진동 수주형 축대칭 부유식 파력발전장치의 성능평가 Performance Evaluation of an Axisymmetric Floating Wave Power Device with an Oscillating Water Column in the Vertical Cylinder원문보기
축대칭 진동수주형 부유식 파력발전의 성능을 평가하기 위하여 PTO를 고려한 선형화된 자유수면경계조건을 유도하여 유한요소 수치모델을 수립하였다. 발전효율에 영향을 미칠 것으로 판단되는 동력인출장치(PTO)가 설치되는 실린더내 수주의 공진현상과 부유체의 heave 공진현상에 직접적으로 영양을 줄 수 있는 설계변수인 실린더 및 스커트 길이, 그리고, 수심을 변화시키며 수치실험을 실시하여 발전시스템의 최적설계에 필요한 기초 자료를 확보하였다. 연구결과, 발전시스템의 효율은 실린더내 진동수주의 공진보다는 부유체의 heave 운동 공진에 지배되며, 부이 외측에 스커트를 부착함으로써 효율적으로 공진조건을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
축대칭 진동수주형 부유식 파력발전의 성능을 평가하기 위하여 PTO를 고려한 선형화된 자유수면경계조건을 유도하여 유한요소 수치모델을 수립하였다. 발전효율에 영향을 미칠 것으로 판단되는 동력인출장치(PTO)가 설치되는 실린더내 수주의 공진현상과 부유체의 heave 공진현상에 직접적으로 영양을 줄 수 있는 설계변수인 실린더 및 스커트 길이, 그리고, 수심을 변화시키며 수치실험을 실시하여 발전시스템의 최적설계에 필요한 기초 자료를 확보하였다. 연구결과, 발전시스템의 효율은 실린더내 진동수주의 공진보다는 부유체의 heave 운동 공진에 지배되며, 부이 외측에 스커트를 부착함으로써 효율적으로 공진조건을 변화시킬 수 있음을 확인하였다.
In order to evaluate the performance of the floating wave power, which is an axisymmetric oscillating water column type, linearized free surface boundary condition considering the influence of PTO (power takeoff) was derived and a finite element numerical model was established. Numerical experiments...
In order to evaluate the performance of the floating wave power, which is an axisymmetric oscillating water column type, linearized free surface boundary condition considering the influence of PTO (power takeoff) was derived and a finite element numerical model was established. Numerical experiments were carried out by varying cylinder length, skirt length, and depth of water, which are design parameters that can change the resonance of water column in cylinder and heave resonance of the float, which is considered to affect the power generation efficiency. Finally, the basic data necessary for the optimum design of the power generation system were obtained. As a result, the efficiency of the power generation system is dominated by the heave motion resonance of the float rather than the water column resonance in the cylinder, and the resonance condition for the heave motion can be changed efficiently by attaching the skirt to the outside of the buoy.
In order to evaluate the performance of the floating wave power, which is an axisymmetric oscillating water column type, linearized free surface boundary condition considering the influence of PTO (power takeoff) was derived and a finite element numerical model was established. Numerical experiments were carried out by varying cylinder length, skirt length, and depth of water, which are design parameters that can change the resonance of water column in cylinder and heave resonance of the float, which is considered to affect the power generation efficiency. Finally, the basic data necessary for the optimum design of the power generation system were obtained. As a result, the efficiency of the power generation system is dominated by the heave motion resonance of the float rather than the water column resonance in the cylinder, and the resonance condition for the heave motion can be changed efficiently by attaching the skirt to the outside of the buoy.
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문제 정의
이 두공진조건을 적절히 조화하여 설계한다면 발전효율을 극대화할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 형상변화를 통화여 이 두 공진조건이 어떻게 변하는지와 발전효율에는 어떤 영향을 주는지를 알아 보기 위하여 Table 1에 보인 바와 같은 다양한 구조형상에 대하여 수치해석을 실시하였다. Case 1은 PTO 공기터빈이 설치되는 실린더의 길이(흘수심)를 변화시켜 진동수주의 공진조건을 변화시킨 것이고, Case 2는 부유체 하단에 스커트를 둠으로써 부유체의 공진조건을 변화시킨 것이고, Case 3은 이 둘을 병합한 것이다.
가설 설정
- 축대칭 진동수주형 부유식 발전시스템의 효율은 실린더내 진동수주의 공진보다는 부유체의 heave 운동 공진이지배적인 역할을 한다.
2에서 rB는 부이 반지름, df는 부이 흘수 Is는 스커트 길이, lc는 실린더 길이를 나타낸다. 에너지 변환효율을 해석하기 위하여, 유체를 비압축성, 비점성임을 가정하고, 비회전류이며, 입사파고가 충분히 작다는 가정을 하는 선형포텐셜이론을 채택하였다. 즉, 유동장은 다음과 같이 Laplace방정식을 만족하는 속도포텐셜, Φ로 나타낼 수 있으며,
제안 방법
이러한 현상을 효율적으로 고려하기 위하여 Koo et al.(2010)이 제시한 비선형 운동학적 조건과 동역학적 조건을 다음과 같이 선형화하여 적용하였다.
2까지 변화시켜가며 실시하였다. PTO가 공진에 미치는 영향에 대하여 살펴보기 위하여 PTO가 설치되지 않은 경우(Cdm =0)에 대한 해석도 병행하였다.
공진시 응답이 적정 수준으로 제한시키기 위하여 부유체 운동 및 실린더내 수위의 변동에 인위적으로 감쇠를 부가하였다. 부유체의 surge 및 heave 운동 감쇠는 heave 운동의 임계감쇠의 10%를, pitch 운동은 pitch 임계감쇠의 25%를 적용하였다.
유동장은 등매개변수 요소로 이산화하였으며, 무한원방에서의 방사경계조건은 무한요소로 모델링하였다. 구조물의 축대칭성을 이용하여 속도포텐셜을 Fourier 급수로 표시함으로써 3차원 문제를 2차원 문제로 변환하여 수치해석을 간편화하였다(Park et al., 1989).
12 참조). 다른 케이스의 경우도 같은 결과를 주는지는 여부는 확인해 보아야 하지만, 유사할 것으로 판단되어 최적의 Cdm은 3,500으로 설정하고 수치실험을 수행하였다.
(1989)이 개발한 유한요소모델에 반영하여 수치모델을 수립하였다. 발전시스템의 최적설계에 필요한 기초 자료를 확보하기 위하여 발전효율에 영향을 미칠 것으로 판단되는 PTO가 설치되는 실린더내 수주의 공진현상과 부유체의 heave 공진현상에 변화를 줄 수 있는 설계변수를 변화시키며 수치실험을 실시하였다. 수치실험을 통하여 도출된 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
공진시 응답이 적정 수준으로 제한시키기 위하여 부유체 운동 및 실린더내 수위의 변동에 인위적으로 감쇠를 부가하였다. 부유체의 surge 및 heave 운동 감쇠는 heave 운동의 임계감쇠의 10%를, pitch 운동은 pitch 임계감쇠의 25%를 적용하였다. 실린더내 수위 감쇠를 위해서 유체의 점성계수 ν를 300으로 설정하였다(Case 1에서 실린더 길이 3m일 때 실린더내 수위증폭을 입사파고의 4배 이내로 제한).
수치해석은 무차원주파수(ω2rB/g)를 0.02~1.2까지 변화시켜가며 실시하였다.
유한요소법을 이용하여 진동수주형 축대칭 부유식 파력발전 장치의 성능평가를 효율적으로 수행하기 위하여 선형포텐셜 이론을 적용하였으며, PTO의 영향을 고려하기 위하여 추출 에너지를 고려한 자유수면 경계조건을 도출하여 적용하였다. 유동장은 등매개변수 요소로 이산화하였으며, 무한원방에서의 방사경계조건은 무한요소로 모델링하였다. 구조물의 축대칭성을 이용하여 속도포텐셜을 Fourier 급수로 표시함으로써 3차원 문제를 2차원 문제로 변환하여 수치해석을 간편화하였다(Park et al.
특히, heave 방향의 부가질량이 증대되어 heave 공진조건이 변화를 일으킨다. 이러한 현상을 살펴보고 발전시스템의 최적설계를 위하여 PTO가 없는 경우와 있는 경우로 구분하여 수치실험을 실시하였다.
파고가 ζa이고 진동수가 ω인 정현파가 수심 d에 위치한 연직 축대칭 진동수주형 부유식 파력발전 구조물에 입사할 경우를 검토하였다.
대상 데이터
Case 4는 수심의 영향을 살펴보기 위한 것이다. 본 수치해석에서는 계류시스템의 영향을 배제한 자유부유(free floating)된 경우를 대상으로 하였다.
, 2006; JODCA, 2006; Joao, 2008; Lee, 2014). 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 일본에서 등부표에 활발히 실용화를 추진하고 있는 부유식 진동수주형을 대상으로 하였다.
이론/모형
구조물의 축대칭성을 이용하여 3차원 문제를 2차원 문제로 단순화하여 푸는 Park et al.(1989)이 개발한 수치모델을 이용하였다. 식(6)의 실린더 내의 자유수면 경계조건을 고려할 수도 있도록 기존 모델을 확장하여 적용하였다.
축대칭 진동수주형 부유식 발전시스템의 성능을 평가하기 위하여 PTO 영향을 고려한 선형화된 자유수면경계조건을 유도하였으며, 이를 Park et al.(1989)이 개발한 유한요소모델에 반영하여 수치모델을 수립하였다. 발전시스템의 최적설계에 필요한 기초 자료를 확보하기 위하여 발전효율에 영향을 미칠 것으로 판단되는 PTO가 설치되는 실린더내 수주의 공진현상과 부유체의 heave 공진현상에 변화를 줄 수 있는 설계변수를 변화시키며 수치실험을 실시하였다.
(2012)은 부유식 진동수주형 파력발전기(BBDB)의 유체 동역학적 성능 실험 연구를 수행하였다. 수치적 성능해석에는 경계요소법(Koo et al., 2010, 2012; Kim et al., 2012)과 유한요소법이 주로 사용되는데(Kyoung et al., 2006; Seo et al., 2016), 본 연구에서는 구조해석과 직접적으로 연계가 가능한 유한요소법을 채택하였다.
식(1)~(6)으로 주어지는 경계치 문제를 풀기 위하여 유한요소법을 이용하였다. 구조물의 축대칭성을 이용하여 3차원 문제를 2차원 문제로 단순화하여 푸는 Park et al.
유한요소법을 이용하여 진동수주형 축대칭 부유식 파력발전 장치의 성능평가를 효율적으로 수행하기 위하여 선형포텐셜 이론을 적용하였으며, PTO의 영향을 고려하기 위하여 추출 에너지를 고려한 자유수면 경계조건을 도출하여 적용하였다. 유동장은 등매개변수 요소로 이산화하였으며, 무한원방에서의 방사경계조건은 무한요소로 모델링하였다.
성능/효과
최고의 효율을 주는 PTO를 고려하여 수치실험을 하기 위하여, 실린더 길이 3m의 Case 1을 대상으로 하여 Cdm을 변화시키며 해석한 결과, 최적의 Cdm을 도출하였다(Cdm =3,500일 때 최대 효율 12.4%, Fig. 12 참조). 다른 케이스의 경우도 같은 결과를 주는지는 여부는 확인해 보아야 하지만, 유사할 것으로 판단되어 최적의 Cdm은 3,500으로 설정하고 수치실험을 수행하였다.
후속연구
본 논문에서 도출한 결과는 향후 고정도의 수치해석 결과와의 비교 등을 통해 검증할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파랑에너지를 이용하는 파력발전의 특징은 무엇인가?
파랑에너지는 조석에너지 및 조류에너지와 함께 대표적인 해양에너지원 중의 하나로 꼽힌다. 파랑에너지를 이용하는 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로써 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지이다. 발전 방식은 작동 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로, 설치형태에 따라서는 착저식과 부유식으로 구분된다(Ryu et al.
파랑에너지는 무엇인가?
파랑에너지는 조석에너지 및 조류에너지와 함께 대표적인 해양에너지원 중의 하나로 꼽힌다. 파랑에너지를 이용하는 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로써 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지이다.
파력발전의 발전 방식은 어떻게 구분되는가?
파랑에너지를 이용하는 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로써 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지이다. 발전 방식은 작동 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로, 설치형태에 따라서는 착저식과 부유식으로 구분된다(Ryu et al., 2006; JODCA, 2006; Joao, 2008; Lee, 2014).
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