[논문]터빈 특성을 고려한 부유식 조류발전장치의 운동성능 고찰

조철희; 황수진; 박홍재; 김명주

doi:10.26748/ksoe.2018.32.6.427

Abstract ▼ AI-Helper

Tidal current power is one of the energy sources of the ocean. Electricity can be generated by converting the flow energy of the current into the rotational energy of a turbine. Unlike tidal barrage, tidal current power does not require dams, which have a severe environmental impact. A floating-type...

Tidal current power is one of the energy sources of the ocean. Electricity can be generated by converting the flow energy of the current into the rotational energy of a turbine. Unlike tidal barrage, tidal current power does not require dams, which have a severe environmental impact. A floating-type tidal current power device can reduce the expensive support and installation cost, which usually account for approximately 41% of the total cost. It can also be deployed in relatively deep water using tensioned wires. The dynamic behavior of a floater and turbine force are coupled because the thrust and moment of the turbine affect the floater excursion, and the motion of the floater can affect the incoming speed of the flow into the turbine. To maximize the power generation and stabilize the system, the coupled motion of the floater and turbine must be extensively analyzed. However, unlike pile-fixed devices, there have been few studies involving the motion analysis of a moored-type tidal current power device. In this study, the commercial program OrcaFlex 10.1a was used for a time domain motion analysis. In addition, in-house code was used for an iterative calculation to solve the coupled problems. As a result, it was found that the maximum mooring load of 200 kN and the floater excursion of 5.5 m were increased by the turbine effect. The load that occurred on the mooring system satisfied the safety factor of 1.67 suggested by API. The optimum mooring system for the floating tidal current power device was suggested to maximize the power generation and stability of the floater.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

하지만 이와 같은 연구들은 터빈에 입사하는 유속의 상대속도 변화 등을 고려하지 않아, 계류삭에 작용하는 하중을 정확히 판단할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 터빈, 부유체의 연성 효과를 고려하기 위해 부유체-터빈간의 연성 해석을 수행하였다. 조류발전은 현재 일부 선진국을 중심으로 실증연구가 이루어지고 있으며 본 연구를 통해 다루어진 부유식 조류발전장치의 경우 비교할 수 있는 관련연구가 부족하나, 풍력발전의 사례에서 부유식 고정방식을 적용함으로써 설치 및 유지보수 비용을 저감하고 발전 장치의 경제성을 확보한 사례가 있다(Kim et al.
본 연구를 통해 터빈의 동적 효과를 고려한 부유체의 거동 특성을 파악할 수 있었으며 API 기준을 만족하는 계류 시스템이 설계되었다. 연구 결과를 통해 부유식 조류발전장치의 설치 가능성을 확인하였고 추후 이루어질 실증 연구의 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
반잠수식 구조물은 외력에 대해 바지형 형태보다 안정적인 자세 유지성능으로 터빈으로 입사하는 유동의 방향을 유지시킬 수 있으며, Ballasting이 용이하여 수평유지는 물론 계류시스템에 장력을 제어할 수 있는 장점이 있고 이동 및 설치에 용이하다. 본 연구에서는 부유식 조류발전장치의 적용 가능성을 확인하는 차원에서 다양한 해양환경을 가정하였으며 특정 환경에 구조물을 최적화 시키는 것이 아닌, 보편적으로 사용되는 반잠수식 해양구조물을 대상으로 운동성능에 대한 고찰이 이루어졌다. Table 2를 통해 해석에 사용된 반잠수식 구조물의 제원을 나타내었다.
본 연구에서는 조류발전 장치개발 비용 약 41%를 차지하는 유지보수 및 지지구조 비용을 절감할 수 있는 부유식 조류발전장치 운동해석에 관한 연구가 수행되었다.

가설 설정

1MW급으로 가정한 터빈 2기와 반잠수식 구조물을 이용한 부유식 조류시스템이 구성되었다(Fig. 5). 반잠수식 구조물은 외력에 대해 바지형 형태보다 안정적인 자세 유지성능으로 터빈으로 입사하는 유동의 방향을 유지시킬 수 있으며, Ballasting이 용이하여 수평유지는 물론 계류시스템에 장력을 제어할 수 있는 장점이 있고 이동 및 설치에 용이하다.

제안 방법

본 연구에서는 터빈과 부유체의 연성해석을 위해 상대속도에 의해 추가적으로 발생하는 터빈의 추력과 모멘트를 도출하였으며, 유의파고, 첨두주기, 유속, 유향 등을 달리하여 총 18개의 Case 설정하여 각각의 환경조건에 대한 부유체의 운동 및 계류라인 안정성을 검토하였다. 또한 터빈의 동작 유무에 따른 부유체의 운동 및 계류라인에 인장력에 미치는 영향에 대해서 분석하였다.
각 유체력 계수들은 포텐셜 유동 기반의 방사/산란 문제를 통해 도출할 수 있다. 본 연구에서는 선형 포텐셜 이론 기반의 상용 프로그램인 Wadam으로부터 구조물의 유체력 계수를 도출하였다. 또한 h(t-τ)는 전달함수로서 Convolution 적분을 통해 시간 영역에서의 부유체의 거동 기억 효과를 고려할 수 있다.
본 연구에서는 터빈과 부유체의 연성해석을 위해 상대속도에 의해 추가적으로 발생하는 터빈의 추력과 모멘트를 도출하였으며, 유의파고, 첨두주기, 유속, 유향 등을 달리하여 총 18개의 Case 설정하여 각각의 환경조건에 대한 부유체의 운동 및 계류라인 안정성을 검토하였다. 또한 터빈의 동작 유무에 따른 부유체의 운동 및 계류라인에 인장력에 미치는 영향에 대해서 분석하였다.
이는 높은 조수간만의 차와 병목현상을 유발하는 섬지형 등이 요구되기 때문인데, 이러한 환경의 특성을 고려하고 보다 실질적인 연구결과를 도출하기 위해 천해조건 및 Wave spectrum을 적용하여 다양한 주기의 파도가 복합적으로 작용하는 해석 환경을 부여하였다. 불규칙한 파고와 파주기 및 다양한 유속의 조류가 복합적으로 작용하는 환경에서 터빈과 부유체의 연성 운동 경향을 파악하기 위해 유의파고, 첨두주기, 해양 외력의 작용 방향 등을 구분하여 아래와 같이 18개의 Load case를 산정하였다(Table 1).
이를 고려하기 위해 해석이 진행된 후, 부유체 거동으로 인해 발생한 터빈에서의 상대유속(U_R)을 도출하고 상응하는 터빈 하중을 계산하여 초기값을 통해 계산된 하중과의 오차를 파악한다. 오차율을 만족하지 못하면 마지막 해석에서 터빈 하중을 발생시킨 유속을 이용하여 재해석이 진행되며 본 연구에서는 속도의 시간 평균을 활용하여 2%의 오차율을 적용하였다.
5m/s로, 국내에선 서남해안에서 제한적으로 발전 가능한 최소 유속이 발생하고 있다. 이는 높은 조수간만의 차와 병목현상을 유발하는 섬지형 등이 요구되기 때문인데, 이러한 환경의 특성을 고려하고 보다 실질적인 연구결과를 도출하기 위해 천해조건 및 Wave spectrum을 적용하여 다양한 주기의 파도가 복합적으로 작용하는 해석 환경을 부여하였다. 불규칙한 파고와 파주기 및 다양한 유속의 조류가 복합적으로 작용하는 환경에서 터빈과 부유체의 연성 운동 경향을 파악하기 위해 유의파고, 첨두주기, 해양 외력의 작용 방향 등을 구분하여 아래와 같이 18개의 Load case를 산정하였다(Table 1).
하지만 부유체의 운동으로 인해 터빈으로 입사하는 유속은 달라지고 발생하는 추력과 모멘트 역시 변화한다. 이를 고려하기 위해 해석이 진행된 후, 부유체 거동으로 인해 발생한 터빈에서의 상대유속(U_R)을 도출하고 상응하는 터빈 하중을 계산하여 초기값을 통해 계산된 하중과의 오차를 파악한다. 오차율을 만족하지 못하면 마지막 해석에서 터빈 하중을 발생시킨 유속을 이용하여 재해석이 진행되며 본 연구에서는 속도의 시간 평균을 활용하여 2%의 오차율을 적용하였다.

대상 데이터

시간 영역 운동해석은 80m 수심을 대상으로 이루어졌으며 유의파고 최대 6m의 ISSC(International ship and offshore structure congress) 스펙트럼 및 Power law 조류 프로파일이 사용되었다(Fig. 4). 경제적으로 조류발전을 적용할 수 있는 최소 유속은 통상 약 1.

이론/모형

Table 2를 통해 해석에 사용된 반잠수식 구조물의 제원을 나타내었다. OrcaFlex 상에서 제공하는 6D Buoy 모델을 이용하여 터빈을 구현하였으며, Matlab 코드를 이용하여 산정된 추력 및 모멘트를 작용 외력으로 사용하므로 항력과 양력 계수는 고려하지 않았다.
계류 해석에는 상용 프로그램인 OrcaFlex 10.1a가 사용되었으며, 시간영역 해석을 위한 부유체 운동 방정식은 식 (1)과 같다(Cummins, 1962).
설계된 조류발전장치의 운동해석을 통해 얻어진 계류 체인 발생 하중을 API RP 2SK(Design and analysis of station-keeping for floating structures)를 이용하여 검증하였다(API, 2015). 설계 규정에서 제시하는 최소 계류 체인 안전계수는 Table 5와 같이 Intact condition에서 Dynamic 해석 방법을 사용했을 때 1.
본 연구에서는 조류발전 장치개발 비용 약 41%를 차지하는 유지보수 및 지지구조 비용을 절감할 수 있는 부유식 조류발전장치 운동해석에 관한 연구가 수행되었다. 약 2만 5천톤의 반잠수식 구조물에 1MW급 조류발전 2기를 장착하여 진행된 운동해석과 계류 설계가 이루어졌으며 부유체 거동에 따른 상대 유속 증가를 고려하기 위해 작성된 Matlab 코드가 활용되었다.
터빈과 부유체 운동의 연성효과를 고려하기 위해 Matlab을 이용한 OrcaFlex 구동 알고리즘을 구성하였다(Fig. 3). V₀는 조류와 파도에 의한 터빈으로 입사되는 초기 유속이며, 해양 환경력이 같은 방향으로 입사하는 보수적인 조건을 고려하였으므로 조류속(U_c)와 파입자의 수평속도(U_w)를 단순 합산하였다.

성능/효과

7m로 확인되었다. 계류시스템은 64mm Studless R4 grade 계류체인 12개를 이용하여 구현하였고, Case 18에서 1.82의 최소 안전 계수를 확보했으며 이는 API(American Petroleum Institute)에서 제시하는 설계 안전 계수 1.67을 상회하는 값이다.
m로 계류 체인 하중 1,903kN에 대해 터빈을 고려하지 않았을 때보다 약 200kN의 인장 하중을 증가시키는 것으로 확인되었다. 또한 터빈은 부유체의 거동 반경을 약 53% 증가시켰으며 최대 거동 반경은 약 11.7m로 확인되었다. 계류시스템은 64mm Studless R4 grade 계류체인 12개를 이용하여 구현하였고, Case 18에서 1.
해석 결과, 터빈 하중 최대값은 조류 및 파도가 터빈과 수직으로 입사하는 Case 9에서 발생했지만, 가장 강한 계류 체인 하중은 조류와 파도가 In-line condition으로 작용하는 Case 18에서 발생하였다. 터빈 최대 추력 및 모멘트는 약 864.4kN 및 약 564.1kN.m로 계류 체인 하중 1,903kN에 대해 터빈을 고려하지 않았을 때보다 약 200kN의 인장 하중을 증가시키는 것으로 확인되었다. 또한 터빈은 부유체의 거동 반경을 약 53% 증가시켰으며 최대 거동 반경은 약 11.
파도와 조류를 포함하는 유속에 부유체 운동으로 발생하는 상대 속도를 고려한 터빈 추력과 모멘트 평균값을 Table 3에 나타냈다. 터빈발생하중은 작용하는 유속의 제곱에 비례하여 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며 최대 추력 및 모멘트는 864.4kN 및 564.1kNm로 강한 조류와 파도가 터빈과 수직으로 작용하는 Case 9에서 발생하였다.
7m로 Case 9에서 발생하였다. 터빈으로 입사하는 유속의 영향으로 인해 발생 추력과 모멘트의 크기가 증가한 영향으로 확인되며, 이 때 터빈 하중으로 인한 거동 반경 증가량은 약 5.5m로, 터빈을 고려하지 않았을 때보다 약 53%의 거동이 증가했다.
해석 결과, 터빈 하중 최대값은 조류 및 파도가 터빈과 수직으로 입사하는 Case 9에서 발생했지만, 가장 강한 계류 체인 하중은 조류와 파도가 In-line condition으로 작용하는 Case 18에서 발생하였다. 터빈 최대 추력 및 모멘트는 약 864.

후속연구

본 연구를 통해 터빈의 동적 효과를 고려한 부유체의 거동 특성을 파악할 수 있었으며 API 기준을 만족하는 계류 시스템이 설계되었다. 연구 결과를 통해 부유식 조류발전장치의 설치 가능성을 확인하였고 추후 이루어질 실증 연구의 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다. 특히 부유식 고정 방식을 적용한 조류발전장치에 관한 연구는 개발비용의 상당부분을 차지하는 설치 및 유지보수 비용을 대폭 절감시켜 발전 단가를 경제적인 수준으로 저감시키고 조류발전의 상용화에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.
연구 결과를 통해 부유식 조류발전장치의 설치 가능성을 확인하였고 추후 이루어질 실증 연구의 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다. 특히 부유식 고정 방식을 적용한 조류발전장치에 관한 연구는 개발비용의 상당부분을 차지하는 설치 및 유지보수 비용을 대폭 절감시켜 발전 단가를 경제적인 수준으로 저감시키고 조류발전의 상용화에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조류발전이란 무엇인가?	조류발전은 조수간만 차로 발생하는 강한 유동 에너지를 터빈의 기계적 회전에너지로 변환하여 전력을 생산하는 해양 재생에너지의 한 종류이다. 정확한 발전량을 예측이 용이하며 댐과 같은 대형 구조물이 필요 없어 기존 생태 환경에 미치는 영향이 매우 적다는 장점이 있다.
	조류발전의 장점은 무엇인가?	조류발전은 조수간만 차로 발생하는 강한 유동 에너지를 터빈의 기계적 회전에너지로 변환하여 전력을 생산하는 해양 재생에너지의 한 종류이다. 정확한 발전량을 예측이 용이하며 댐과 같은 대형 구조물이 필요 없어 기존 생태 환경에 미치는 영향이 매우 적다는 장점이 있다.
	전통적인 방식의 조류발전 시스템의 문제점은 무엇인가?	기존의 조류발전장치는 대부분 파일 및 자중 고정식을 사용하였다. 하지만 전통적인 방식의 조류발전 시스템은 지지구조물과 설치비용이 전체의 약 41%를 차지해 실증 연구와 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다(Fig. 1).

참고문헌 (10)

American Petroleum Institute(API), 2005. Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structure. RP-2SK, 3dr Edition.
Det Norske Veritas(DNV), 2012. DNV OS-C101 Design of Offshore Steel Sturctures, General. Det Norske Vertias.
Cummins, W., 1962. The Impulse Response Function and Ship Motions. David Taylor Model Basin Washington DC.
Kim, H.J., Han S.O., Choung, J.M., 2015. A Study on Effect of Aerodynamic Loads on Mooring Line Responses of a Floating Offshore Wind Turbine. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(1), 43-51.

원문보기 상세보기
Fu, S., Johnstone, C., 2017. Evaluating the Dynamic of Tension Mooring Supported Tidal Turbines. Proceedings of The 12th European Wave and Tidal Energy Conference.
Jeffcoate P., Fiore, F., O'Farrell, E., Starzmann, R., Bischof, S., 2016. Comparison of Simulations of Taut-Moored Platform PLAT-O Using ProteusDS with Experiments. Proceedings of AWTEC.
Jo, C.H., Lee, K.H., Cho, S.J., Goo, C.H., 2015a. Performance of the Duct Implemented in Single Point Moored TCP System with Various Diffuser Angles. Proceedings of Korean Association of Ocean Science and Technology Societies Conference, Jeju Korea.
Jo, C.H., Rho, Y.H., Kim, D.Y., Kim, M.J., 2015b. Dynamic Response of Single Point Mooring Tidal Energy Converter with Various Duct Configurations. Proceedings of The Korean Society for New and Renewable Energy.
Jo, C.H., Park, H.J., Cho, B.K., Kim, M.J., 2017. Investigation of Motion of Single Point Moored Duct-type TCP System by Both Numerical and Experimental Method. Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 28(2), 212-219.
Vazquez, A., Lhlesias, G., 2016. Capital Cost in Tidal Stream Energy Projects - A Spatial Approach. Energy, 107, 215-226.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

터빈 특성을 고려한 부유식 조류발전장치의 운동성능 고찰
Dynamic Behavior of Floating Tidal Current Power Device Considering Turbine Specifications 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

터빈 특성을 고려한 부유식 조류발전장치의 운동성능 고찰 Dynamic Behavior of Floating Tidal Current Power Device Considering Turbine Specifications 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

조철희 (43) 황수진 (10) 박홍재 (1) 김명주 (3)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

터빈 특성을 고려한 부유식 조류발전장치의 운동성능 고찰
Dynamic Behavior of Floating Tidal Current Power Device Considering Turbine Specifications 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper