비추어 볼 때 매우 충분하다고 할 수 있다.

이론/모형

본 연구에서는 전체 유체요소영역은 2차 형상함수를 갖는 8절점 등매개변수요소(isoparametric element)를 사용하여 모형화하였다. 무한요소영역은 방사조건을 효율적으로 모형화하기 위해 수직 방향으로 6절점 등매개변수요소를 사용하였고, 각 요소의 시스템행렬을 Gauss적분공식을 사용하여 구성하였다(Park, 1991).

성능/효과

PTO장비 없이 수로만 있는 경우(Fig. 6(a))의 해수면 수위진폭을 보면 입사파의 주기와 수로의 고유주기가 일치하는 부근(7초)에서 수로 공진효과로 인해 진폭이 약 27배 상승함을 알 수 있다. 파력발전을 위한 부이가 있는 경우(Fig.
7(c) and 8(c)를 살펴보면 감쇠율 2% 곡선에서 보이는 두 개의 공진영역은 채널의 공진효과가 발전기의 공진효과보다 중요함을 알 수 있다. 또한, 발전파워 및 효율은 발전에 따른 감쇠비에 민감하게 거동하고, 최적의 감쇠비가 존재함을 알 수 있다. Case①과 ②를 비교해 보면 Case①의 곡선이 상대적으로 폭이 넓음을 알 수 있다.
수치해석결과, 수로의 공진이 발전효율에 지배적인 영향을 줌을 알 수 있었으며, 상대적인 운동보다 직접 부이의 운동을 이용하는 것이 에너지 추출 효율이 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 상대운동을 이용하는 경우에는 발전기의 공진조건을 수로의 공진조건에 맞추는 것이 부이의 공진조건에 맞추는 것보다 유리함을 확인하였다. 발전관련 감쇠계수 c_G의 변화에 따라 발전효율이 직접적으로 영향을 받으며, 최적의 감쇠조건이 있음을 확인하였다.
또한, 상대운동을 이용하는 경우에는 발전기의 공진조건을 수로의 공진조건에 맞추는 것이 부이의 공진조건에 맞추는 것보다 유리함을 확인하였다. 발전관련 감쇠계수 c_G의 변화에 따라 발전효율이 직접적으로 영향을 받으며, 최적의 감쇠조건이 있음을 확인하였다.
부이의 공진조건을 수로의 공진조건을 일치시켜 부체의 운동을 직접 발전에 활용하는 Case①의 경우가 가장 우수한 성능을 보이고, 발전기의 공진조건을 수로의 공진조건에 일치시킨 Case②-1이 그 다음, 그리고, 발전기의 공진조건을 부이의 공진조건에서 일치시킨 Case②-2가 제일 낮은 수준의 성능을 보임을 확인하였다. 특히, 유체의 점성감쇠의 영향을 고려하는 경우에는 그 차이가 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있었다.
수로 및 부이 주변에서의 유체 점성에 의한 감쇠의 영향을 파악하기 위하여 감쇠비 5%에 대해 해석한 결과, 그 영향이 무시할 수 없을 정도로 큼을 알 수 있었다. 따라서, 점성감쇠를 최소화하기 위한 노력과 최소화된 감쇠를 고려한 적절한 발전량 추정에 대한 노력도 필요하다고 할 수 있다.
수심 15m에 설치된 방파제에 주기 7초, 파고 2m를 대상으로 파력발전 시스템을 설계하여 성능해석을 실시하였다. 수치해석결과, 수로의 공진이 발전효율에 지배적인 영향을 줌을 알 수 있었으며, 상대적인 운동보다 직접 부이의 운동을 이용하는 것이 에너지 추출 효율이 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 상대운동을 이용하는 경우에는 발전기의 공진조건을 수로의 공진조건에 맞추는 것이 부이의 공진조건에 맞추는 것보다 유리함을 확인하였다.
실제와 유사할 것으로 판단되는 5% 감쇠비에 대한 결과인 Fig. 8을 살펴보면 전체적인 경향은 0% 감쇠비일 때와 크게 다르지 않으나 최대 파워와 효율이 많이 감소됨을 알 수 있다. 이 결과는 수로와 부이 부근에서 발생하는 유체 점성감쇠가 중요하다는 것을 의미한다.

후속연구

따라서, 점성감쇠를 최소화하기 위한 노력과 최소화된 감쇠를 고려한 적절한 발전량 추정에 대한 노력도 필요하다고 할 수 있다. 또한, 본 연구에서는 순수 공진효과를 입증하기 위하여 발전을 제외하여 해석을 실시하였으며, 추후 발전기 감쇠 발생 및 변화에 따른 부이의 거동 실험을 실시하여 LEG 운동자인 영구자석과 부이의 연성 운동방정식에 대한 비교‧ 검토로부터 발전량 예측이 필요하다.
현재 적용한 선형모델의 한계를 최대한 해결하기 위하여 발전에 중요한 영향을 미치는 공진조건 부근에서의 유체의 점성감쇠를 부체에 부착된 댐퍼로 모형화하여 해석하였으며 댐퍼의 감쇠계수는 수리모형실험 등에 의해서 추정이 가능할 것으로 판단된다. 보다 정밀한 해석을 위해 Navier Stokes 방정식 등을 이용한 후속연구가 필요하다.
현재 적용한 선형모델의 한계를 최대한 해결하기 위하여 발전에 중요한 영향을 미치는 공진조건 부근에서의 유체의 점성감쇠를 부체에 부착된 댐퍼로 모형화하여 해석하였으며 댐퍼의 감쇠계수는 수리모형실험 등에 의해서 추정이 가능할 것으로 판단된다. 보다 정밀한 해석을 위해 Navier Stokes 방정식 등을 이용한 후속연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라 파력에너지 부존량은?	삼면이 바다인 우리나라도 조력, 조류, 파력 등 풍부한 해양에너지원을 갖고 있어 이의 상용화에 대한 관심이 높다. 그 중 파력에너지는 연안을 따라 650MW에달하는 막대한 부존량을 보이는 것으로 평가되고 있어 이의 상용화를 위한 노력이 지속되고 있다(Choi and Lee, 2007; Hong, 2012).
	파력발전의 상용화가 어려운 이유는?	파력발전이 상용화의 가장 큰 걸림돌은 낮은 경제성이라고 할수 있다. 막대한 하부지지구조물 설치비용과 불규칙하고 낮은 효율로 경제성을 확보하지 못해 상용화에 이르지 못하고 있는 것이 현실이다. 많은 연구자들이 이러한 문제점을 극복하기 위하여 다양한 형식의 파력발전시스템을 제안하여 왔고(Brooke, 2003; Charlier et al.
	해양에너지원 종류는?	그 중에 해양에너지는 지구의 3분의 2를 차지하는 바다에 존재하는 무한 청정의 자연 에너지원이라는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 해양에너지원으로는 조력, 조류, 파력, 해수온도차 등을 들 수 있으며, 영국과 일본을 포함한 해양 선진국들은 이러한 해양에너지를 중요한 신재생에너지중의 하나로 인식하고 오래전부터 관련기술개발을 수행하고 있다. 삼면이 바다인 우리나라도 조력, 조류, 파력 등 풍부한 해양에너지원을 갖고 있어 이의 상용화에 대한 관심이 높다.

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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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