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문제 정의
- 해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 해석해는 상용코드인 WAMIT의 수치계산 결과와 비교 하였다. 다수 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 나타내는 q-factor를 이용하여 현재의 배치안에 대한 종합적인 평가를 내렸고 이를 기반으로 최적의 배치안을 검토하고자 한다.
가설 설정
- 2와 같이 복합발전 플랫폼 안에 다수 배열되어 있고, 입사파가 입사각 β를 가지고 진행할 때 파력발전기간의 상호 간섭효과를 고려하여 각 파력발전기의 수직운동 변위와 추출파워를 구하였다. 이때 파력발전기의 수직운동을 제외한 다른 운동 모드는 구속되었다고 가정하였고 Fig. 1b의 파력발전기를 감싼 원통 가이드 실린더의 영향은 무시하였다.
제안 방법
- 24기 파력발전기의 현 배치안에 대한 성능을 평가하기 위하여 각 파력발전기에서 추출된 파워의 총합을 같은 수의 단일 파력발전기가 갖는 총 파워로 나눈 q-factor를 사용하였다. 설치 예정 해역의 파랑스펙트럼의 피크 주파수 주변에서는 q-factor가 1에 가까운 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
- 다수 파력발전기 배열에 대한 상호작용 해석에 앞서 단일 파력발전기(반경 α = 2 m, 흘수 d = 5 m)에 대한 해석해와 상용코드인 WAMIT을 이용한 수치계산 결과를 비교하였다.
- 따라서 간섭효과를 줄임과 동시에 구조적 안전성을 높이기 위하여 풍력 터빈을 반 잠수식 플랫폼(150 m×150 m)의 네 기둥 위에 하나씩 배치하였다.
- 파력발전기를 통하여 추출된 파워는 파랑에너지가 많이 분포된 피크 주파수와 공진주파수에서 높은 값을 보일 것으로 예측된다. 따라서 현 배치안에 대한 종합적인 평가를 내리기 위하여 두 대표 주파수에서의 q-factor의 값을 기준으로 삼았다. 먼저 피크 주파수에서는 q-factor가 입사각도에 따라 1과 같거나 1보다 약간 작은 값을 보였다.
- 본 논문에서는 풍력-파력 복합발전 플랫폼 내의 24기 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 고려하여 회절과 방사문제를 풀어 각 파력발전기의 수직운동 변위와 추출파워를 구하였다. 해석 결과는 WAMIT를 사용한 수치계산 결과와 비교하였고 두 결과가 서로 잘 일치함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 입사파와 다수 파력발전기 간의 상호작용을 고려한 회절과 방사문제를 풀어 각 파력발전기의 파기진력과 수직운동 변위 그리고 추출파워를 구하였다. 해석방법으로 Kagemoto and Yue[1986]가 제안한 상호작용 이론에 기반을 둔 Child and Venugopal[2010]와 Cho[2016]의 해석방법을 사용하였다.
- 수심이 h로 일정한 수면 위에 반경이 a이고, 흘수가 d인 동일한 형태의 파력발전기가 Fig. 2와 같이 복합발전 플랫폼 안에 다수 배열되어 있고, 입사파가 입사각 β를 가지고 진행할 때 파력발전기간의 상호 간섭효과를 고려하여 각 파력발전기의 수직운동 변위와 추출파워를 구하였다.
- 다수 파력발전기의 상호작용 해석에 대한 수치계산 연구로 Taghipour and Moan[2008]은 21기의 파력발전기를 탑재한 플랫폼과 각 파력발전기의 운동을 연성하여 해석하였다. 이때 21기 파력발전기와 플랫폼 하부 구조물 간의 상호간섭 효과를 고려하여 상대 수직운동 변위를 구하고 이로부터 추출파워를 계산하였다. Lee et al.
- 지금까지 다수의 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 고려하여 수직운동과 추출파워를 구하였다. 그러나 플랫폼의 하부구조물과 계류시스템의 영향은 고려하지 않았다.
대상 데이터
- 2에 도시된 24기의 파력발전기 배치안에 대하여 상호 간섭효과를 고려하여 구한 수직방향 파기진력을 보여주고 있다. 24기 파력발전기중에서 입사파의 전면에 놓인 1번과 후면에 놓인 12번 파력발전기를 대푯값으로 선정하여 그렸다. 실선은 해석해의 결과이며, 점선은 WAMIT을 이용한 수치계산 결과이다.
- 따라서 파력발전기의 현 배치안에 대한 엄밀한 평가를 내리기 위해서는 다수 부체 간의 상호작용에 의한 간섭효과를 고려하여 24기의 파력발전기의 수직운동 변위와 이로부터 발생하는 추출파워를 정확히 예측해야 한다. 현 설계 단계에서 제안된 배치안은 Fig. 2와 같이 플랫폼 각 모서리에 6기씩 총 24기가 배치된 형태이다.
데이터처리
- 해석방법으로 Kagemoto and Yue[1986]가 제안한 상호작용 이론에 기반을 둔 Child and Venugopal[2010]와 Cho[2016]의 해석방법을 사용하였다. 해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 해석해는 상용코드인 WAMIT의 수치계산 결과와 비교 하였다. 다수 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 나타내는 q-factor를 이용하여 현재의 배치안에 대한 종합적인 평가를 내렸고 이를 기반으로 최적의 배치안을 검토하고자 한다.
이론/모형
- 산란포텐셜을 구하는 해석방법으로 고유함수전개법을 적용하였다. 고유함수전개법을 적용하기 위하여 유체영역을 Fig.
- 본 연구에서는 입사파와 다수 파력발전기 간의 상호작용을 고려한 회절과 방사문제를 풀어 각 파력발전기의 파기진력과 수직운동 변위 그리고 추출파워를 구하였다. 해석방법으로 Kagemoto and Yue[1986]가 제안한 상호작용 이론에 기반을 둔 Child and Venugopal[2010]와 Cho[2016]의 해석방법을 사용하였다. 해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 해석해는 상용코드인 WAMIT의 수치계산 결과와 비교 하였다.
성능/효과
- 해석 결과는 WAMIT를 사용한 수치계산 결과와 비교하였고 두 결과가 서로 잘 일치함을 확인하였다. 24기 파력발전기 간의 상호 간섭효과로 파력발전기가 플랫폼 내에 놓여진 위치에 따라 수직운동과 추출파워가 달라짐을 확인하였다. 대체적으로 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기에서 수직운동 변위가 크기뿐만 아니라 상호 간섭효과를 나타내는 파장에 따른 변동성도 더 크게 나타났다.
- 대체적으로 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기에서 수직운동 변위가 크기뿐만 아니라 상호 간섭효과를 나타내는 파장에 따른 변동성도 더 크게 나타났다. 그 결과 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기의 추출파워는 단일 파력발전기보다 큰 값을 보였다. 파력발전기가 입사파의 후면부에 위치할 때의 추출파워는 전면부에 위치할 때와 비교하여 감소하는 경향을 보였다.
- 24기 파력발전기 간의 상호 간섭효과로 파력발전기가 플랫폼 내에 놓여진 위치에 따라 수직운동과 추출파워가 달라짐을 확인하였다. 대체적으로 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기에서 수직운동 변위가 크기뿐만 아니라 상호 간섭효과를 나타내는 파장에 따른 변동성도 더 크게 나타났다. 그 결과 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기의 추출파워는 단일 파력발전기보다 큰 값을 보였다.
- 추출파워는 수직운동 RAO의 제곱에 비례하기 때문에 입사파의 파장에 따른 수직운동 RAO가 상대적으로 크고 변동성이 컸던 1번 파력발전기는 다른 위치에 있는 파력발전기들에 비하여 추출파워의 크기와 변동 폭이 큰 것을 알 수 있다. 또한 비교적 입사파의 전면부에 위치한 1번과 5번 파력발전기를 통하여 추출되는 파워는 단일 파력발전기의 추출파워보다 더 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.이는 1번과 5번 파력발전기에는 순수한 입사파 이외에도 주변에 위치한 다른 파력발전기로부터 산란된 파와 방사된 파가 또 다른 입사파로 작용하여 수직운동을 증가시키고 그 결과 추출파워를 증가시켰기 때문이다.
- 또한 상대적으로 입사파의 전면부에 위치한 1번과 5번 파력발전기에 비해 입사파의 후면부에 위치한 8번과 12번 파력발전기의 수직운동 RAO 값이 줄어든 것도 알 수 있으며, 입사각도 β = 22.5o 일 때는 8번 파력발전기의 수직운동 RAO의 값이 공진주파수에서 단일 파력발전기의 수직운동 RAO에 비해 줄어드는 경향을 보였다.
- 먼저 피크 주파수에서는 q-factor가 입사각도에 따라 1과 같거나 1보다 약간 작은 값을 보였다. 또한 파력발전기의 수직 운동 공진주파수에서는 q-factor가 입사각도가 0o 일 때와 22.5o일 때 모두 1보다 작지만 0.9 이상의 값을 보였다. 이로부터 현 배치 안은 상호 간섭효과로 인해 파랑에너지 추출효율을 다소 떨어트릴 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 5o 일 때, 24기의 파력발전기중에서 대푯값으로 잡은 1번, 5번, 8번, 12번 파력발전기의 수직운동 RAO와 단일 파력발전기의 수직운동 RAO를 비교하여 보여주고 있다. 모든 입사각도에 대해서 24기의 파력발전기의 수직 운동 RAO는 단일 파력발전기의 수직운동 RAO에 비해 파장에 따른 변동성이 크게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, 입사각도 β = 0o 일 때는 입사파가 가장 먼저 도달하는 1번 파력발전기의 수직운동 RAO가 파장에 따른 변동성이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 복합발전 플랫폼의 설치 예정 해역인 차귀도에서 3년간 측정된 파랑자료를 토대로 얻은 파랑스펙트럼에서 에너지가 가장 많이 밀집한 피크 주파수(ωp)는 0.94rad/s이며, 입사파와 공진으로 파력발전기의 수직운동이 크게 증폭될 것으로 예측되는 수직운동 공진주파수(ωN)는 1.18 rad/s이다.
- 24기 파력발전기의 현 배치안에 대한 성능을 평가하기 위하여 각 파력발전기에서 추출된 파워의 총합을 같은 수의 단일 파력발전기가 갖는 총 파워로 나눈 q-factor를 사용하였다. 설치 예정 해역의 파랑스펙트럼의 피크 주파수 주변에서는 q-factor가 1에 가까운 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 한편 파력발전기의 공진주파수인 1.
- 그러나 입사각도에 따른 파기 진력의 차이는 크게 나타나지 않았다. 앞선 그림에서 살펴본 단일 파력발전기의 결과와 동일하게 해석해는 수치계산 결과를 잘 따라가고 있음을 확인하였다.
- 입사파가 장파인 k1a 값이 작은 영역에서는 입사각도의 차이는 파기진력의 총합에 큰 영향을 주지 않으나 k1a가 0.15보다 큰 영역에서는 β = 0o 인 경우가 β = 22.5o 인 경우에 비하여 파기진력의 총합의 크기가 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 특히, 5번 파력발전기의 경우, 입사각도 β = 0o 일 때에 비하여 β = 22.5o 일 때 파장에 따른 수직운동의 변동성이 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 특히, 입사각도 β = 0o 일 때는 입사파가 가장 먼저 도달하는 1번 파력발전기의 수직운동 RAO가 파장에 따른 변동성이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 그 결과 입사파의 전면부에 위치한 파력발전기의 추출파워는 단일 파력발전기보다 큰 값을 보였다. 파력발전기가 입사파의 후면부에 위치할 때의 추출파워는 전면부에 위치할 때와 비교하여 감소하는 경향을 보였다.
- 파력발전기의 감쇠력을 고려하지 않고 계산한 수직운동 공진주파수는 1.26 rad/s이지만, 점성감쇠력과 PTO 감쇠력을 고려한 파력발전기의 수직운동 공진주파수는 저주파수 영역으로 이동하여 k1α = 0.28에 해당하는 1.18 rad/s로 나타났다.
- 본 논문에서는 풍력-파력 복합발전 플랫폼 내의 24기 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 고려하여 회절과 방사문제를 풀어 각 파력발전기의 수직운동 변위와 추출파워를 구하였다. 해석 결과는 WAMIT를 사용한 수치계산 결과와 비교하였고 두 결과가 서로 잘 일치함을 확인하였다. 24기 파력발전기 간의 상호 간섭효과로 파력발전기가 플랫폼 내에 놓여진 위치에 따라 수직운동과 추출파워가 달라짐을 확인하였다.
- 8은 24기 파력발전기에 작용하는 파기진력을 모두 합한 결과를 보여준다. 해석 결과와 WAMIT 계산결과는 잘 일치함을 보여준다. 입사파가 장파인 k1a 값이 작은 영역에서는 입사각도의 차이는 파기진력의 총합에 큰 영향을 주지 않으나 k1a가 0.
후속연구
- 5o 일 때 모두 1보다 작은 결과를 보였다. 이러한 결과는 파력발전기 간의 상호 간섭효과의 영향만을 고려하여 계산된 것이므로 플랫폼 하부구조물을 계산에 포함시킬 경우 q-factor에 어떠한 변화가 나타날지에 대한 추가 연구도 필요하다.
- 그러나 플랫폼의 하부구조물과 계류시스템의 영향은 고려하지 않았다. 향후 계류된 플랫폼의 하부구조물과 다수 파력발전기 간의 상호 간섭효과를 고려한 추출파워의 예측과 함께 전체 추출파워를 높일 수 있는 최적의 파력발전기의 배치안에 대한 검토가 요구된다.
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