진동수주형 파력발전시스템을 탑재한 공기주입식 부유식방파제의 동적거동해석 Dynamic Response Analysis of Pneumatic Floating Breakwater Mounted Wave-power Generation System of Oscillating Water Column원문보기
단독의 파력발전변환장치를 설치하는 경우 경제성이 떨어지는 문제점이 있으므로 기존 혹은 신설의 방파제에 적용하여 파랑제어와 파랑에너지의 이용을 동시에 도모하는 방식이 많이 추진되어 왔다. 본 연구는 전편의 연구(Lee et al., 2014)에서와 같이 부유식방파제로 연구 개발된 공기주입식 부유식방파제에 진동수주형 파력발전시스템을 탑재한 경우를 대상으로 부유식방파제로의 기능과 파력발전장치로의 기능을 병행하여 검토하였다. 여기서, 전편의 연구(Lee et al., 2014)에서는 공기실내에서 공기의 동적거동에 단열변화에 따른 압축성을 고려한 반면에 본 연구에서는 비압축성의 경우에 구조물의 고정시 혹은 부유시에 각각에 대한 파랑변형율, 공기흐름속도 및 구조물의 운동을 검토하였으며, 공기의 동적거동에 대한 압축성의 고려여부에 따른 결과의 차이를 논의하였다. 수치해석법으로는 선형속도포텐셜이론에 기초한 경계요소법을 적용한다. 얻어진 모든 해석결과에 따르면 공기압축성을 고려한 전편의 연구와 거의 동일한 결과를 나타내었으며, 따라서 공기실내에서의 공기거동해석에 압축성을 고려하지 않는 본 해석이 보다 효율적이고, 유용한 것으로 판단된다.
단독의 파력발전변환장치를 설치하는 경우 경제성이 떨어지는 문제점이 있으므로 기존 혹은 신설의 방파제에 적용하여 파랑제어와 파랑에너지의 이용을 동시에 도모하는 방식이 많이 추진되어 왔다. 본 연구는 전편의 연구(Lee et al., 2014)에서와 같이 부유식방파제로 연구 개발된 공기주입식 부유식방파제에 진동수주형 파력발전시스템을 탑재한 경우를 대상으로 부유식방파제로의 기능과 파력발전장치로의 기능을 병행하여 검토하였다. 여기서, 전편의 연구(Lee et al., 2014)에서는 공기실내에서 공기의 동적거동에 단열변화에 따른 압축성을 고려한 반면에 본 연구에서는 비압축성의 경우에 구조물의 고정시 혹은 부유시에 각각에 대한 파랑변형율, 공기흐름속도 및 구조물의 운동을 검토하였으며, 공기의 동적거동에 대한 압축성의 고려여부에 따른 결과의 차이를 논의하였다. 수치해석법으로는 선형속도포텐셜이론에 기초한 경계요소법을 적용한다. 얻어진 모든 해석결과에 따르면 공기압축성을 고려한 전편의 연구와 거의 동일한 결과를 나타내었으며, 따라서 공기실내에서의 공기거동해석에 압축성을 고려하지 않는 본 해석이 보다 효율적이고, 유용한 것으로 판단된다.
Ocean wave energy harvesting is still too expensive despite developing a variety of wave energy converter (WEC) devices. For the cost-effective wave energy harvesting, it can be an effective measure to use existing breakwaters or newly installed breakwaters for both wave control and energy harvestin...
Ocean wave energy harvesting is still too expensive despite developing a variety of wave energy converter (WEC) devices. For the cost-effective wave energy harvesting, it can be an effective measure to use existing breakwaters or newly installed breakwaters for both wave control and energy harvesting purposes. In this study, we investigated the functionality of both breakwater and wave-power generator for the oscillating water column (OWC)-type wave energy converter (WEC) installed in a pneumatic floating breakwater, which was originally developed as a floating breakwater. In order to verify the performance of the breakwater as a WEC, the air flow velocity from air-chamber to WEC has to be evaluated properly. Therefore, air flow velocity, wave transformation and motion of floating structure was numerically implemented based on BEM from linear velocity potential theory without considering the compressibility of air within the chamber. Air pressure, meanwhile, was assumed to be fluctuated by the motions of structure and the water level change within air-chamber. The validity of the obtained values can be determined by comparing the previous results from the numerical analysis for different shapes. Based on numerical model results, wave transformation characteristics around OWC system mounted on the fixed and floating breakwaters, and motions of the structure with air flow velocities are investigated. In summary, all numerical results are almost identical to the previous research considering air compressibility. Therefore, it can be concluded that this analysis not considering air compressibility in the air chamber is more efficient and practical method.
Ocean wave energy harvesting is still too expensive despite developing a variety of wave energy converter (WEC) devices. For the cost-effective wave energy harvesting, it can be an effective measure to use existing breakwaters or newly installed breakwaters for both wave control and energy harvesting purposes. In this study, we investigated the functionality of both breakwater and wave-power generator for the oscillating water column (OWC)-type wave energy converter (WEC) installed in a pneumatic floating breakwater, which was originally developed as a floating breakwater. In order to verify the performance of the breakwater as a WEC, the air flow velocity from air-chamber to WEC has to be evaluated properly. Therefore, air flow velocity, wave transformation and motion of floating structure was numerically implemented based on BEM from linear velocity potential theory without considering the compressibility of air within the chamber. Air pressure, meanwhile, was assumed to be fluctuated by the motions of structure and the water level change within air-chamber. The validity of the obtained values can be determined by comparing the previous results from the numerical analysis for different shapes. Based on numerical model results, wave transformation characteristics around OWC system mounted on the fixed and floating breakwaters, and motions of the structure with air flow velocities are investigated. In summary, all numerical results are almost identical to the previous research considering air compressibility. Therefore, it can be concluded that this analysis not considering air compressibility in the air chamber is more efficient and practical method.
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문제 정의
다음으로, 구조물의 운동을 검토한다. 무차원수평운동은kh ≈ 0.
본 연구에서는 부유식방파제로 연구 · 개발된 공기주입식부유식방파제에 진동수주형 파력발전시스템을 탑재한 경우 방파제로의 기능과 파력발전장치로의 기능을 선형속도포텐셜이론에 기초한 경계요소법에 의한 수치해석으로부터 검토하였으며, 동시에 공기실내에서 공기거동에 대해 압축성을 고려한 전편의 연구(Lee et al., 2014)와는 달리 압축성을 고려하지 않은 경우를 대상으로 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 진동수주형 파력발전시스템을 탑재한 부유 식방파제에 대해 방파제로서의 파랑제어기능과 발전시스템로서의 공기흐름속도를 해석하기 위하여 공기실내의 공기압축성을 고려한 전편의 연구(Lee et al., 2014)와 달리 공기의 비압축성을 고려한다. 실제 수치해석에서는 고정식을 포함하여 진동수주형 파력발전시스템을 구비한 연직긴장계류의 부유식 방파제를 대상으로 파랑변형율과 공기흐름속도, 그리고 구조물의 운동 등의 특성을 규명하며, 공기거동에 대한 압축성의 고려여부에 대한 두 결과의 차이를 논의한다.
특히, 공기실내에서 공기의 동적거동에 단열변화의 압축공기모델을 적용한 전편의 연구(Lee et al., 2014) 결과와 의 비교 · 검토를 통해 본 연구에서 적용한 비압축성공기모델의 유용성과 적용성을 동시에 논의한다.
가설 설정
계류식에서는 공기주입식 부유식방파제의 상단에 파력발전 시스템을 탑재하는 경우에 그에 상당하는 중량과 관성모멘트를 고려하여야 하지만 현 단계에서는 정확한 값을 추정하기 어려우므로 본 계산에서 ρ'/ρ = 0.9(ρ'는 파력발전시스템을 탑재한 경우 구조물의 밀도로, 전단면에 걸쳐 균등하며, 구조물의 단면형상은 Fig. 2의 경우와 동일한 것으로 간주된다)를 가정하여 수치계산을 수행한다.
제안 방법
, 2014)와 달리 공기의 비압축성을 고려한다. 실제 수치해석에서는 고정식을 포함하여 진동수주형 파력발전시스템을 구비한 연직긴장계류의 부유식 방파제를 대상으로 파랑변형율과 공기흐름속도, 그리고 구조물의 운동 등의 특성을 규명하며, 공기거동에 대한 압축성의 고려여부에 대한 두 결과의 차이를 논의한다. 수치해석법으로는 전편의 연구(Lee et al.
, 2011c)에 의한 수치해석결과와의 비교 · 검토로부터 검증되었다. 실제의 수치해석에서는 여러 파라미터(흘수심, 공기실폭 및 계류삭에서 저항계수 등)의 변화에 대해 고정시 및 계류시 부유식방파제에서 파랑변형율, 구조물의 운동 및 공기흐름속도 등의 변동특성을 논의하였다. 이로부터 얻어진 모든 해석결과는 공기압축성을 고려한 전편의 연구(Lee et al.
이하에서 나타내는 결과는 Fig. 2에 제시한 OWC형 WEC시스템을 탑재한 부유식방파제에서 고정시 반사율 |KR|, 전달율 |KT| 및 상부 WEC로 유출 · 입되는 무차원공기흐름속도2|ua|/Hσ와 실공기흐름속도 |ua|, 그리고 계류시 반사율 |KR|, 전달율 |KT|, 상부 WEC로 유출 · 입되는 무차원공기흐름속도2|ua|/Hσ, 실공기흐름속도 |ua|, 무차원수평운동 2|α|/H, 무차원 연직운동 2|β|/H 및 무차원회전운동 4l2|ω|/H의 변동특성을 검토한다.
이론/모형
실제 수치해석에서는 고정식을 포함하여 진동수주형 파력발전시스템을 구비한 연직긴장계류의 부유식 방파제를 대상으로 파랑변형율과 공기흐름속도, 그리고 구조물의 운동 등의 특성을 규명하며, 공기거동에 대한 압축성의 고려여부에 대한 두 결과의 차이를 논의한다. 수치해석법으로는 전편의 연구(Lee et al., 2014)에서와 같이 선형속도포텐셜이론에 기초한 경계요소법을 적용한다.
, 2014)에서 (1) 폰툰형 고정방파제, (2) 자유부체구조물, (3) 폰툰형 부유식방파제, (4) 압축공기 주입식 고정방파제 등에 있어서 다른 연구자에 의한 추정된 전달율과 반사율를 비교 · 검토하여 본 수치해석결과의 타당성을 충분히 검증하였다. 여기서는 공기흐름속도에 대해 Navier-Stokes solver 및 VOF법에 기초한 혼상류해석법 TWOPM-3D(Lee et al., 2011c)으로부터 추정된 수치해석결과와 본 연구의 수치해석결과를 다음의 Fig. 3에 제시한다. 이는 Fig.
성능/효과
결과에서 공기실폭이 넓을수록 반사율에서 극소치가 장주기측으로 이동되고, 파랑변형율이 급변하는 kh > 2.0에서는 공기실폭이 넓을수록 파랑변형율의 변화과정이 약간 완만해지는 경향을 나타낸다.
9 g/cm3에 대해 계류삭의 무차원저항계수를Kββ/ρgl2 = 1, 2, 3으로 변화시킨 경우 kh의 변화에 따라 파랑변형율 |KR|과 |KT|, 무차원공기흐름속도 2|ua|/Hσ, 실공기흐름속도 |ua|, 무차원수평운동 2|α|/H, 무차원연직운동 2|β|/H 및4l2|ω|/H 를 나타내고 있다. 그림의 결과로부터 계류삭에서 저항계수의 변화는 파랑변형율과 수평운동 및 회전운동에 미치는 영향은 거의 없지만 연직운동과 공기흐름속도에는 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. 먼저, 무차원공기흐름속도에서 그의 최대치는 Kββ/ρgl2 = 1.
다음으로, 무차원공기흐름속도를 살펴보면 그의 최대치는l1/l2 = 0.5의 경우 kh = 2.46에서 2|ua|max/Hσ = 36.71; l1/l2 = 0.7의 경우 kh = 2.36에서 2|ua|max/Hσ = 41.17; l1/l2 = 0.9의 경우 kh = 2.32에서 2|ua|max/Hσ = 42.94의 값을 나타내므로 공기실폭이 넓을수록 kh > 2.0의 단주기측에서 발생하는 최대치의 값이 커지고, 그의 kh 값이 작아지므로 장주기측으로 이동된다는 것을 알 수 있다.
, 2014). 두 결과를 비교하면 파랑변형율, 공기흐름속도 및 구조물의 각 운동에서 차이를 알 수 없을 정도로 거의 동일한 결과를 나타낸다는 사실을 확인할 수 있다. 대표적으로 Fig.
먼저, 무차원공기흐름속도에서 그의 최대치는 Kββ/ρgl2 = 1.0의 경우 kh = 2.34에서 2|ua|max/Hσ = 41.17; Kββ/ρgl2 = 2.0의 경우 kh = 2.34에서 2|ua|max/Hσ =43.22; Kββ/ρgl2 = 3.0의 경우 kh = 2.34에서 2|ua|max/Hσ = 43.94로 주어지므로 계류삭에서 저항계수의 변화에 따른 최대치의 발생위치 의 변동은 없다는 것을 알 수 있다.
3에서는 급변하는 것을 알 수 있다. 여기서, 흘수심이 증가할수록 kh에 따른 파랑변형율의 변화추이가 장주기측으로 이동되는 양상으로부터 흘수심이 깊을수록 보다 장주기파랑의 제어효과가 우수하다는 것을 알 수 있다.
실제의 수치해석에서는 여러 파라미터(흘수심, 공기실폭 및 계류삭에서 저항계수 등)의 변화에 대해 고정시 및 계류시 부유식방파제에서 파랑변형율, 구조물의 운동 및 공기흐름속도 등의 변동특성을 논의하였다. 이로부터 얻어진 모든 해석결과는 공기압축성을 고려한 전편의 연구(Lee et al., 2014)와 2차오더에서 값의 차이를 나타낼 정로로 거의 동일한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 공기실내에서의 공기거동 해석에 압축성을 고려하지 않은 본 이론 및 수치계산이 압축성을 고려하는 전편의 연구(Lee et al.
7의경우와 비교하여 차이를 알 수 없을 정도이며, O(10−2)의 오더에서 차이를 나타낸다. 이상으로부터 전술한 고정시에서와 같이 파랑변형율을 포함하여 공기압축성의 고려유무에 따른 계산결과에서 차이는 거의 없다는 것을 확인할 수 있고, 따라서 계류시에도 공기실내에서의 공기거동해석에 비압축성을 고려하는 본 이론 및 수치계산이 압축성에 대한 전편의 연구(Lee et al., 2014)보다 훨씬 효율적이고, 동시에 간편하기 때문에 그의 유용성이 넓을 것으로 판단된다.
4(b)와 5(b)의 결과를 비교하면 변동과정 및 크기에서 차이를 거의 알 수 없을 정도의 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 이상의 파랑변형율 및 공기흐름속도에서 공기압축성의 고려유무에 따른 계산결과에서 차이는 거의 없다는 것을 확인할 수 있고, 따라서 공기실내에서의 공기거동해석에 비압축성을 고려하는 본 이론 및 수치계산이 압축성에 대한전편의 연구(Lee et al., 2014)보다 훨씬 효율적이고, 동시에 간편하기 때문에 그의 유용성이 넓을 것으로 판단된다.
전반적인 경향은 무차원공기의 흐름속도의 경우와 동일하다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 공기흐름속도의 두 추정치를 비교하면 피크치를 중심으로 좌우의 장주기측과 단주기측에서 TWOPM-3D(Lee et al., 2011)에 의한 결과가 본 연구보다 약간 큰 값을 나타내지만 전체적으로 주기의 변화에 따른 두 결과의 변동경향이 합리적으로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
33의 값을 각각 나타내는 것을 확인할 수 있다. 최대치를 나타내는 kh보다 장주기측에서는 공기실폭이 넓을수록 상대적으로 매우 큰 무차원공기흐름속도를 나타내며, 최대치를 나타내는 kh보다 단주기측에서는 기본적으로 공기실폭이 넓을수록 약간 큰 흐름속도를 나타내지만 그 값의 차이는 크지 않고, kh가 증가할수록 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 결과는 공기실폭이 넓을수록 수면변동량폭이 넓어지고, 이로부터 공기실내에 보다많은 양의 공기가 유입되기 때문이다.
후속연구
, 2014)보다 훨씬 효율적이고, 동시에 간편하기 때문에 그의 유용성이 넓을 것으로 판단된다. 또한, 이러한 결과들은 진동수주형 파력발전시스템을 갖는 부유식방파제의 계획 및 설계에서 방파제로써의 가능성, 파력발전구조물로써의 가능성 및 그들의 평가 등에 중요한 기초자료로 제공될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파력발전변환장치에 대한 기존의 선행 연구의 한계점은 무엇인가?
한편, 다수의 연구에서는 공기실내에서 수면변동과 구조물의 운동에 의해 발생되는 공기압변동을 공기압축성에 관한 상태방정식을 적용하여 산정하고 있지만 실제로 공기실내의 압축공기흐름속도를 직접적으로 평가한 연구는 전편의 연구(Lee et al., 2014)를 포함한 Lee et al.(2011a, 2011b)의 연구를 제외하면 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.
파력발전변환장치를 단독으로 사용했을 때 발생하는 문제는 무엇인가?
단독의 파력발전변환장치를 설치하는 경우 경제성이 떨어지는 문제점이 있으므로 기존 혹은 신설의 방파제에 적용하여 파랑제어와 파랑에너지의 이용을 동시에 도모하는 방식이 많이 추진되어 왔다. 본 연구는 전편의 연구(Lee et al.
파력발전변환장치를 단독 설치시 발생하는 문제를 해결하기 위해 주로 사용된 방법은 무엇인가?
단독의 파력발전변환장치를 설치하는 경우 경제성이 떨어지는 문제점이 있으므로 기존 혹은 신설의 방파제에 적용하여 파랑제어와 파랑에너지의 이용을 동시에 도모하는 방식이 많이 추진되어 왔다. 본 연구는 전편의 연구(Lee et al.
Kim, D.S. and Iwata, K. (1991). Dynamic behavior of tautly moored semisubmerged structure with pressurized air chamber and resulting wave transformation. Coastal Engineering in Japan, 34(2), 223-242.
Lee, K.H., Park, J.H., Baek, D.J., Cho, S. and Kim, D.S. (2011a). Discussion on optimal shape for wave power convertor using oscillating water column. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 23(5), 345-357 (in Korean).
Lee, K.H., Choi, H.S., Kim, C.H., Kim, D.S. and Cho, S. (2011b). Numerical analysis of pressurized air flow and acting wave pressure in the wave power generation system using the lowreflection structure with wall-typed curtain. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 23(2), 171-181 (in Korean).
Lee, K.H., Ha, S.W., Lee, K.S. and Kim, D.S. (2011c). Numerical analysis for three-dimensional tsunami force acting on multionshore structures. Journal of The Korean Society of Civil Engineers, KSCE, 31(2B), 175-185 (in Korean).
Lee, K.H., Kim, D.S., Yook, S.M., Jung, Y.H. and Jung, I.H. (2014). Dynamic response analysis of pressurized air chamber breakwater mounted wave-power generation system utilizing oscillating water column. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 26(4), 225-243 (in Korean).
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