[논문]인접한 조류발전용 수직축 터빈의 배치방식에 따른 성능 변화

이정기; 현범수

doi:10.7846/jkosmee.2016.19.2.151

초록
AI-Helper

조류발전단지는 유망한 해역에 터빈을 복수로 다배열하여 발전하는 시스템을 말한다. 이러한 단지는 각 터빈이 최대 효율로 작동하고, 최대 발전량을 얻을 수 있도록 설계되어야 하는데, 이를 위해서는 터빈 사이의 간섭으로 인한 성능 저하가 발생하지 않도록 터빈은 일정 거리를 두고 배치되어야 한다. 수평축 터빈의 경우 EMEC(European Marine Energy Centre)에서 배치거리를 제안하고 있으나, 수직축 터빈은 그러한 규정이 제안된 바 없다. 여러 연구 결과들에 따르면 수직축 터빈이 인접할 경우 성능의 향상까지 도모될 수 있으므로, 그 배치는 수평축 터빈보다 더욱 중요하게 검토될 필요가 있다. 본 논문에서는 수직축 터빈에 대하여 수평축 터빈과 같이 일정 거리를 두고 배치하는 것과 터빈을 인접하도록 배치하는 것과의 차이를 조사하였다. 이를 위해 두 터빈간의 거리와 회전방향을 파라메터로 하여 그에 따른 성능 차이를 수치해석적으로 연구하였고, 그 이유를 파악하고자 하였다. 본 연구를 통하여 가장 적절한 수치해석 영역과 조건을 설정할 수 있었으며, 인접한 두 터빈이 각각 반시계-시계방향으로 회전하는 것이 단독 터빈 2기 대비 약 9.2%의 성능향상이 예측되었다. 터빈이 대각으로 배치된 경우는 최대 약 5.6%정도 성능이 향상됨을 확인하였다. 본 연구는 수직축 터빈을 이용한 조류발전단지를 설계시 유용한 정보가 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tidal farm is a multi-arrayed turbine system for utilizing tidal stream energy. For horizontal-axis turbine(HAT) system, it is recommended that each unit has to be deployed far apart in order to avoid hydrodynamic interference among turbines, as proposed by the European Marine Energy Centre(EMEC). B...

Tidal farm is a multi-arrayed turbine system for utilizing tidal stream energy. For horizontal-axis turbine(HAT) system, it is recommended that each unit has to be deployed far apart in order to avoid hydrodynamic interference among turbines, as proposed by the European Marine Energy Centre(EMEC). But there is no rule for the arrangement of vertical-axis turbine(VAT) yet. Moreover it has been reported that a proper arrangement of adjacent turbines can enhance the overall efficiency even greater than an arrangement without mutual interference effect. This paper suggests the layout of VATs showing the better performances, which turned out to be quite different from HATs' arrangement. Numerical calculations were performed to investigate the performance variation in terms of the rotational direction as well as the distance between turbines. It has been shown that the best combination of rotational direction and distance between turbines can increase its performance higher about 9.2% than that of two independently operated turbines. It is likely that such improvement is due to the increased velocity between adjacent turbines. For diagonally arranged turbines, the maximum normalized mean power coefficient was obtained to be higher about 5.6% than that of two independent turbines. It is expected that the present results can be utilized for conceptual design of tidal farm to harness the tidal stream energy.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 현재 제안되어 있지 않은 수직축 터빈의 적절한 배치방법을 찾기 위한 연구의 일부로서 수치해석을 이용하여 두 개의 터빈이 인접하게 되는 경우에 대해 터빈 회전방향 및 거리를 주요 변수로 하여 파라메트릭 스터디를 통한 성능변화을 알아보고 그 원인에 대해 조사하고자 하였다.

제안 방법

1) 인접한 두 터빈의 회전방향에 따른 영향을 조사하기 위해 각 터빈의 회전을 반시계-시계방향, 반시계-반시계방향, 시계-반시계 방향으로 나누어 수치해석을 수행하였다. 세 경우 중 반시계-시계 방향으로 회전하는 터빈이 가장 효율이 좋은 것을 확인하였고, 단독 터빈 2기 대비 약 9% 정도 성능이 향상됨을 확인하였다.
2) 두 터빈간의 거리에 따른 영향을 알아보기 위해 반시계-시계 방향으로 회전하는 경우에 대해 터빈 축간 거리를 직경의 2~15배 까지 변화시켜 성능변화를 조사하였다. 그 결과 터빈 축간 거리가 직경의 12배 이상 멀어질 경우 인접한 터빈의 영향이 없음을 확인하였으며, 이 때 터빈과 터빈 사이에 흐르는 유속이 증가하는 성분이 없어지는 것을 확인하였다.
3) 두 터빈간의 거리가 폭방향으로 나란히 배치되지 않고 일정거리를 두고 배치되는 경우에 대한 영향을 알아보기 위하여 반시계-시계방향으로 회전하는 터빈에 대해 세 가지로 나누어 성능 변화를 조사하였다. 첫 번째는 전방 터빈을 기준으로 후방 터빈이 종방 향으로 터빈 직경의 2배, 폭방향으로 1배 떨어진 경우, 두 번째는 종방향으로 2배, 폭방향으로 2배인 경우, 세 번째는 종방향으로 1배, 폭방향으로 2배인 경우이다.

데이터처리

또한, 수직축 터빈 시스템은 터빈 날개, 중축(Center shaft), 이들을 연결하여 지지하는 구조물인 스트럿(Strut)으로 구성되어 있는데, 통상 성능해석시 격자의 간편함을 위해 축과 스트럿을 제외하고 해석하므로, 이는 실험 결과와의 차이에 대한 또 다른 원인으로 볼 수 있다. 그러므로 비교적 단순한 2차원 계산에 대한 정성적인 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 Rawlings[2005]의 실험 및 수치계산 조건(Table 2)을 바탕으로 하여 일련의 검증과정을 수행하였다.
수직축 터빈의 성능을 검증하기 위해 수치계산을 수행하였다. 수직축 터빈은 형상이 단순하여 2차원 수치계산으로도 수 시간 내에 그 성능을 조사할 수 있으나, 터빈 날개(Blade)의 3차원 효과로 인해 실험 결과와 비교할 때 비교적 잘 일치하지 않고, 3차원 수치해석은 2차원에 비해 계산시간이 상당히 소요되는 단점이 있다(Hyun and Lee[2013]).

성능/효과

2) 두 터빈간의 거리에 따른 영향을 알아보기 위해 반시계-시계 방향으로 회전하는 경우에 대해 터빈 축간 거리를 직경의 2~15배 까지 변화시켜 성능변화를 조사하였다. 그 결과 터빈 축간 거리가 직경의 12배 이상 멀어질 경우 인접한 터빈의 영향이 없음을 확인하였으며, 이 때 터빈과 터빈 사이에 흐르는 유속이 증가하는 성분이 없어지는 것을 확인하였다. 또한, 터빈간 거리와 터빈 회전방향에 따른 영향을 알아보기 위해 터빈 축간 거리를 직경의 2~6배까지 증가시키면서 세 가지 회전방향에 따른 성능변화를 조사하였다.
또한, 터빈간 거리와 터빈 회전방향에 따른 영향을 알아보기 위해 터빈 축간 거리를 직경의 2~6배까지 증가시키면서 세 가지 회전방향에 따른 성능변화를 조사하였다. 세 가지 회전방향에 대해서 터빈간 거리가 증가함에 따라 성능이 점차 감소함을 확인하였고, 거리가 멀어지더라도 반시계-시계방향으로 회전하는 경우 가장 효율이 좋은 것을 확인하였다.
첫 번째는 전방 터빈을 기준으로 후방 터빈이 종방 향으로 터빈 직경의 2배, 폭방향으로 1배 떨어진 경우, 두 번째는 종방향으로 2배, 폭방향으로 2배인 경우, 세 번째는 종방향으로 1배, 폭방향으로 2배인 경우이다. 첫 번째의 경우 전방 터빈으로부터 형성된 후류가 후방 터빈으로 인해 제대로 빠져나가지 못함에 따라 성능이 감소하게 됨을 확인하였고, 세 번째인 경우 전방 터빈이 후방 터빈에 의한 영향이 없어짐에 따라 단독 터빈 2기 대비 약 5.6%의 성능이 향상됨을 확인하였다.

후속연구

본 연구결과를 통해 수평축 터빈을 이용한 단지배치는 터빈간 간섭으로 인한 성능 저하를 피하기 위해 일정거리를 두어야 하는 반면 수직축 터빈은 터빈이 인접할 때 성능이 향상되는 면이 있으므로, 이를 고려한 배치가 반드시 필요할 것이다. 향후 3기 이상 터빈이 인접한 경우에 대한 추가연구가 진행된다면, 수직축 조류발전단지 설계에 보다 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구결과를 통해 수평축 터빈을 이용한 단지배치는 터빈간 간섭으로 인한 성능 저하를 피하기 위해 일정거리를 두어야 하는 반면 수직축 터빈은 터빈이 인접할 때 성능이 향상되는 면이 있으므로, 이를 고려한 배치가 반드시 필요할 것이다. 향후 3기 이상 터빈이 인접한 경우에 대한 추가연구가 진행된다면, 수직축 조류발전단지 설계에 보다 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조류발전단지란?	조류발전단지는 유망한 해역에 터빈을 복수로 다배열하여 발전하는 시스템을 말한다. 이러한 단지는 각 터빈이 최대 효율로 작동하고, 최대 발전량을 얻을 수 있도록 설계되어야 하는데, 이를 위해서는 터빈 사이의 간섭으로 인한 성능 저하가 발생하지 않도록 터빈은 일정 거리를 두고 배치되어야 한다.
	수직축 터빈의 경우 수평축 터빈 배치방법과 근본 개념을 달리해야하는 이유는?	이러한 배치기준들은 수평축 터빈에 대한 언급들이며, 수직축 터빈과 관련된 기준은 특별히 제시된 바 없다. 수직축 터빈의 경우 그 작동원리상 수평축 보다 더 큰 상호간섭이 예상되는바, 터빈이 인접하는 경우 터빈간 상호작용으로 인한 성능변화가 유리해 질 수도, 불리해질 수도 있기 때문에 단독 터빈의 성능에 영향을 주지 않도록 배치하는 수평축 터빈 배치방법과는 근본 개념을 달리해야 한다. 이러한 예로 Daribi[2011]는 직경 1.
	조류발전단지의 각 터빈이 최대 효율로 작동하고, 최대 발전량을 얻을 수 있도록 설계하려면 어떻게 해야하는가?	조류발전단지는 유망한 해역에 터빈을 복수로 다배열하여 발전하는 시스템을 말한다. 이러한 단지는 각 터빈이 최대 효율로 작동하고, 최대 발전량을 얻을 수 있도록 설계되어야 하는데, 이를 위해서는 터빈 사이의 간섭으로 인한 성능 저하가 발생하지 않도록 터빈은 일정 거리를 두고 배치되어야 한다. 수평축 터빈의 경우 EMEC(European Marine Energy Centre)에서 배치거리를 제안하고 있으나, 수직축 터빈은 그러한 규정이 제안된 바 없다.

참고문헌 (9)

Dabiri, O.J., 2011, "Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays", J. Renew. Sustain. Energ., Vol. 3, 043104.

상세보기
EMEC, 2009, "Assessment of Tidal Energy Resource - Marine renewable energy guides", the European Marine Energy Centre (EMEC).
Hyun, B. S. et al., 2012, "Tidal Stream Energy Research", Final report, Tidal Stream Energy Research Center.
Hyun, B. S. and Lee, J. K., 2013, "Hydrodynamic aspects on three-dimensional effects of vertical-axis tidal stream turbine", J. Korean Soc. Mar. Environ. Energy, Vol. 16, No. 2, 61-70.

원문보기 상세보기
IEC, 2005, "Wind turbines - Part 1: Design requirements (IEC-61400-1)", Committee Draft, International Electrotechnical Commission (IEC).
Kinzel, M. et al., 2012, "Energy exchanging in an array of vertical-axis wind turbines", J. Turbulence, Vol. 13, No. 38, 1-13.

상세보기
Li, Y. and Calisal, M.S., 2010, "Modeling of twin-turbine systems with vertical axis tidal current turbines: Part I-Power output", J. Ocean Eng., Vol. 37, 627-637.

상세보기
Marsh, P. et al., 2015, "Three-dimensional numerical simulation of straight-bladed vertical axis tidal turbines investigating power output, torque ripple and mounting force", J. Renew. Energ., Vol. 83, 67-77.

상세보기
Rawlings, W.G., 2005, "Parametric characterization of an experimental vertical-axis hydro turbine", Thesis for master degree, University of British Columbia.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

인접한 조류발전용 수직축 터빈의 배치방식에 따른 성능 변화
Study on Performance Variation According to the Arrangements of Adjacent Vertical-Axis Turbines for Tidal Current Energy Conversion 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

인접한 조류발전용 수직축 터빈의 배치방식에 따른 성능 변화 Study on Performance Variation According to the Arrangements of Adjacent Vertical-Axis Turbines for Tidal Current Energy Conversion 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이정기 (3) 현범수 (59)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

인접한 조류발전용 수직축 터빈의 배치방식에 따른 성능 변화
Study on Performance Variation According to the Arrangements of Adjacent Vertical-Axis Turbines for Tidal Current Energy Conversion 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper