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수치 해석 및 모형실험을 이용한 수중 일점 계류식 조류발전 장치의 운동 성능 고찰
Investigation of Motion of Single Point Moored Duct-type TCP System by Both Numerical and Experimental Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.2, 2017년, pp.212 - 219  

조철희 (인하대학교 조선해양공학과) ,  박홍재 (인하대학교 조선해양공학과) ,  조봉근 (인하대학교 조선해양공학과) ,  김명주 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

As an environmental pollution and global warming due to an excessive carbon emission are intensified, the importance of renewable energy is in rise today. TCP (Tidal Current Power), one of the renewable energy sources, generates electricity by converting kinetic energy of current into rotational ene...

주제어

#계류 설계   #조류발전   #일점계류   #모형시험  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 또한 수심 30 m 이하의 해양 환경에서도 고정식 지지구조 방식과 비교하여 뛰어난 경제성을 가지는 것으로 나타났다9). 따라서 본 연구에서는 수중 덕트형 조류발전 장치의 지지방식으로서 일점 계류법을 제안하였으며 패널기법 및 모리슨 방정식을 이용한 덕트의 RAO 해석과 계류 시스템의 시간영역 운동해석이 이루어졌다. 해석에는 DNV Wadam V4.
  • 계류 시스템은 계류삭의 자중 및 탄성을 이용하여 복원력을 발생시키고 부유식 구조물의 위치를 제어하는 지지구조 방식이다. 본 연구에서는 낮은 속도의 조류가 발생하는 수심 30 m 가량의 근해에 적용 가능한 일점계류식 조류발전 장치를 구상하였으며 대상 구조물의 RAO (Response Amplitude Operator)를 도출하고 일점 계류 시스템의 초기 설계를 진행하였다. 계류된 수중체의 주파수영역 운동해석기법에 대한 연구6), 계류삭의 유체 동역학적 특성을 고려한 부유체의 실험적 연구7) 등 이미 수치 및 실험적 방법을 통한 많은 계류 시스템 운동해석 및 설계가 이루어진바 있다.
  • 수리 모형실험을 통해 터빈 및 유선형 덕트의 난류효과를 포함한 시스템의 통합 수평 자세 유지 성능이 평가되었고 수치 해석을 통하여 파도를 포함하는 외력에 대한 시스템의 동적 거동을 평가하였다. 실험 및 해석결과 난류의 영향은 유속과 비례하여 나타났으며 설계된 수중 덕트 시스템은 부여된 환경 조건하에서 안정적인 자세를 유지하는 것으로 나타났다.
  • 일점계류 방식을 적용한 10 kW급 덕트형 조류발전장치의 운동 성능 분석이 본 연구를 통하여 이루어졌다. 수치 해석과 실험을 이용하여 설계된 시스템의 거동 특성을 분석하였으며 다양한 속도의 조류와 TMA 파 스펙트럼을 이용한 파랑 조건이 이용되었다.
  • 터빈과 덕트로 인한 난류 효과를 확인하기 위하여 덕트 수평자세 유지 실험을 진행하였다. 비점성 유체의 파도 포텐셜을 통해 얻어진 운동해석결과는 난류의 영향을 포함하지 않지만, 터빈 및 유선형 덕트는 유체의 경계층을 산정하고 점성 효과를 이용하여 설계된 기계장치이므로 시스템의 운동 성능을 보다 정확히 고찰하기 위해서 수리모형실험이 필수적이다.

대상 데이터

  • 실험 및 해석결과 난류의 영향은 유속과 비례하여 나타났으며 설계된 수중 덕트 시스템은 부여된 환경 조건하에서 안정적인 자세를 유지하는 것으로 나타났다. 특히 조류발전장치의 발전량에 직접적인 영향을 주는 heave, pitch, yaw의 운동 응답을 바탕으로 페어리드가 덕트 입구로부터 1.5 m에 위치한 F2 케이스를 최적의 페어리드로 선정하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 수중 덕트형 조류발전 장치의 지지방식으로서 일점 계류법을 제안하였으며 패널기법 및 모리슨 방정식을 이용한 덕트의 RAO 해석과 계류 시스템의 시간영역 운동해석이 이루어졌다. 해석에는 DNV Wadam V4.8-1과 OrcaFlex 10.0a가 사용되었다.
  • 해양 환경의 선형화를 통하여 RAO로 대표되는 주파수 영역 운동 특성을 얻을 수 있었다. 해석에는 DNV Wadam V4.8-1이 사용되었다. Fig.

데이터처리

  • 상용코드 OrcaFlex 10.0a를 이용한 계류 시스템시간 영역 운동해석이 이루어졌다. 해석에 사용된 조류와 파도는 천해 영역의 해양 환경을 보다 정확히 구현하기 위하여 power law 및 TMA (Texel MARSEN ARSLOE) 파 스펙트럼이 사용되었다(식(1), 식 (2)).

이론/모형

  • 덕트는 OrcaFlex 10.0a 상에서 제공하는 6D buoy 모델을 이용하여 구현되었으며 모리슨 방정식을 통해 조류력 및 파력에 의한 덕트의 운동을 구현하였다. 해석에 사용된 덕트 모델과 항력 및 관성력 계수를 아래 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
조류발전의 특징은 무엇인가? 최근 조류발전은 환경 훼손을 최소화하면서 에너지 고갈 문제를 해소할 수 있는 대체에너지로 각광받고 있다. 조류발전은 여타 신재생에너지원과는 차별적으로 발전량이 예측 가능하며 높은 신뢰성을 갖는 것이 특징이다. 조류의 흐름 에너지를 터빈의 회전 에너지로 바꾸어 전력을 생산하는 방식이며 특히 한국의 서남해안에 세계적으로 손꼽히는 부존량을 갖고 있다1).
조류발전이 에너지를 만드는 방식은 무엇인가? 조류발전은 여타 신재생에너지원과는 차별적으로 발전량이 예측 가능하며 높은 신뢰성을 갖는 것이 특징이다. 조류의 흐름 에너지를 터빈의 회전 에너지로 바꾸어 전력을 생산하는 방식이며 특히 한국의 서남해안에 세계적으로 손꼽히는 부존량을 갖고 있다1). 이러한 장점으로 인해 덕트를 적용한 수평축 터빈의 실험적 성능 검증2), 덕트 디퓨저 각도에 따른 조류 터빈의 성능 연구3) 등 실험 및 수치적 방법으로 덕트를 적용한 수평축 조류 터빈에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
조류발전이 가광받는 이유는 무엇인가? 최근 조류발전은 환경 훼손을 최소화하면서 에너지 고갈 문제를 해소할 수 있는 대체에너지로 각광받고 있다. 조류발전은 여타 신재생에너지원과는 차별적으로 발전량이 예측 가능하며 높은 신뢰성을 갖는 것이 특징이다.
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참고문헌 (10)

  1. D. S. Byun, E. H. Deirdre, and W. J. Jeong, "Tidal Current Energy Resources off the South and West Coasts of Korea: Preliminary Observation-Derived Estimates", Energies, Vol. 6, No. 2, 2013, pp. 566-578. 

    상세보기 crossref

  2. C. H. Jo, K. H. Lee, J. Y. Yim, and K. S. Che, "Performance Evaluation of TCP Device with Upstream Duct Installation", Proceeding of the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies Conference, 2009, pp. 77-80. 

  3. P. Khunthongjan and A. Janyalertadun, "A study of Diffuser Angle Effect on Ducted Water Current Turbine Performance Using CFD", Songklanakarin Journal of Science and Technology, Vol. 34, No. 1, 2012, pp. 61-67. 

  4. H. C. Roger, "A sleeper awakes : tidal current power", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 7, 2003, pp. 515-529. 

    상세보기 crossref

  5. C. H. Jo, K. H. Lee, S. J. Cho, and C. H. Goo, "Performance of the Duct Implemented in Single Point Moored TCP System with Various Diffuser Angles", Proceeding of Korean Association of Ecean Science and Technology Societies Conference, 2015. 

  6. C. L. Cunff, S. Ryu, J. M. Heurtier, and A. S. Duggal, "Frequency-domain Calculations of Moored Vessel Motion Including Low Frequency Effect", Proceeding of the 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2008, pp. 689-696. 

  7. W. S. Yang, "Hydrodynamic Analysis of Mooring Lines Based on Optical Tracking Experiments", Texas A&M University, Ph.D. thesis, 2007. 

  8. K. Sachithanathamoorthy, "Design and analysis of tension leg anchor systems for floating windmills", Norwegian University of Science and Technology, Master's thesis, 2012. 

  9. C. H. Jo, Y. H. Rho, D. Y. Kim, and M. J. Kim, "Dynamic Response of Single Point Mooring Tidal Energy Converter with Various Duct Configurations", Proc. of The Korean Society for New and Renewable Energy, 2015. 

  10. K. O. Ko, K. H. Lee, C. B. Park, and C. H. Jo, "Design of Supporting Structure for Tidal Current Power Generation Using Tidal Bladed", Journal of Costal Disaster Prevention, Vol. 3, No. 3, 2016, pp. 107-121. 

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