[논문]부유체-균형추 파력발전장치의 전력에 대한 이론적 연구

이성범; 이승건; 문병영

doi:10.5293/kfma.2015.18.3.026

부유체-균형추 파력발전장치의 전력에 대한 이론적 연구
Theatrical Research an Generated Power of Float-Counterweight Wave Converters 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.3, 2015년, pp.26 - 32

이성범 (부산대학교 조선해양공학과) , 이승건 (군산대학교 조선공학과) , 문병영 (군산대학교 조선공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The authors are developing a motion of floater body type wave energy converter of the float-counterweight system. This consists of the driving pulley, wire, float and counterweight suspended from idler pulleys and rachet mechanism. Though it has succeeded in solving the major structural strength problem in which the floats would slam against adjacent structure(s) by wave load acting horizontally. In order to overcome this problem. We propose a new system in which the wire transmitting the power is wound around the pulleys and the float receiving the wave power is pulled by the wire from both its upper and lower ends to avoid the occurrence of slackening during the wave cycle. In the paper, we developed the dynamics model for the proposed system. Energy gain has been calculated for realistic wave conditions and compared with the original float-counterweight device. The important differences from the float-counterweight system are that (1) both upward and downward motions of water surface can be utilized without problem. (2) slackening of energy gain and wire tension are effectively suppressed, and (4) for the same time averaged energy gain, the maximum wire tension is fairly lowered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그렇지만 이상으로 말한 장치와 비교해서, 개발된 부유체-균형추식 파력발전장치⁷⁾는 많은 문제를 떠안고 있다. 본 논문에서는 부유체-균형추식 파력발전장치를 개량한 장치에 대해 연구하였다.
두 번째로, 장치로서 와이어에 항상 인장력을 붙인 상태로 구동 풀리에 동력을 전달하기 때문에 수면 위쪽에 있는 구동 풀리에 동력을 전달하기 때문에 수면 위쪽에 있는 구동 풀리의 양측이 고정부에 2개 그리고 수중의 고정부에 2개의 아이들 풀리를 배치하는 것이다. 세 번째로, 큰 와이어 장력을 견디기 위해서 풀리를 고정하는 지지 구조체를 라멘구조와 동등의 구조역학 특성을 가지는 것으로 하는 것이다. 네 번째로, 수중의 아이들 풀리는 어떠한 경우도 수면 상에 있는 것은 용납되지 않고, 그 위치를 (음력의 초하루와 보름 평균 간조면)-(1/2×최대파고)-(여유장)의 위치로 하는 것이다.
이상의 결과, 상시 긴장식은 평균 해수면을 중심으로 해변위해, 부유체-균형추식에 비해 그 거동이 안정되어 있는 결과를 얻었다. 이 때문에 부유체의 변위가 예상하기 쉽고, 장치를 설계하는데 있어서 뛰어난 결과를 얻었다.

가설 설정

파의 조건으로서는 정현파를 가정한다. 파고를 H, w을 파의 진동수로 하면, 수면 변위는 식 (12), 초기조건은 식 (13)으로서 주어진다.

제안 방법

1) 종래 본 연구실이 제안하고 있던 부유체-균형추식 파력발전장치에 대해, 그 개량한 상시 긴장식 파력발전장치를 제안했다.
이 장치는 일본의 미츠비시중공업(주) 나가사키 연구소에서 실시한 실험의 제원을 그대로 사용해, 상시 긴장식에 관해서는 그 제원의 부유체 질량만 변경하고 있다. 계산조건의 파는 상시 긴장식에서 제안한 것을 사용했다.
또, C_D, C_M을 정의해 왔지만, 이 장치는 부유체가 물표면 근처에서 일부 몰수 상태 혹은 조금의 머리로 수몰한 상태로 운동하기 때문에, 기왕의 연구의 문제 설정이 다르다. 그 때문에 물과 부유체의 상대운동에 의한 상호 작용력을 무시해 계산한다.
네 번째로, 수중의 아이들 풀리는 어떠한 경우도 수면 상에 있는 것은 용납되지 않고, 그 위치를 (음력의 초하루와 보름 평균 간조면)-(1/2×최대파고)-(여유장)의 위치로 하는 것이다. 다섯 번째로, 라쳇기구를 다는 회전축에 하중이 직접 작용하는 것은 피할 필요가 있기 때문에, 상부의 2개의 아이들 풀리의 중간에 구동 풀리를 배치한 구성으로 하였다.
부유체-균형추식 파력발전장치와 상시 긴장식 파력발전장치의 비교를 실시했다. 비교한 결과를 정리하면 다음과 같이 요약할 수 있다.

이론/모형

수치해석의 수법으로서는 4차의 Runge-Kutta method를 이용하였다.

성능/효과

2) 상시 긴장식은 부유체-균형추식의 문제점인 와이어 장력이 부가되는 현상을 해소하고, 충격적인 힘의 발생을 없게 했다. 그 때문에 구조 강도가 뛰어나다.
3) 상시 긴장식은 일부 몰수 상태의 경우, 부유체-균형추식에 비해 와이어 장력이 작다. 그러나 전체 몰수 상태 또한 파고가 높고, 주기가 짧은 경우, 부유체-균형추식에 비해 와이어 장력은 커진다.
4) 상시 긴장식은 상시 발전이 가능하고, 일부 몰수 상태가 실현되고 있는 경우 발생전력이 안정적이기 때문에, 움직임을 상정하기 쉽고, 설계에 유리하다.
3GWh로 추정되었다. 가용잠재량에 파력발전 가동률(20%)을 적용한 기술적 잠재량은 약 2.3 GWh이며, 이는 연간 발전량과 석유환산톤으로 환산할 경우 약 16.4 TWh, 3.5백만 toe인 것으로 나타났다.
네 번째로, 수중의 아이들 풀리는 어떠한 경우도 수면 상에 있는 것은 용납되지 않고, 그 위치를 (음력의 초하루와 보름 평균 간조면)-(1/2×최대파고)-(여유장)의 위치로 하는 것이다.
이 장치의 의미가 있는 점은 첫 번째로, 와이어를 사용하는 것으로써, 복잡한 파의 거동에도 대응 가능하고, 구조 강도상의 문제를 해결하고 있는 것이다. 두 번째로, 중량물을 부유체와 균형추만으로 해서, 장치 부품에 의한 에너지의 손실을 줄이고 이론상의 에너지 변환효율을 30%로 높게 유지하고 있는 것이다. 세 번째로 장치를 수중에 넣은 가동부분과 동력을 변환하는 기계 부분으로 분리시켜, 설치·유지보수를 용이하게 해서 경제적으로 뛰어난 것이다.
또 그림은 생략하지만, 부유체-균형추식, 상시 긴장식의 양 방식에 있어서 전체 몰수, 공중에 매달린 상태가 발생하는 경우, 발생전력이 안정되지 않는 것을 알았다.
또한 한국 연안에서 20 km이내, 수심 200 m이내 해역의 면적(약 46,725 km²)에 4 MW/km²의 파력 발전기를 설치할 경우 파랑에너지 부존잠재령은 약 187 GWh이며, 이 해역의 5%를 파력발전에 이용할 경우 가용잠재량은 9.3GWh로 추정되었다. 가용잠재량에 파력발전 가동률(20%)을 적용한 기술적 잠재량은 약 2.
발생전력은 Fig. 9, 10에서 보면 부유체-균형추식은 하강시만 발전해서, 상시 발전이 가능하지 않지만, 발생전력의 최대치가 상시 긴장식에 비해 큰 결과가 나왔다. 상시 긴장식에서는 발생 전력의 피크는 작아졌지만 상시 발전이 가능해져, 발생 전력의 파형이 안정되는 결과를 얻었다.
5, 6이 되었다. 부유체의 변위에 대해, 부유체-균형추식에서는 부유체가 평균 해수면에서 보다 위쪽을 중심으로 해서 운동해서, 상시 긴장식에서는 평균 해수면을 중심으로서 운동하고 있는 결과가 되었다. 또 양 방식에서, 수면의 변위에 대해서 부유체의 변위는 작아졌다.
9, 10에서 보면 부유체-균형추식은 하강시만 발전해서, 상시 발전이 가능하지 않지만, 발생전력의 최대치가 상시 긴장식에 비해 큰 결과가 나왔다. 상시 긴장식에서는 발생 전력의 피크는 작아졌지만 상시 발전이 가능해져, 발생 전력의 파형이 안정되는 결과를 얻었다. 부유체-균형추식, 상시 긴장식의 발생전력은 각각 0.
세 번째로 장치를 수중에 넣은 가동부분과 동력을 변환하는 기계 부분으로 분리시켜, 설치·유지보수를 용이하게 해서 경제적으로 뛰어난 것이다.
이상의 결과, 상시 긴장식은 부유체-균형추식과 비교해 강도상 뛰어난 것을 알 수 있다.
이상의 결과, 상시 긴장식은 평균 해수면을 중심으로 해변위해, 부유체-균형추식에 비해 그 거동이 안정되어 있는 결과를 얻었다. 이 때문에 부유체의 변위가 예상하기 쉽고, 장치를 설계하는데 있어서 뛰어난 결과를 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양에너지의 장점은 무엇인가?	화석 연료의 고갈과 환경문제에 관한 규제가 강화됨에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 이 중 해양에너지는 태양광이나 풍력발전과 비교해 예측 가능성이 높고 안정적이며, 에너지 밀도는 공기의 약 800배로 가능성이 풍부하다. 이러한 해양에너지를 이용하는 발전으로는 파력, 조석, 해류, 조류, 온도차.
	수면의 상하운동을 이용하는 파력발전장치는 어떤 발전 방식을 가지는가?	본 연구실의 부유체-균형추식 파력발전장치는 수면의 상하운동을 이용하는 파력발전장치이다. 풀리. 와이어, 부유체, 균형추, 증속기, 발전기로부터 구성되어 유체의 움직임을 와이어를 개입시켜 풀리에게 전해 회전운동으로 변환해 발전한다. 통상, 파에 의한 유체의 운동은 상하운동이기 때문에, 구동 풀리의 회전방향은 한 방향으로 움직이지 않기 때문에, 라쳇 기구를 도입하는 것으로써, 구동 풀리의 회전을 형편상, 유체의 하강 시에만 한 방향으로 해서 발전을 해서 전력을 발생시킨다.8)
	해양에너지를 이용하는 발전에는 어떤 방식이 있는가?	이 중 해양에너지는 태양광이나 풍력발전과 비교해 예측 가능성이 높고 안정적이며, 에너지 밀도는 공기의 약 800배로 가능성이 풍부하다. 이러한 해양에너지를 이용하는 발전으로는 파력, 조석, 해류, 조류, 온도차. 염분의 농도차 등이 있으며, 그 중에서도 파력에너지의 세계적인 부존 량은 약 2 TW(Tera Watt)로 추정되고 있다.1)~4)

참고문헌 (10)

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Cruz, J., "Ocean Wave Energy," Springer, 2008.
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Hadano, K., Taneura, K., Watanabe, M., Nakano, K., Saito, T. and Matsuura, M., "On the Dynamics of the Float Type Wave Energy Conversion," JSCE Journal B, Vol. 62, No. 3, pp. 270-383, 2006.
Hadano, K., Lee, S. B. and Moon, B. Y., Dynamics model of the float-type wave energy converter considering tension force of the float cable, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 38, No. 2, pp. 217-224, 2014

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Hadano, K., Moon, B. Y., Lee, S. B. and Kim, K. J., "The Experimental Study about Kinetic Change of Water Surface in the Chambers for Wave Energy Converter", Jouranl of Korean Society for Fluid machinery, Vol. 17, No. 2, pp. 41-47, 2014
Lee, S. B., Hadano K. and Moon, B. Y., "A study for electric power of float-counterweight wave energy converter", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 38, No. 7, pp. 936-942, 2014.

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