[논문]한국 해안에서 유동유발진동 현상을 이용한 조류에너지 발전기술의 이론적 연간 발전량 산정연구

김은수; 오광명; 박홍래

doi:10.5855/energy.2019.28.1.065

초록
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한국정부는 재생에너지를 이용한 발전량 비중을 2030년까지 총 발전량의 20%까지 높이겠다는 목표를 제시하였다. 풍부한 해양 신재생에너지 자원은 한국정부가 이 목표를 달성하는데 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. 이 논문은 1.0 m/s의 낮은 유속에서도 높은 효율을 달성할 수 있는 유동유발진동 현상을 이용한 조류에너지 발전기술을 소개하고 한국 7개 해안의 평균유속을 바탕으로 높은 효율을 달성할 수 있는 유동유발진동 발전기의 최적 설계를 제안하고자 한다. 또한, 이를 바탕으로 각 해안에서 발전할 수 있는 이론적 잠재량을 산정하고자 한다. 유동유발 발전기술을 이용한 연간 이론적 최대발전량은 221.77 TWh로 예측되었고 이는 2013년 한국의 총 전력소비량의 42.3%에 해당한다. 본 연구결과는 유동유발진동을 이용한 발전기술을 이용한 조류발전기술이 한국 정부가 제시한 목표를 달성하는데 중요한 역할을 할 수 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Korean government is aiming to produce 20% of the electricity using renewable energy sources by 2030. Ocean renewable energy sources which are abundant in South Korea can do an important role to achieve the goal. This paper introduces a tidal current energy converter utilizing flow induced vibra...

The Korean government is aiming to produce 20% of the electricity using renewable energy sources by 2030. Ocean renewable energy sources which are abundant in South Korea can do an important role to achieve the goal. This paper introduces a tidal current energy converter utilizing flow induced vibrations which can efficiently work even in the currents slower than 1.0m/s and suggests optimal designs of the tidal energy converter based on speeds of the tidal currents in seven different coastal regions in South Korea. Moreover, the theoretical annual energy production by the tidal converter is estimated at theses costal areas. The total amount of the annual energy production by the tidal energy converter is predicted as 221.77 TWh which is equivalent to 42.3% of the electric consumption of South Korea in 2013. The result shows that the tidal current energy converter can be an important role to achieve the goal of the Korean government.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Concept design of VIVACE (courtesy of Vortex Hydro Energy Inc.)
표 Table 1. Averaged power density and averaged flow velocity by regions
그림 Fig. 2. Division of South Korean coasts (left) and distribution of devices and an area occupied by each device (right) (reproduced from Jo et al., 2016[11])
표 Table 2. Optimal diameter and length of a circular cylinder by regions
그림 Fig. 3. Power efficiency curve (left, reproduced from Kim and Bernitsas, 2016[6]) and top view of configuration of cylinder array (right)
그림 Fig. 4. Artist’s renditions of a tidal current energy converter utilizing flow induced vibration
표 Table 3. Estimation of theoretical potential of the annual energy production by regions

AI 본문요약
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문제 정의

[5, 6, 12] 유동유발진동을 이용한 발전기술은 시스템의 용수철 계수와 진동하는 시스템 전체의 질량 그리고 발전기의 제어방법 등도 효율에 중요한 영향을 미치지만, 이에 선행하여 유동유발진동 현상을 극대화할 수 있는 원형실린더의 설계와 실린더들의 배열의 최적화가 이뤄져야한다. 그래서 본 연구에서는 유동유발진동에 관한 선행연구결과와 국내 지역별 평균유속을 바탕으로 유동유발진동 발전설비에 사용될 원형실린더의 직경과 길이 그리고 실린더 배열에 관한 최적설계를 진행하였다.
본 연구에서는 원형실린더에서 발생하는 유동유발진동을 이용하여 조류의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 소개하고자 한다. 또한, 우리나라 7개 해양영역의 이론적 조류에너지 잠재량과 평균유속을 바탕으로 유속이 1.0 m/s 이하인 해안에서 조류에너지 변환효율을 최대화할 수 있는 유동유발진동(Flow Induced Vibration) 발전설비의 설계안을 제안하고 연간발전량을 예측하고자 한다.
본 연구에서 사용된 국내 지역별 평균 조류일률 밀도와 평균 유속 산정은 국내해양조사원의 조류관측자료와 해수유동 수치모의자료를 이용하여 서남해안 조류에너지 잠재량을 산정한 선행연구의 연구 결과를 바탕으로 계산하였다.[9-11] 선행연구에서는 행정구역을 기반으로 Fig.
현재까지 조류에너지를 이용한 다양한 발전기술이 연구되고 있지만 대부분 풍력발전에 사용되는 수평축 터빈이나 수직축 터빈을 바다나 강에 적용하기 위한 연구가 주를 이뤄왔다. 본 연구에서는 원형실린더에서 발생하는 유동유발진동을 이용하여 조류의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술을 소개하고자 한다. 또한, 우리나라 7개 해양영역의 이론적 조류에너지 잠재량과 평균유속을 바탕으로 유속이 1.
본 연구에서는 조류의 유속이 1.0 m/s로 낮은 해안에서도 기대효율 30%정도의 발전효율을 달성할 수 있는 유동유발진동을 이용한 조류에너지 발전기술을 소개하였다. 또한, 이 발전기술을 우리나라 7개 해안지역에 적용하였을 경우 지역별로 발전효율을 최대화 할 수 있는 유동유발발전기의 최적설계를 제안하였다.
미국 미시간대학 MRELab의 연구진은 유동유발진동을 이용하여 조류에너지 변환효율을 높일 수있는 방법에 관한 많은 선행연구를 진행하여 왔다. 이를 통해 낮은 유속에서도 높은 효율을 올릴 수 있는 방법을 개발하였다.[5, 6, 12] 유동유발진동을 이용한 발전기술은 시스템의 용수철 계수와 진동하는 시스템 전체의 질량 그리고 발전기의 제어방법 등도 효율에 중요한 영향을 미치지만, 이에 선행하여 유동유발진동 현상을 극대화할 수 있는 원형실린더의 설계와 실린더들의 배열의 최적화가 이뤄져야한다.

가설 설정

0 m/s보다 낮은 유속에도 높은 효율을 유지할 수 있다.[5] 두 발전방식 중 해안의 유속에 따라 적합한 발전기술을 적용하면 조류에너지 이용률을 획기적으로 높일 수 있을 것이다.
바닷물의 밀도 ρ=1,026 kg/m3 로 가정하였다.
[9] 본 연구에서는 이론적 최대 연간발전 잠재량 산정을 위해 지역별 설치가능 면적을 이론적 설치가능 면적비율 44%를 일괄적으로 적용하였다. 발전설비의 연간 이용률 K_u또한 터빈형 조류발전기의 연간발전량에 관한 선행연구[9]에서 제시한 30%로 동일하게 가정하였다.

제안 방법

3 오른쪽 배치도와 같이 4개의 원형실린더가 5D 간격으로 직렬로 배열되도록 하였으며, ReD=76,000에서의 진동폭 ymax<1.5D [6, 12]를 고려 하여 총 40개의 원형실린더가 단일 발전기에 포함되도록 설계하였다.
원형실린더의 길이 L은 실린더 양끝에서 발생되는 난류의 영향을 최소화하고 양력을 최대화할 수 있는 7<#<45 범위에서 결정하는 것이 좋다.[13, 14], 본 연구에서는 구조적 안정성을 고려하여 원형실린더의 길이를 L=₂₀D로 결정하였다. Table 2는 지역별 평균유속에 따른 최적화된 원형실린더 직경과 길이를 계산한 결과를 보여준다.
우리나라 해안에서 운하, 군사작전지역, 어업지역, 해안보존지역, 해상케이블 설치지역 등을 포함한 발전설비가 설치 제한된 이론적 면적비율은 전체 해안면적의 56%이다.[9] 본 연구에서는 이론적 최대 연간발전 잠재량 산정을 위해 지역별 설치가능 면적을 이론적 설치가능 면적비율 44%를 일괄적으로 적용하였다. 발전설비의 연간 이용률 K_u또한 터빈형 조류발전기의 연간발전량에 관한 선행연구[9]에서 제시한 30%로 동일하게 가정하였다.
0 m/s로 낮은 해안에서도 기대효율 30%정도의 발전효율을 달성할 수 있는 유동유발진동을 이용한 조류에너지 발전기술을 소개하였다. 또한, 이 발전기술을 우리나라 7개 해안지역에 적용하였을 경우 지역별로 발전효율을 최대화 할 수 있는 유동유발발전기의 최적설계를 제안하였다. 최적화된 유동유발진동을 이용한 발전설비를 이용하여 7개 해안지역에 기대되는 이론적 최대 설비용량은 80.
본 연구에서는 발전량 예측의 정확성을 높이기 위해 전기발전기의 일반적 효율인 85%를 적용하였고, Fig. 3과 같이 원형실린더 실제적 이격간격을 바탕으로 면적(3.0DL) 유체의 일률을 적용하여 기대효율 ηa을 산정하였다.
지역별 평균유속에 따라 최적 설계된 원형실린더를 적용한 유동유발진동 발전기의 연간 생산 가능한 발전량을 예측하였다.

이론/모형

에너지환산계수 ∫는 International Energy Agency 와 Statistical Office of the European Communities의 정의에 따라 11.63을 적용하였다.

성능/효과

특히, 서남해안을 포함한 일부 해협은 조류의 속도가 빨라 조류에너지 발전에 적합한 여건을 가지고 있다.[1] 공기에 비해 밀도가 약 850배나 큰 해수를 이용하는 조류에너지는 풍력에너지에 비해 에너지 밀도가 높고 날씨와 계절의 영향을 많이 받지 않아 발전량 예측에 용이하기 때문에 풍력과 태양광 에너지원의 간헐성 문제 또한 극복할 수 있다.
본문의 2절에서 논의되었듯이 유속이 70,000 <ReD<90,000 영역에서 유동유발진동을 이용한 발전방식은 유동간섭현상으로 인한 유발유동현상이 강화되어 효율이 최대 44.3%에 이를 수 있다는 선행연구 결과들을[4, 5] 바탕으로 유속이 낮은 지역에서는 유동유발진동을 이용한 발전방식을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
또한, 이 발전기술을 우리나라 7개 해안지역에 적용하였을 경우 지역별로 발전효율을 최대화 할 수 있는 유동유발발전기의 최적설계를 제안하였다. 최적화된 유동유발진동을 이용한 발전설비를 이용하여 7개 해안지역에 기대되는 이론적 최대 설비용량은 80.96 GW이며, 연간 최대 발전량은 221.77 TWh로 예측되었다. 이는 2013년의 우리나라 총 소비전력의 42.

후속연구

이번 연구에서는 기술의 경제적 관점에 관한 고려가 되지 않은 한계가 있다. 유동유발진동 조류발전기술과 다른 신재생에너지 기술의 경제성 측면에서 비교가 이루어질수 있도록 추가 연구를 진행할 예정이다.
3%에 달한다. 유속에 따라 우리나라 해안에 터빈형 조류발전기술과 유동 유발진동 조류발전기술을 유속과 해안의 지형적 특성에 따라 적절하게 적용한다면 조류에너지는 우리나라 신재생에너지의 발전비중 증가에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구에서는 기술의 경제적 관점에 관한 고려가 되지 않은 한계가 있다.
조류에너지 발전기술은 태양광이나 풍력발전의 간헐성 문제를 극복하고 안정적으로 전력을 생산할 수 있으므로 재생에너지 발전비중을 높이는 데 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유동유발발전기의 최적설계를 통한 기대효과는 무엇이 있는가?	3%에 달한다. 유속에 따라 우리나라 해안에 터빈형 조류발전기술과 유동 유발진동 조류발전기술을 유속과 해안의 지형적 특성에 따라 적절하게 적용한다면 조류에너지는 우리나라 신재생에너지의 발전비중 증가에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구에서는 기술의 경제적 관점에 관한 고려가 되지 않은 한계가 있다.
	유동유발진동이란 무엇인가?	유동유발진동은 구조물을 지나는 유동이 구조물에 주기적인 힘을 작용하여 발생하는 현상으로 이과정에서 유동에너지가 구조물의 진동에너지로 변환된다. 구조물의 진동에너지가 충분히 소산되지 않을 경우 1940년 바람에 의해 붕괴된 미국의 Tacoma Narrows Bridge 사례와 같이 구조물을 파괴에 이르게도 할 수 있다.
	조류에너지가 풍력과 태양광 에너지원의 간헐성 문제를 극복할 수 있는 이유는?	특히, 서남해안을 포함한 일부 해협은 조류의 속도가 빨라 조류에너지 발전에 적합한 여건을 가지고 있다.[1] 공기에 비해 밀도가 약 850배나 큰 해수를 이용하는 조류에너지는 풍력에너지에 비해 에너지 밀도가 높고 날씨와 계절의 영향을 많이 받지 않아 발전량 예측에 용이하기 때문에 풍력과 태양광 에너지원의 간헐성 문제 또한 극복할 수 있다.

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