본 연구는 전남 서남해안 우이도 주변해역의 조류흐름 특성에 따른 조류에너지 자원을 평가하였다. 먼저 대상해역의 조류 특성에 관한 정보 수집을 통한 타당성 조사와 유한요소법을 적용한 수심평균 2차원 ADCIRC(Advanced Circulation) 수치모델로 조석과 조류속의 변화에 대한 모의실험을 수행하였다. 조석분조는 우리나라 해역에 가장 큰 영향을 미치는 4대 분조(M2, S2, K1, O1)를 기본으로 설정하였다. 실제 평균 수심이 반영된 수치모형의 4곳을 관측점으로 설정하여 분석한 결과, 대조기 때 고고조 2.2m, 최강조류속 1.33 m/s를 나타냈다. ADCIRC Model의 결과값은 국립해양조사원(KHOA) 실제 관측 자료와 비교 및 분석하여 검증하였다. 또한 대상해역의 수치모델 조류속값에 지형적 특성을 반영한 조류속기법(Tidal Flux Method)을 이용하여 조류에너지 밀도 분포에 대해 평가하였다. 우이도 해역의 5개 평가 영역 중 최대 $1.75kW/m^2$의 조류에너지 분포를 보였으며, 조위 및 조류속뿐만 아니라 해역의 지형적 특성을 고려한 조류에너지 밀도 분포도를 작성하여 최적의 조류발전단지 후보지를 선정하였다.
본 연구는 전남 서남해안 우이도 주변해역의 조류흐름 특성에 따른 조류에너지 자원을 평가하였다. 먼저 대상해역의 조류 특성에 관한 정보 수집을 통한 타당성 조사와 유한요소법을 적용한 수심평균 2차원 ADCIRC(Advanced Circulation) 수치모델로 조석과 조류속의 변화에 대한 모의실험을 수행하였다. 조석분조는 우리나라 해역에 가장 큰 영향을 미치는 4대 분조(M2, S2, K1, O1)를 기본으로 설정하였다. 실제 평균 수심이 반영된 수치모형의 4곳을 관측점으로 설정하여 분석한 결과, 대조기 때 고고조 2.2m, 최강조류속 1.33 m/s를 나타냈다. ADCIRC Model의 결과값은 국립해양조사원(KHOA) 실제 관측 자료와 비교 및 분석하여 검증하였다. 또한 대상해역의 수치모델 조류속값에 지형적 특성을 반영한 조류속기법(Tidal Flux Method)을 이용하여 조류에너지 밀도 분포에 대해 평가하였다. 우이도 해역의 5개 평가 영역 중 최대 $1.75kW/m^2$의 조류에너지 분포를 보였으며, 조위 및 조류속뿐만 아니라 해역의 지형적 특성을 고려한 조류에너지 밀도 분포도를 작성하여 최적의 조류발전단지 후보지를 선정하였다.
This study evaluated tidal stream energy resources according to tidal flow properties around Uido off the west coast of, Jeollanam-do, South Korea. A feasibility study was first carried out through the collection of bathymetry data and tidal phase information. For this simulation, a depth-averaged 2...
This study evaluated tidal stream energy resources according to tidal flow properties around Uido off the west coast of, Jeollanam-do, South Korea. A feasibility study was first carried out through the collection of bathymetry data and tidal phase information. For this simulation, a depth-averaged 2D ADCIRC (Advanced Circulation) model for real sea situations was applied to a Finite Element Method (FEM) approach for tides given the variation of tidal current speed. Hydrodynamics were simulated with 4 major tidal constituents (M2, S2, K1, and O1) after setting up 4 observation points. From the real depth-averaged model simulation results, it was found that the spring tide Higher High Water (HHW) and tidal current speed values at the 4 observation points were about 2.2 m and 1.33 m/s, respectively. The ADCIRC model results were analyzed with reference to the Korea Hydrographic and Oceanographic Agency's (KHOA) observed data for verification. Furthermore, using topographical characteristics via the Tidal Flux Method (TFM), tidal energy density distribution was calculated, indicating a maximum tidal energy density of about $1.75kW/m^2$ for the 5 assessment areas around Uido. The tidal energy density was evaluated with consideration given to topographical characteristics as well as tidal elevation and tidal current speed to determine an optimum tidal farm candidate.
This study evaluated tidal stream energy resources according to tidal flow properties around Uido off the west coast of, Jeollanam-do, South Korea. A feasibility study was first carried out through the collection of bathymetry data and tidal phase information. For this simulation, a depth-averaged 2D ADCIRC (Advanced Circulation) model for real sea situations was applied to a Finite Element Method (FEM) approach for tides given the variation of tidal current speed. Hydrodynamics were simulated with 4 major tidal constituents (M2, S2, K1, and O1) after setting up 4 observation points. From the real depth-averaged model simulation results, it was found that the spring tide Higher High Water (HHW) and tidal current speed values at the 4 observation points were about 2.2 m and 1.33 m/s, respectively. The ADCIRC model results were analyzed with reference to the Korea Hydrographic and Oceanographic Agency's (KHOA) observed data for verification. Furthermore, using topographical characteristics via the Tidal Flux Method (TFM), tidal energy density distribution was calculated, indicating a maximum tidal energy density of about $1.75kW/m^2$ for the 5 assessment areas around Uido. The tidal energy density was evaluated with consideration given to topographical characteristics as well as tidal elevation and tidal current speed to determine an optimum tidal farm candidate.
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문제 정의
(2013)는 서해안의 특정지역에 대해 연구를 수행한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 우이도에 대한ADCIRC 2차원 DDI(Dimension, Depth-integrated) 수치모형을 통해 조위와 조류속을 모의실험하고, 결과값에 대한 검증을 위해 국립해양조사원(KHOA)에서 제공하는 관측자료와 비교하였다. 또한 조류자원 평가 기법 중의 하나인 조류속 기법(TFM, Tidal Flux Method)을 이용하여 우이도 해역의 조류에너지의 분포에 대해 계산하였으며, 일정기간동안의 조류에너지 밀도를 평가하여 전체적인 결과에 대해 고찰하였다.
따라서 본 연구에서는 조류발전단지 후보지를 선정하는 과정 중의 일환으로서 조류속기법을 선정하여 자원을 평가하였다. 조류속기법을 이용한 자원평가는 발전시스템을 설치할 해역에 대해 횡단면적을 파악하고 그것을 평균 에너지밀도(Averaged power density, APD)와 곱해줌으로서 부존량의 예측이 가능하다(Yang, 2013).
본 연구는 전남 서남해안 우이도 부근의 특정 지역만을 선정하여 조류속기법을 이용해 조류자원을 평가하였다. 추후 조류단지기법 및 환경 영향 평가 등을 추가하여 최적의 조류발전단지를 구성할 수 있는 심도 있는 연구가 요구된다.
제안 방법
1) 유한요소법을 이용한 실제 해역의 수심평균 2차원 수치모형을 구축하고 15일 기간 동안 4개 조석분조(M2,S2,K1,O1)의 합성분조를 기초로 보정 작업을 수행하였다. 그 결과, 해수모델링에서 대조기 때 고고조 2.
2) 조류속 기법을 이용한 Flux의 계산을 통해 조류에너지를 평가하였다. 수심이 급격히 변하는 후보지에서 최대 1.
모델링 결과값은 국립해양조사원(KHOA)으로부터 제공받은 4개소 정점 관측자료와 비교하였다. 그러나 실제 관측한 자료와 차이를 보여 정확도를 개선하기 위해 해수유동 모형의 검증과정을 검토하였다.
6과 같이 후보지 5곳을 Aa(Assessment area)로 설정하였다. 급격한 수심의 변화로 인한 높은 에너지 분포를 기대할 수 있는 Aa1과 섬 사이에 위치해 수로의 역할을 기대할 수 있는 Aa2,3을 조류에너지 밀도 계산 영역으로 설정하였다. 또한 우이도와 하의도 사이의 해역을 Aa4,5로 구분하여 분석을 수행하였다.
본 연구는 전남 서남해안 우이도 해역을 대상으로 ADCIRC 모델을 적용한 2차원 해수유동 모형을 통해 조위와 조류속을 계산하였으며, 실제 관측 자료와의 비교를 통해 모델에 대한 보정 및 검증을 수행하였다. 또한 모델링 결과자료를 조류속 기법에 적용하여 조류에너지 분포에 대해 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
급격한 수심의 변화로 인한 높은 에너지 분포를 기대할 수 있는 Aa1과 섬 사이에 위치해 수로의 역할을 기대할 수 있는 Aa2,3을 조류에너지 밀도 계산 영역으로 설정하였다. 또한 우이도와 하의도 사이의 해역을 Aa4,5로 구분하여 분석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 우이도에 대한ADCIRC 2차원 DDI(Dimension, Depth-integrated) 수치모형을 통해 조위와 조류속을 모의실험하고, 결과값에 대한 검증을 위해 국립해양조사원(KHOA)에서 제공하는 관측자료와 비교하였다. 또한 조류자원 평가 기법 중의 하나인 조류속 기법(TFM, Tidal Flux Method)을 이용하여 우이도 해역의 조류에너지의 분포에 대해 계산하였으며, 일정기간동안의 조류에너지 밀도를 평가하여 전체적인 결과에 대해 고찰하였다.
모델링 조위와 조석의 보정은 4개 조석분조의 합성조석으로 계산된 모델링 결과값(CaseA)을 기준으로 관측 조위와 계산조위의 차이를 이용해 보정(CaseB)하는 경우와 최종적으로 4개 분조의 합성조석에 의한 조위와 8개 합성조석(반일주조 및 일주조)에 의한 조위차이를 이용해 보정(CaseC)한 결과값을 이용해 검증하였다(Jung, 2010).
본 연구는 전남 서남해안 우이도 해역을 대상으로 ADCIRC 모델을 적용한 2차원 해수유동 모형을 통해 조위와 조류속을 계산하였으며, 실제 관측 자료와의 비교를 통해 모델에 대한 보정 및 검증을 수행하였다. 또한 모델링 결과자료를 조류속 기법에 적용하여 조류에너지 분포에 대해 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
비교 관측점(OP, Observation Point)은 Fig. 3과 같이 우이도 부근 해역의 특성을 모두 반영할 수 있도록 해역 전반에 걸쳐 OP 4곳을 선정하여 조위(Tide elevation)와 조류속(Tidal current speed)에 대한 분석을 수행하였다. 모델링 결과값은 국립해양조사원(KHOA)으로부터 제공받은 4개소 정점 관측자료와 비교하였다.
수치 모형 실험의 연구대상 지역은 전남 서남해역을 모델로 하였으며, 조류에너지 밀도가 높다고 알려진 진도 서부 북의 우이도 해역 수심자료를 바탕으로 하였다. 실험기간(Simulation period)은 2006년 10월 1일부터 10월16일(15일)로 설정하였으며, 모델 모형의 검증에 이용된 실험의 개요는 Table 1과 같이 정리하였다.
전남 우이도 부근 해역의 수치모형실험 격자는 복잡한 리아스식 해안선을 정밀하게 표현하기 위해 유한요소의 Tetra 격자를 사용하였고, 대상해역에 대해 절점과 유한 요소망을 사용하였다. 또한 Fig.
조류에너지의 추출은 앞서 조류발전단지를 구축할 수 있는 지형적 특성과 조위 및 조류속 등 환경조건을 고려해 Fig. 6과 같이 후보지 5곳을 Aa(Assessment area)로 설정하였다. 급격한 수심의 변화로 인한 높은 에너지 분포를 기대할 수 있는 Aa1과 섬 사이에 위치해 수로의 역할을 기대할 수 있는 Aa2,3을 조류에너지 밀도 계산 영역으로 설정하였다.
대상 데이터
모형실험을 위한 과정 중 가장 중요한 것은 개방경계의 매개변수가 되는 분조(Tidal constituent)의 설정이다. 따라서 본 연구의 조석 분조에 대한 조화 상수는 NAO(일본 천문대) DB에서 제공하는 21개 분조 중 우리나라 해안에 가장 큰 영향을 끼치는 4대 주요분조 M2, S2, K1, O1의 반조차 합을 각각 더하거나 뺀 조석 조건을 기본으로 하였다(Suh et al., 2006). 또한 Table 2에 조위 및 조류속을 보정하여 예측결과를 개선하는데 사용된 반일주조(Semi-diurnal)와 일주조(Diurnal)에 대해 나타냈다.
전남 우이도 부근 해역의 수치모형실험 격자는 복잡한 리아스식 해안선을 정밀하게 표현하기 위해 유한요소의 Tetra 격자를 사용하였고, 대상해역에 대해 절점과 유한 요소망을 사용하였다. 또한 Fig. 2와 같이 개방경계에 의한 결과값의 영향을 최소화하기 위해 우이도 해역을 개방경계 중심이 되도록 설계하였으며, Mesh elements number는 총 106,463개로 구성하였다.
3과 같이 우이도 부근 해역의 특성을 모두 반영할 수 있도록 해역 전반에 걸쳐 OP 4곳을 선정하여 조위(Tide elevation)와 조류속(Tidal current speed)에 대한 분석을 수행하였다. 모델링 결과값은 국립해양조사원(KHOA)으로부터 제공받은 4개소 정점 관측자료와 비교하였다. 그러나 실제 관측한 자료와 차이를 보여 정확도를 개선하기 위해 해수유동 모형의 검증과정을 검토하였다.
수치 모형 실험의 연구대상 지역은 전남 서남해역을 모델로 하였으며, 조류에너지 밀도가 높다고 알려진 진도 서부 북의 우이도 해역 수심자료를 바탕으로 하였다. 실험기간(Simulation period)은 2006년 10월 1일부터 10월16일(15일)로 설정하였으며, 모델 모형의 검증에 이용된 실험의 개요는 Table 1과 같이 정리하였다.
이론/모형
조류자원을 평가하기 위해선 대상해역의 조위와 조류속에 대한 정보가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 1992년 Luettich에 의해 개발된 유한요소 모델인 ADCIRC(Advanced circulation)를 해석도구로 선정하였다. ADCIRC는 해양뿐만 아니라 해안과 호수 그리고 하천과 연계된 지표수(Surface water)의 수리모델링에 적합한 모델로서 우리나라와 같이 해안선이 복잡한 해역에서 보다 상세한 해석을 하는데 적합하다.
해수유동 모형의 검증 과정은 조위와 조류속의 정확도 및 재현성을 평가하는 매우 중요한 과정이다. 따라서 본 연구에서는 조류벡터도와 Jung(2010)이 제안한 예측정확도를 개선하는 방법을 활용하여 모형을 검증하였다.
또한 ADCIRC 모델은 비정상(시간의 영향 존재)에서 현재의 값만을 사용하여 미래의 값을 구하는 단순한 대수 계산을 통해 시간변화에 따른 수치 변화를 구하는 양해법(Explicit method)보다 정확한 시간 의존성을 고려하기 위해 새로운 시간 스텝과 현재 시간스텝을 일정 비율로 이산화하여 적용한 음해법(Implicit method)으로 시간 적분을 수행할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 본 연구에서의 ADCIRC 모델은 2차원 2DDI 기법을 적용시킨 상세 역 해수순환 모형을 선정하여 설계하였다.
성능/효과
3) 조류에너지는 이론적으로 조류속이 가장 큰 평가 요소이지만, 본 연구를 통해 지형적 특성에 따라 조류속의 변화가 조류에너지 분포에 큰 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 한편 우이도 해역 부근에서는 충분한 조류속과 수심 및 전력 계통연계 측면에서 Aa1 해역이 최적의 조류발전단지 후보지라 할 수 있다.
일반적으로 음력 15일경,30일경에 조차가 가장 크게 나타나므로 k와 N은 모두 15일을 기준으로 입력하였다. 그 결과 Aa1에서 1.51 kW/M2의 가장 높은 평균 에너지 밀도를 나타냈다.
)의 합성분조를 기초로 보정 작업을 수행하였다. 그 결과, 해수모델링에서 대조기 때 고고조 2.2 m, 최강 조류속 1.33 m/s를 도출하였다.
25 m/s의 차이를 보였다. 모델링 결과는 전체적으로 저저조(Lower low water)의 조위 및 조류속의 진폭과 위상이 비교적 일치하지만, 대조기의 고고조 모델 결과는 실제 관측값만큼 충분히 상승하지 않은 것을 알 수 있다. 그러나 관측점에서 일정 크기의 조류속 지속 여부와 창·낙조 시 최대조류속차가 크게 발생하지 않고, 일정하게 유지되는 측면에서는 조류속의 변화가 시계열에 따라 비슷한 양상으로 형성되어 높은 신뢰성을 보임을 알 수 있다.
수심이 급격히 변하는 후보지에서 최대 1.75 kW/M2'의 에너지분포를 보였으며, 모의기간동안의 평균조류속을 이용해 에너지 밀도 지도를 제작할 수 있음을 보였다.
후속연구
본 연구는 전남 서남해안 우이도 부근의 특정 지역만을 선정하여 조류속기법을 이용해 조류자원을 평가하였다. 추후 조류단지기법 및 환경 영향 평가 등을 추가하여 최적의 조류발전단지를 구성할 수 있는 심도 있는 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양에너지의 장점은 ?
특히 우리나라는 3면이 바다로 둘러싸여 연안 해역에 가용 에너지 자원이 풍부하게 분포하고 있다. 설치 가능한 해역 또한 광범위하여 해양에너지 자원은 우리나라 연안에서 대규모로 활용이 가능하다는 장점이 있다. 국립해양조사원(KHOA, Korea Hydrographic and Oceangraphic Agency)에서는 국내 천해역에 부존하는 해양에너지를 총 14,000 MW로 추정하고 있다.
해양에너지의 한계는 ?
그 중 해양에너지는 화석연료의 사용에 따른 환경오염과 자원의 고갈 문제를 해결할 수 있는 에너지원 중의 하나이다. 하지만 해양이라는 특수한 환경이 갖는 개발의 어려움으로 인해 다른 신재생에너지 분야에 비해 상대적으로 발전 속도가 더딘 것이 현실이다. 그러나 최근 해양공학 기술의 발전과 급격한 기후 변화가 맞물려 새로운 대규모 청정 대체에너지 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.
지구의 에너지 자원의 특징은 ?
지구 표면은 약 75 %가 바다로 이루어져 존재하는 에너지 자원의 형태가 매우 다양하다. 그 중 해양에너지는 화석연료의 사용에 따른 환경오염과 자원의 고갈 문제를 해결할 수 있는 에너지원 중의 하나이다.
참고문헌 (12)
Blian, C. A. and R. H. Preller(2001), Tidal Prediction Using the Advanced Circulation Model (ADCIRC) and a Relocatable PC-based System, Journal of The Oceanography Society, Vol. 15, No. 1, pp. 77-87.
EMEC(2009), Assessment of Tidal Energy Resource, Marine renewable energy guides, pp. 47-49.
Jung, T. S.(2010), A Method for Improvement of Tide and Tidal Current Prediction Accuracy, Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 13, No. 4. pp. 234-240.
Kang, S. H., K. Y. Hong, B. S. Hyun, W. C. Koo and H. J. Kim(2012), Future Perspective and National Development Strategies on Renewable Ocean Energy, KAST research report 2012, Vol. 87, pp. 26-28.
Lamb, H.(1932), Hydrodynamics. Cambridge University Press, 6th edition, pp. 6-10,
Lee, J. K.(2016), Numerical Study on Performance of Tidal Current Turbines as Arrangement considering Interactions, Doctor degree thesis, pp. 16-19.
Lee, M. E., N. S. Oh, G. Kim and J. W. Kang(2013), MODELING TIDAL CURRENT AROUND MOKPO, THE SOUTH WESTERN COASTAL ZONE OF KOREA, the 7th International Conference on Asian and Pacific Coasts (APAC 2013), pp. 521-526.
Sobey, R. J.(2008), Wetting and Drying in Coastal Flows, Coastal Engineering, Vol. 56, pp. 5-6.
Suh, S. W., W. H. Cho and G. S Yoo(2006), Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 18, No. 1, pp. 43-52.
Thake, J.(2005), Development, Installation and testing of a large-scale tidal current turbine, DTI, England, pp. 1-35.
Yang, C. J.(2011), Theoretical Study on Assessment of Tidal Stream Resources, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 17, No. 1, pp. 23-28.
Yang, C. J.(2013), A Study on the Design of Tidal Current farm in the Bunamgun-do, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 1, pp. 85-92.
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