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문제 정의
- 본 연구에서는 파력발전 장치의 성능을 크게 좌우하는 파랑에너지에 대한 1차 추출 변환장치의 동적 특성을 고찰 하였다. 파도의 형태, 발전 장치의 설치 위치, 발전 방식에 따라 매우 다양한 형태의 1차 추출 변환장치가 존재할 수밖에 없으며 또한 파력발전 장치에서 매우 중요한 부분이기 때문에 이와 관련해서 연구가 가장 활발히 진행되고 있다.
제안 방법
- 본 연구에서는 조파기에서 발생된 파도가 플랩부이에 적용하는 힘은 입자 유체 해석(MPS:Moving Particle Simulation)에서 도출된 플랩 부이에 부딪치는 순간 압력 값을 강체 동력학 해석에 매 순간 피드백 하여 연동 적용하였다. 강체 동력학 해석은 외부의 힘에 따른 진자 힌지 프레임의 revolute 조인트 부분에서의 회전각도, 수평 반력, 수직 반력 및 토크를 구한다. 그리고 강체 동력학 해석 (RecurDyn S/W)와 입자유체 해석(Particleworks S/W)을 연동하여 시뮬레이션을 수행하기 위해 연결 옵션 및 해석 스텝 크기(0.
- 반파의 영향을 가능한 없도록 미소량의 유량이 자동 유출 및 유입 하도록하였다. 교류 감속 모터(180watt)와 링크로 구성된 조파기에서 주기와 파고가 조정된 일정한 정현파 형태의 파도가 진자 형 플랩 부이에 부딪쳐서 발생되는 토크를 힌지 축의 구속 토크를 이용하여 측정하였다. 진자 부유 체의 회전각, 파고, 파도 주기는 투명한 유리 측면 부착된 각도 게이지와 스케일, 조파의 에너지와 흐름에 관련된 조파의 속도는 수평 유속과 연직 유속을 측정할 수 있는 3축 전자식 유속계(ACM300-A)를 진자 부유체 1미터 앞의 파고 높이에서 측정하였고, 진자 하단 플랩 부이에서 발생되는 토크는 구속(lock) 상태의 힌지 회전축에 설치된 토크 테스터(CEDAR, DIS-IP)를 사용하였다.
- 파력발전의 성능은 파랑 에너지를 기계적인 에너지로 얼마만큼 추출 변환하느냐에 좌우되고, 기계에너지는 토크와 회전수 형태로 구체적으로 도출된다. 그래서 모형제작 후 수조 실험과 연동 시뮬레이션을 통해 진자형 에너지 추출 장치에 대한 동적 특성을 고찰하였고 그 결론은 다음과 같다.
- 그리고 입사파의 에너지가 상대적으로 훨씬 크기 때문에 입사파 에너지의 일부를 복원 에너지로 사용해야 효과적인 진자의 왕복운동을 도출할 수 있다. 그래서 본 연구에서는 진자체 프레임 상단에 와이로 연결하한 무게 추가 부이의 움직임을 위해 상승하였다가 입사파 때의 에너지 일부를 무게 추의 위치 에너지로 저장 했다가 플랩 부이의 귀환 시 하강하면서 복원 에너지로 작동하도록 하였다. 측정된 토크와 회전 각도 (속도)은 기계적 동력으로서 모터의 입력 동력(전압 × 전류)으로 발생된 파랑 에너지에 대한 1차 추출 에너지 (동력)로서 장치의 효율이 산술적으로 산출될 수 있다.
- 파도의 형태, 발전 장치의 설치 위치, 발전 방식에 따라 매우 다양한 형태의 1차 추출 변환장치가 존재할 수밖에 없으며 또한 파력발전 장치에서 매우 중요한 부분이기 때문에 이와 관련해서 연구가 가장 활발히 진행되고 있다. 그래서 제시된 진자 체의 하부 플랩부이에 파도가 부딪치는 부분의 유체 압력으로 발생된 플랩 부이에 미치는 힘과 상단 힌지를 기준으로 진자 체에 발생되는 토크를 수조에서 모형실험을 통해서 측정하였다. 그리고 진자 형태의 1차 에너지 추출장치가 강체로 구성되었기 때문에 우선 강체 동역학 해석을 실시하고 그리고 파도형태의 조파는 유체이기 때문에 입자 유체 해석을 연동 시뮬레이션 하여 파도 유체가 부이에 부딪치는 압력을 직접 계산하고 반력과 부이의 궤적을 이론적으로 도출하였다.
- 강체 동력학 해석은 외부의 힘에 따른 진자 힌지 프레임의 revolute 조인트 부분에서의 회전각도, 수평 반력, 수직 반력 및 토크를 구한다. 그리고 강체 동력학 해석 (RecurDyn S/W)와 입자유체 해석(Particleworks S/W)을 연동하여 시뮬레이션을 수행하기 위해 연결 옵션 및 해석 스텝 크기(0.01)를 설정하여 실행하였다.
- 그리고 진자 형태의 1차 에너지 추출장치가 강체로 구성되었기 때문에 우선 강체 동역학 해석을 실시하고 그리고 파도형태의 조파는 유체이기 때문에 입자 유체 해석을 연동 시뮬레이션 하여 파도 유체가 부이에 부딪치는 압력을 직접 계산하고 반력과 부이의 궤적을 이론적으로 도출하였다. 그리고 인장력을 받는 강선을 통해 육상부의 구동기어를 작동 시키는 토크를 상사하기 위해 일정한 각도 변위 내에서 진자체 왕복 운동을 발생시키기 위한 가상의 부하 조건 하에서 시뮬레이션 하였다. 또한 유체가 플랩부이를 부딪쳐서 발생되는 힘에 의해 상단 모멘트 힌지 부분에서의 수직 및 수평 반력을 도출하였다.
- 그래서 제시된 진자 체의 하부 플랩부이에 파도가 부딪치는 부분의 유체 압력으로 발생된 플랩 부이에 미치는 힘과 상단 힌지를 기준으로 진자 체에 발생되는 토크를 수조에서 모형실험을 통해서 측정하였다. 그리고 진자 형태의 1차 에너지 추출장치가 강체로 구성되었기 때문에 우선 강체 동역학 해석을 실시하고 그리고 파도형태의 조파는 유체이기 때문에 입자 유체 해석을 연동 시뮬레이션 하여 파도 유체가 부이에 부딪치는 압력을 직접 계산하고 반력과 부이의 궤적을 이론적으로 도출하였다. 그리고 인장력을 받는 강선을 통해 육상부의 구동기어를 작동 시키는 토크를 상사하기 위해 일정한 각도 변위 내에서 진자체 왕복 운동을 발생시키기 위한 가상의 부하 조건 하에서 시뮬레이션 하였다.
- 그리고 인장력을 받는 강선을 통해 육상부의 구동기어를 작동 시키는 토크를 상사하기 위해 일정한 각도 변위 내에서 진자체 왕복 운동을 발생시키기 위한 가상의 부하 조건 하에서 시뮬레이션 하였다. 또한 유체가 플랩부이를 부딪쳐서 발생되는 힘에 의해 상단 모멘트 힌지 부분에서의 수직 및 수평 반력을 도출하였다. 수조에서 모형실험과 연동 시뮬레이션을 통해 도출된 결과는 향후 실 해역에서 진자형태의 파랑에너지 1차 추출장치를 특징으로 하는 연안가의 수평파력 발전장치를 개발 및 설치할 때 주요한 설계 데이터로 적용될 수 있다.
- 조파 판으로부터 안정된 파가 발생되는 3m 떨어진 위치에 상단 힌지의 고정식 진자 부유체를 부착하였고 후면에는 반파 영향을 최소화하기 위한 쇄파장치를 설치하였다. 반파의 영향을 가능한 없도록 미소량의 유량이 자동 유출 및 유입 하도록하였다. 교류 감속 모터(180watt)와 링크로 구성된 조파기에서 주기와 파고가 조정된 일정한 정현파 형태의 파도가 진자 형 플랩 부이에 부딪쳐서 발생되는 토크를 힌지 축의 구속 토크를 이용하여 측정하였다.
- 이때 주기적으로 일정 각도 범위 내에서 귀환 반복할 수 있도록 피치 프레임 상단부에 가상의 계단 형태의 인장력을 부가 한다. 본 연구에서는 조파기에서 발생된 파도가 플랩부이에 적용하는 힘은 입자 유체 해석(MPS:Moving Particle Simulation)에서 도출된 플랩 부이에 부딪치는 순간 압력 값을 강체 동력학 해석에 매 순간 피드백 하여 연동 적용하였다. 강체 동력학 해석은 외부의 힘에 따른 진자 힌지 프레임의 revolute 조인트 부분에서의 회전각도, 수평 반력, 수직 반력 및 토크를 구한다.
- 상단 힌지의 부유식 진자 체 파력발전장치에 대해 수치해석 및 1/20 축척 수조의 모형실험을 하였다. 부유식 진자형 파력장치의 1차 변환 시스템인 진자형 시스템에 대한 입사 파랑에 대한 2차원 수실(water chamber)에서 파랑 응답특성을 실험적으로 고찰하였고 기존의 부유식 진자형 발전장치에 감쇠 판을 설치하여 고유 주기를 변동 시킴과 동시에 부가저항과 감쇠력을 변화시키고 복원 판을 설치하여 복원력을 증가시켜 발전 성능 향상을 입증하였다. Hwang [7]은 수면 아래에 고정된 하단 힌지 진자 체 부이와 랙 피니언 기어 장치를 직접 수면에서 발전기를 직접 연결하여 1/25 축척 수조 모형 입증 실험을 하였다.
- Park 등 [5, 6]은 극한의 해양환경에서 생존성을 보장 할 수 있도록 부유식을 제안하였다. 상단 힌지의 부유식 진자 체 파력발전장치에 대해 수치해석 및 1/20 축척 수조의 모형실험을 하였다. 부유식 진자형 파력장치의 1차 변환 시스템인 진자형 시스템에 대한 입사 파랑에 대한 2차원 수실(water chamber)에서 파랑 응답특성을 실험적으로 고찰하였고 기존의 부유식 진자형 발전장치에 감쇠 판을 설치하여 고유 주기를 변동 시킴과 동시에 부가저항과 감쇠력을 변화시키고 복원 판을 설치하여 복원력을 증가시켜 발전 성능 향상을 입증하였다.
- 예비 실험을 통해 초기 정지 상태의 수조 안의 물의 높이는 전체 수조 높이 절반에 해당하는 150 mm 이고 플랩부이가 절반 정도 잠긴 상태에서 진자운동이 원활히 이루어졌고 설치된 조파기(180 watt)의 사양과 모형 상사 축척을 고려하여 파고(H)는 20mm, 주기(T) 는 2sec 을 기준으로 실험을 실시하였다. 플랩 부이 앞 1 m에서 조파된 파도의 속도는 0.
- Narayan 등 [4]은 2차원 수로 (channel)에서 평판 부이의 상단 힌지 진자 체를 잠함 (caisson)에 고정설치하여 수조의 모형실험을 하였다. 이때 입사 수평 파동에 대해 진자체가 좌우 왕복운동을 할 수 있도록 잠함의 후벽(back wall)을 통해 반파를 발생시켜 파의 높이와 주파수에 따라 진자 체의 토크와 회전 각도를 도출하였다. Park 등 [5, 6]은 극한의 해양환경에서 생존성을 보장 할 수 있도록 부유식을 제안하였다.
- Hwang [7]은 수면 아래에 고정된 하단 힌지 진자 체 부이와 랙 피니언 기어 장치를 직접 수면에서 발전기를 직접 연결하여 1/25 축척 수조 모형 입증 실험을 하였다. 일 방향 클러치 베어링과 랙 피니언 기어 비를 조정하면서 발전량의 상태를 고찰하여 향후 실제 천해 역에서 파력발전 가능성을 입증하였다.
- 입사파 시 상승한 무게 추의 위치에너지가 리턴 시 추가 하강하면서 복원 에너지 역할을 하는 인장력을 진자 체 상단 프레임에 가상의 인장력으로 대체하였다.
- 7은 진자체의 피치 힌지 부분을 구속 시킨 상태에서 제시된 조파를 플랩 부이에 부딪쳤을 때 힌지 축에서 발생하는 토크를 측정한 결과이다. 입사파가 부딪칠 때와 부이가 리턴할 때의 최대 토크 값을 측정하였다. 입사파에 대응하여 발생하는 토크를 positive 방향으로 설정하고 측정하였고 부이가 리턴 시 힌지 축에 부가하는 토크를 negative하여 측정하였다.
- 입사파가 부딪칠 때와 부이가 리턴할 때의 최대 토크 값을 측정하였다. 입사파에 대응하여 발생하는 토크를 positive 방향으로 설정하고 측정하였고 부이가 리턴 시 힌지 축에 부가하는 토크를 negative하여 측정하였다. 입사파에 대응하여 발생하는 토크가 훨씬 큰 것을 알 수 있다.
- 1에 표시된 바와 같다. 조파 판으로부터 안정된 파가 발생되는 3m 떨어진 위치에 상단 힌지의 고정식 진자 부유체를 부착하였고 후면에는 반파 영향을 최소화하기 위한 쇄파장치를 설치하였다. 반파의 영향을 가능한 없도록 미소량의 유량이 자동 유출 및 유입 하도록하였다.
- 진자 부유 체의 회전각, 파고, 파도 주기는 투명한 유리 측면 부착된 각도 게이지와 스케일, 조파의 에너지와 흐름에 관련된 조파의 속도는 수평 유속과 연직 유속을 측정할 수 있는 3축 전자식 유속계(ACM300-A)를 진자 부유체 1미터 앞의 파고 높이에서 측정하였고, 진자 하단 플랩 부이에서 발생되는 토크는 구속(lock) 상태의 힌지 회전축에 설치된 토크 테스터(CEDAR, DIS-IP)를 사용하였다.
이론/모형
- 3m(D) 이다. 모형실험을 위한 모형 축척은 실험조건과 외력 조건을 고려하였는데 실 해역에서 설치하려는 10kW 급 수평파력 발전장치의 원형과 모형 간에 Froude 수를 일치시키는 Froude 상사법칙의 축척을 1/25로 적용하였고 관련된 치수 및 값은 Table. 1에 표시된 바와 같다.
성능/효과
- 1) 플랩부이의 안정성 및 복원성 그리고 진자체의 고유진동수가 부이의 진자운동에 큰 영향을 준다.
- 2) 일 방향 입사파가 플랩 부이의 동적 운동에 큰 영향을 주기 때문에 복원 에너지의 개념인 인장력조정을 통해 플랩 부이의 왕복 진자운동을 효과적으로 발생시킬 수 있다.
- 그리고 작동 메카니즘이 매우 단순하여 장치 부품들의 개수가 매우 적고 유압장치들이 없어서 유지 보수의 비용 면에서 큰 장점을 가지고 있다. 그래서 본 연구에서 제시되는 해안가 발전장치는 상업화에서 요구되는 실현성(feasibility), 생존성(survivability), 신뢰성(reliability), 유지보수(maintenance) 등에서 매우 큰 장점이 있다.
- 본 논문에서 제시되는 해양의 파도는 세계적으로 널리 분포되어 있어 자원이 무한하고 예측 가능하며, 특히 에너지 밀도가 태양광과 풍력보다 상대적으로 훨씬 크기 때문에 최근 유망한 신재생에너지 원천으로 주목받고 있다.
후속연구
- 3) 다양한 조건의 수조 모형실험을 통해 파도에너지가 1차 추출장치를 통해 실제 전기 에너지로 변환될 때 각 단계별 효율이 강체 동적 해석과 입자 유체해석의 연동 시뮬레이션을 통해 직접 도출이 가능한 연구가 추가적으로 요구된다.
- 평균적으로 대략 400Pa의 압력을 나타내고 있으며 부이 면적 산출을 통해 부이에 미치는 전체 힘을 구 할 수 있다. 그리고 피칭거리를 고려한 힌지 축에서의 토크를 예측할 수 있기 때문에 제시되는 데이터는 향 후 실해역의 파력발전 장치의 설계 및 제작 시 적용 가능하다.
- 또한 유체가 플랩부이를 부딪쳐서 발생되는 힘에 의해 상단 모멘트 힌지 부분에서의 수직 및 수평 반력을 도출하였다. 수조에서 모형실험과 연동 시뮬레이션을 통해 도출된 결과는 향후 실 해역에서 진자형태의 파랑에너지 1차 추출장치를 특징으로 하는 연안가의 수평파력 발전장치를 개발 및 설치할 때 주요한 설계 데이터로 적용될 수 있다.
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