최근 10 여 년간 신재생 에너지 개발에 대한 관심이 급증하고 있으며, 한국의 서해안은 전 세계에서 조력발전이 가장 유리한 지역 중 하나이다. 방조제 방식의 조력발전은 오랜 기간 동안 설치 및 운영을 거쳐 조력발전을 대표하는 방식이지만, 여러 환경영향을 이유로 향후 조력발전 사업 추진이 지연되거나 중단되고 있는 상황이다. 이런 이유로 본 논문에서는 기존의 방조제 방식이 가지는 환경영향을 최소화한 신형 조력발전 기술을 서해안 조력발전 후보지에 적용하고 가능성을 분석하였다. 신형 조력발전 기술은 Dynamic Tidal Power (DTP)로 불린다. 신형 조력발전 기술의 검증은 실험실이나 현장에서는 불가능하므로 수치해석 프로그램을 사용하였다. 신형 조력발전 기술은 해안으로부터 수십 km의 둑을 설치한 후, 둑의 양측에서 회절에 의해 발생하는 위상차를 이용하여 발전을 하게 된다. 이론상으로는 조차의 2배에 가까운 발전을 할 수 있어, 조차가 작은 지역에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 방조제 방식과 달리 바닷물을 가둘 필요가 없어 환경영향을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 한국의 서해안의 경우 조위차가 크고, 대도시가 인접하고 있어 적합한 후보지로 생각된다.
최근 10 여 년간 신재생 에너지 개발에 대한 관심이 급증하고 있으며, 한국의 서해안은 전 세계에서 조력발전이 가장 유리한 지역 중 하나이다. 방조제 방식의 조력발전은 오랜 기간 동안 설치 및 운영을 거쳐 조력발전을 대표하는 방식이지만, 여러 환경영향을 이유로 향후 조력발전 사업 추진이 지연되거나 중단되고 있는 상황이다. 이런 이유로 본 논문에서는 기존의 방조제 방식이 가지는 환경영향을 최소화한 신형 조력발전 기술을 서해안 조력발전 후보지에 적용하고 가능성을 분석하였다. 신형 조력발전 기술은 Dynamic Tidal Power (DTP)로 불린다. 신형 조력발전 기술의 검증은 실험실이나 현장에서는 불가능하므로 수치해석 프로그램을 사용하였다. 신형 조력발전 기술은 해안으로부터 수십 km의 둑을 설치한 후, 둑의 양측에서 회절에 의해 발생하는 위상차를 이용하여 발전을 하게 된다. 이론상으로는 조차의 2배에 가까운 발전을 할 수 있어, 조차가 작은 지역에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 방조제 방식과 달리 바닷물을 가둘 필요가 없어 환경영향을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 한국의 서해안의 경우 조위차가 크고, 대도시가 인접하고 있어 적합한 후보지로 생각된다.
Interest in the development of renewable energy sources has been increasing over the past 10 years and the west coast of Korea is one of the most favorable regions for tidal power. Barrage type tidal power is representative of the experience of installation and operation of such power sources for lo...
Interest in the development of renewable energy sources has been increasing over the past 10 years and the west coast of Korea is one of the most favorable regions for tidal power. Barrage type tidal power is representative of the experience of installation and operation of such power sources for long periods. However, future projects for barrage type energy sources are either delayed or closed due to their environmental impact. For this reason, we applied a new tidal power technology with minimized environmental impact to a candidate area in the west coast and then analyzed its feasibility. The new tidal power technology is called Dynamic Tidal Power (DTP). Because its verification is impossible both in the laboratory and field, a numerical model is used for the evaluation of DTP. This new technology produces tidal power by means of the phase difference caused by diffraction on both sides of a dike built tens of km away from the coast. Because DTP is theoretically able to almost double the tidal range, it is expected to be applicable to even a small tidal area. Unlike the barrage type, it has the advantage of reducing the environmental impact by not enclosing the sea water. The west coast of Korea is close to the metropolitan area and has a high tidal range and, thus, it is thought to be a suitable candidate for tidal power.
Interest in the development of renewable energy sources has been increasing over the past 10 years and the west coast of Korea is one of the most favorable regions for tidal power. Barrage type tidal power is representative of the experience of installation and operation of such power sources for long periods. However, future projects for barrage type energy sources are either delayed or closed due to their environmental impact. For this reason, we applied a new tidal power technology with minimized environmental impact to a candidate area in the west coast and then analyzed its feasibility. The new tidal power technology is called Dynamic Tidal Power (DTP). Because its verification is impossible both in the laboratory and field, a numerical model is used for the evaluation of DTP. This new technology produces tidal power by means of the phase difference caused by diffraction on both sides of a dike built tens of km away from the coast. Because DTP is theoretically able to almost double the tidal range, it is expected to be applicable to even a small tidal area. Unlike the barrage type, it has the advantage of reducing the environmental impact by not enclosing the sea water. The west coast of Korea is close to the metropolitan area and has a high tidal range and, thus, it is thought to be a suitable candidate for tidal power.
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문제 정의
Tidal lagoon과 DTP는 Tidal barrage 방식에서 발생되는 환경문제들을 저감하도록 제안된 발전방식으로 본 연구에서는 DTP의 특성을 분석하였다. DTP의 초기 아이디어는 1996년 네덜란드 학자로부터 제안되었으나, 모형실험 및 현장관측이 불가능한 이유로 한동안 아이디어 차원에서만 논의되었다 [2].
반면에 조류는 지형의 영향이 매우 큰 이유 로 정확한 예측이 어렵다. 본 연구에서는 조위차를 이용한 조력발전에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구의 목적은 1997년 네덜란드 연구진에 의해 기 본 개념이 제시되었으나, 모형실험 및 현장 검증의 어려 움으로 초기단계의 연구수준을 벗어나지 못한 Dynamic Tidal Power (DTP)를 한국의 서해안에 적용하여 가능성을 분석하려 한다. 이를 위해 수치모델을 사용하여 조력 발전을 위한 조위차 발생과 태풍시 DTP의 성능을 분석하였다.
수치모델을 사용하여 한국 서해안에서 DTP의 적용 가능성을 검토하였다. 수치모델은 미육군공병단에서 개발된 조석에 의한 해수운동을 시뮬레이션 하는 ADvanced CIRCulation model (ADCIRC) 모델[6]을 사용하였으며, 30일 동안의 조위차 변화를 관찰하였다.
제안 방법
3과 같이 T-shape이 없는 50 km의 막대형 DTP를 계산 격자에 포함한 후 시뮬레이션을 실시하였다. DTP의 북쪽과 남쪽에 각각 3개의 관측점을 설치한 후 30일 동안의 조위 변화를 관측하였다. 관측점은 DTP의 끝부분, 중간부분, 육지와 연결된 부분 3지점이며, 바다로부터 육지방향으로 1, 2, 3 으로 표시하였다.
그동안 이론적으로만 연 구된 새로운 조력발전 방식은 DTP라고 하며 바닷물을 가두지 않기에 이에 따른 환경영향을 저감할 수 있다. 기 존 DTP 연구가 단순히 발전량 산출에 주목하였던 것에 비해, 본 연구에서는 발전량을 결정하는 주요 요소인 DTP에 의한 조위차와 위상차의 상관관계를 좀 더 이론적으로 분석하였다. 실제 발생할 수 있는 현장 문제에 대한 검토를 위해 한국 서해안의 상황을 고려하여 태풍에 의한 영향도 함께 분석하였다.
기존 Tidal barrage 방식의 조력발전이 유발하는 환경 영향을 저감할 수 있는, 새로운 방식의 조력발전 방식을 국내 서해안에 적용해 보았다. 그동안 이론적으로만 연 구된 새로운 조력발전 방식은 DTP라고 하며 바닷물을 가두지 않기에 이에 따른 환경영향을 저감할 수 있다.
275일 때 DTP에 가장 가깝게 위치하였다. 시뮬레이션을 안정적으로 시작하기 위해 1.5일간 ramp function을 사용하였으며, 이 기간 동안은 조위가 조금씩 상승하였다. 태풍에 의한 폭풍해일의 영향으로 조위가 ± 1 m 정도 상승하였으며, 이에 따른 DTP의 조위차는 7 m까지 증가하였다.
기 존 DTP 연구가 단순히 발전량 산출에 주목하였던 것에 비해, 본 연구에서는 발전량을 결정하는 주요 요소인 DTP에 의한 조위차와 위상차의 상관관계를 좀 더 이론적으로 분석하였다. 실제 발생할 수 있는 현장 문제에 대한 검토를 위해 한국 서해안의 상황을 고려하여 태풍에 의한 영향도 함께 분석하였다.
대조와 소 조는 일주일 간격으로 반복하여 발생한다. 이런 주기적 인 특성을 이용하여 조력 발전을 개발한다.
첫째는 DTP를 사용하여 발생되는 조위차와 발생원리 분석, 두 번째는 태풍시의 특성 변화를 검토하려 한다. 이를 위해 Fig. 3과 같이 T-shape이 없는 50 km의 막대형 DTP를 계산 격자에 포함한 후 시뮬레이션을 실시하였다. DTP의 북쪽과 남쪽에 각각 3개의 관측점을 설치한 후 30일 동안의 조위 변화를 관측하였다.
본 연구의 목적은 1997년 네덜란드 연구진에 의해 기 본 개념이 제시되었으나, 모형실험 및 현장 검증의 어려 움으로 초기단계의 연구수준을 벗어나지 못한 Dynamic Tidal Power (DTP)를 한국의 서해안에 적용하여 가능성을 분석하려 한다. 이를 위해 수치모델을 사용하여 조력 발전을 위한 조위차 발생과 태풍시 DTP의 성능을 분석하였다.
ADCIRC을 사용하여 검토하려는 부분은 크게 두 가지이다. 첫째는 DTP를 사용하여 발생되는 조위차와 발생원리 분석, 두 번째는 태풍시의 특성 변화를 검토하려 한다. 이를 위해 Fig.
태풍 시뮬레이션을 위해서는, DTP 시뮬레이션에 사용된 ADCIRC 모델에 Planetary Boundary Layer (PBL) 모델을 병합하여 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 태풍은 2000년 8월 31일 서해안의 수도권에 큰 피해를 입힌 Typhoon Prapiroon을 사용하였다.
우리나라는 태풍의 이동경로에 위치하여 해마다 1-2 회 이상 직접적인 피해를 입는다. 특히 서해안은 수심이 낮아 대조시 태풍에 의한 영향이 매우 큰 이유로, 태풍시 DTP를 시뮬레이션 하였다.
4-6에 나타내었다. 해안에 가까운 북쪽 3번 관측점에서 DTP에 의한 조위 변화를 DTP가 없는 경우와 비교하였다 (Fig. 4). DTP에 의해 조위의 상당부분이 감소하였으며, 위상차가 발생하였다.
대상 데이터
태풍 시뮬레이션을 위해서는, DTP 시뮬레이션에 사용된 ADCIRC 모델에 Planetary Boundary Layer (PBL) 모델을 병합하여 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 태풍은 2000년 8월 31일 서해안의 수도권에 큰 피해를 입힌 Typhoon Prapiroon을 사용하였다. Prapiroon의 이동경로가 DTP와 매우 가까워 안정성 검토에 적합하다고 생각된다.
이론/모형
수치모델을 사용하여 한국 서해안에서 DTP의 적용 가능성을 검토하였다. 수치모델은 미육군공병단에서 개발된 조석에 의한 해수운동을 시뮬레이션 하는 ADvanced CIRCulation model (ADCIRC) 모델[6]을 사용하였으며, 30일 동안의 조위차 변화를 관찰하였다. 수치모델 사용을 위한 조위 시뮬레이션의 정확도는 Park 등의 논문[7]에서 이미 검증하였다.
성능/효과
4일에 기록된 N3와 S3간의 약 4 m의 조위차 (Tidal difference)를 사용하여 발전한다. DTP에 의한 조위는 감소하였지만, 위상차에 의한 조위차가 최대 4 m 정도 발생하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 같은 시간 N1과 S1에서는 조위차가 약 0.
따라서 이에 따른 추가 관리 시스템은 필요하지 않아 단순한 조력발전 시스템을 구성할 수 있을 것이다. 태풍에 의한 변화는 단지 폭풍해일로 인한 조위 및 조위차의 증가이며, 위상차의 변화는 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 증가한 조 위차는 터빈을 통과하는 유속을 증가시킴으로 터빈 및 구조물의 추가 보강이 고려되어야 한다.
태풍에 의한 폭풍해일의 영향으로 조위가 ± 1 m 정도 상승하였으며, 이에 따른 DTP의 조위차는 7 m까지 증가하였다.
한 달 동안의 시뮬레이션을 분석한 결과, DTP에 의해 동일 지점에서는 조위가 변화하더라도 위상차는 한 달 동안 동일한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이에 따른 추가 관리 시스템은 필요하지 않아 단순한 조력발전 시스템을 구성할 수 있을 것이다.
5 에 나타내었다. 해안에 가까운 관측점 (N3와 S3)에서는 DTP에 의한 위상차가 극대화 되어 약 4시간 정도의 시간차가 발생하였으나, DTP의 가장 먼 바다 쪽에 위치한 관측점 (N1과 S1)에서는 약 40분 정도의 시간차가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
태풍에 의한 폭풍해일의 영향으로 조위가 ± 1 m 정도 상승하였으며, 이에 따른 DTP의 조위차는 7 m까지 증가하였다. 태풍에 의해 증가한 조위차에 의해 터빈을 지나는 유속도 빨라지게 됨으로, 이에 따른 터빈과 구조물의 보강도 필요 할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대표적인 신 재생 에너지는 무엇인가?
최근 들어 전 세계적인 이상기후로 인해 신재생에너 지 개발에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 대표적인 신 재생 에너지는 태양에너지, 풍력, 수력, 조력, 파력, 지열, 해수 온도차 등이 있으며, 한국의 서해안은 높은 조위차낮은 수심으로 전 세계적으로 조력발전이 가장 유망 한 지역 중에 한 곳으로 알려져 왔다 (Table 1). 이런 이 유로 한국은 오래전부터 조력발전에 대한 연구를 수행해 왔으며, 마침내 국내 최초이며 세계 최대 용량의 시화호 조력발전소를 2004년 12월에 착공하고 2011년 8월에 완공하여 현재 성공적으로 운영 중에 있다.
조력에너지의 장점은 무엇인가?
조력에너지는 지구의 자전과 달의 공전에 의해 발생 하는 이유로 매우 정확한 주기를 가지고 있으며, 다른 신 재생에너지에 비해 발생 에너지의 크기를 예측할 수 있 는 장점을 가지고 있다. 에너지 부산물이 발생하지 않아 서 친환경적이며, 에너지 발생은 반복적, 주기적이며 무 한하다.
조력에너지의 단점은 무엇인가?
에너지 부산물이 발생하지 않아 서 친환경적이며, 에너지 발생은 반복적, 주기적이며 무 한하다. 이러한 장점에도 불구하고 조력발전소의 경우 큰 규모의 발전시설이 필요하여, 이에 따른 환경영향이 발생하지 않을 수 없다. 바닷물을 방조제에 가두어 발생 하는 낙차를 이용하는 조력 발전의 경우에는, 가둔 물의 흐름이 정체되어 발생하는 생태계의 변화뿐만 아니라 퇴 적물이 누적되는 환경영향을 야기할 수 있다.
참고문헌 (7)
C. Frid, E. Andonegi, J. Depestele, A. Judd, D. Rihan, S. Rogers, E. Kenchington, "The environmental interactions of tidal and wave energy generation devices", Environmental Impact Assessment Review, 32, pp. 133-139, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eiar.2011.06.002
K. Hulsbergen, R. Stejin, G.V. Banning, G. Klopman, "Dynamic Tidal Power (DTP) - A new approach to exploit tides", 2nd International Conference on Ocean Energy, 2008.
V.T. Buchwald, "The diffraction of tides by a narrow channel", Journal of Fluid Mechanics, 46, pp. 501-511, 1971. DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112071000661
C.C. Mei., "Note on tidal diffraction by a coastal barrier", Applied Ocean Research, 36, pp. 22-25, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apor.2012.01.005
Power Programme. The POWER programme [Internet]. POWER Programme, c2012, Available From: http://www.powerdtp.nl/home/default.aspx.(accessed May, 23, 2016)
The university of North Carolina. The official ADCIRC web site [Internet]. The university of North Carolina, c2008, Available From: http://www.adcirc.org/. (accessed May, 23, 2016)
Y.H. Park, K-D Suh. "Variations of storm surge caused by shallow water depths and extreme tidal ranges", Ocean Engineering, 55, pp. 44-51, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2012.07.032
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