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문제 정의
- 특히 터빈 블레이드와 연결되는 발전기의 전기적 출력을 측정하여 실질적인 발전 성능 분석에 대한 체계적인 분석이 필요하다. 본 연구에서는 해수의 유속에 따른 유동장 내 쉬라우드 조류발전 시스템의 성능분석을 위하여 회류수조를 이용한 축소모형실 험을 수행하였다. 이를 위해 수조 내 발전장치에 연결되는 전기 부하량에 따라 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 측정하였으며, 전기적 부하의 변화에 따른 축 회전 및 발전 특성을 분석하였다.
제안 방법
- Fig. 3(a)와 (b)는 실험에 사용된 조류발전장치의 정면과 등각도를 나타낸 것이며 모델링한 쉬라우드와 터빈 블레이드를 통해 ABS Like 레진 재질을 사용하는 SLA 방식의 정밀 3D 프린터(Shining 3D iSLA-650)를 이용하여 제작하였다.
- 3D CAD 프로그램인 SolidWorks(2018)를 이용하여 쉬라우드를 포함한 조류발전 구조체와 터빈 블레이드 형상을 모델링하였다. Fig.
- (2012)은 블레이드 요소 이론을 바탕으로 수평축 조류발전 터빈의 전산해석과 함께 가변 부하에 대한 터빈 성능실험을 수행하여 비교하였다. 그 결과로 터빈의 성능곡선이 도출되었으며, 조류발전장치의 설계 과정을 제시하였다. Tian et al.
- 수조의 총 길 이는 9 m이며 시험부 입구에서 유동이 완전 발달된 유동 (Fully Developed Flow)이 되도록 하기 위하여 약 4 m까지는 입구 및 안정화 영역, 이후 4~6 m는 시험부, 그리고 6~ 9 m는 배출구로 각각 구성하였다. 또한 시험부 유동 방향으로 균일한 유속을 만들기 위해서 안정화 영역에 허니콤장치 (Honeycomb)를 설치하였다. 허니콤 영역을 지난 후 쉬라우드 구조체 전방 약 0.
- 본 연구에서는 쉬라우드 내부형상을 수반한 조류발전장치의 축소모형실험을 통해 시험 유속과 전기 부하의 변화에 따른 터빈 블레이드의 분당 회전수와 발전기의 출력을 측정하여 발전성능을 분석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 쉬라우드 조류발전 구조체가 유동장에 미치는 영향을 분석하기 위하여 발전 구조체 중심축을 기준으로 전방 0.3 m에서 쉬라우드 입구까지 축 방향 유속을 측정하였다. Fig.
- 시험부 내 유속 분포 분석을 위한 장치 구성으로 프로펠러 타입의 측정센서(Schiltknecht Mini Water 64 Micro)를 통해 유속을 측정하고, 데이터 로거(Graphtec GL240)를 이용해 시간에 따른 데이터를 샘플링, 수록하여 연결된 PC를 통해 모니터링과 분석을 수행하였다. 유속 센서의 정확도는 약 ±5% 이며, 데이터 로거의 경우 약 ±0.
- 우리나라에서 조류발전이 적합한 해안지역의 평균 유속이약 1~2 m/s 정도이며, 상사법칙(형상비 3:100)을 적용하여 실제 해역의 유속 범위에 따른 실험의 유속조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 회류수조 시험부 입구에서 일정한 유속에 대한 실험을 수행하였으며(약 0.
- 원형 발전장치의 공간 및 비용적인 측면을 고려하여 상사 법칙을 따르는 축소모형을 제작하여 실험에 이용한다. 이를 위해 중력에 의한 자유수면을 포함한 개수로의 흐름에 대해 Froude 상사법칙을 사용하여 원형과 모형 사이에 다음과 같은 식(1)이 적용된다.
- 우리나라에서 조류발전이 적합한 해안지역의 평균 유속이약 1~2 m/s 정도이며, 상사법칙(형상비 3:100)을 적용하여 실제 해역의 유속 범위에 따른 실험의 유속조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 회류수조 시험부 입구에서 일정한 유속에 대한 실험을 수행하였으며(약 0.31~0.39 m/s), 전기 부하량에 따른 터빈의 분당 회전수, 전압, 그리고 전류 등을 측정하여 각 전력량을 계산하였다. 이와 함께 Fig.
- 본 연구에서는 해수의 유속에 따른 유동장 내 쉬라우드 조류발전 시스템의 성능분석을 위하여 회류수조를 이용한 축소모형실 험을 수행하였다. 이를 위해 수조 내 발전장치에 연결되는 전기 부하량에 따라 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 측정하였으며, 전기적 부하의 변화에 따른 축 회전 및 발전 특성을 분석하였다. 이러한 해수 유속에 따른 발전 성능 분석에 대한 결과는 효율적인 자중고정식 쉬라우드 조류 발전 시스템 개발에 필요한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
- , 2019). 이와 함께 터빈 블레이드와 발전기를 연결하는 회전축의 지지를 위해 쉬라우드 내부에 삼각대 형태의 구조물을 추가하였다. Fig.
- 축소모형실험을 통해 시험부 입구 유속에 따른 쉬라우드 조류발전시스템 내 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 분석하기 위하여 회류수조를 구성하였다. 수조의 총 길 이는 9 m이며 시험부 입구에서 유동이 완전 발달된 유동 (Fully Developed Flow)이 되도록 하기 위하여 약 4 m까지는 입구 및 안정화 영역, 이후 4~6 m는 시험부, 그리고 6~ 9 m는 배출구로 각각 구성하였다.
- 측정 방법은 디지털 멀티미터를 부하 모듈에 연결하여 캠코더를 이용해 전압과 전류에 대한 영상을 촬영 후 데이터를 기록하였으며, 전압과 전류의 측정 정확도는 약 ±0.8%, ±1.0%이다.
- 펌프의 특성상 시간에 따라 유량이 일정하지 않고 변하게 되므로 평균 약 ±9.52%의 범위 내에서 시험을 수행하였다.
- 또한 시험부 유동 방향으로 균일한 유속을 만들기 위해서 안정화 영역에 허니콤장치 (Honeycomb)를 설치하였다. 허니콤 영역을 지난 후 쉬라우드 구조체 전방 약 0.2 m에 위치한 면에서 쉬라우드 입구 중심을 기준으로 15개 지점에 대해 유속을 측정하였다. 이를 통해 면 평균속도를 기준으로 유속 균일도를 확인하였다(약 ±4.
대상 데이터
- ] 는 중력 가속도이다. 따라서 축소모형의 분석 대상을 3/100 정도의 형상비로 제작하여 실험에 사용하였다.
- 또한 터빈으로 유입되는 유속과 블레이드의 끝 선속도의 비로 무차원한 주속비를 발전효율 변수로 사용하였다. 발전기로서 소형 모터(MB2430)를 이용했으며 여기서 생산되는 발전 전력은 디지털 멀티미터(UNI-T UT136B)를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 디지털 멀티미터를 부하 모듈에 연결하여 캠코더를 이용해 전압과 전류에 대한 영상을 촬영 후 데이터를 기록하였으며, 전압과 전류의 측정 정확도는 약 ±0.
- 수면 위에 위치한 발전기와 수중에 있는 터빈을 연결하기 위해서 유니버셜 조인트를 사용하였으며, 회전축 간의 각도는 약 13°이다.
- 4 m이다. 수조는 투명 아크릴판(5 t)으로 구성되어 있으며, 배관은 SUS304와 PVC 재질의 파이프를 이용하여 연결되었다. 회류수조의 흐름을 발생시키는 펌프의 용량은 20마력이며, 유량은 배관에 연결된 글로브밸브(직경 125 mm)를 통하여 조절하였다.
- 축소모형실험을 통해 시험부 입구 유속에 따른 쉬라우드 조류발전시스템 내 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 분석하기 위하여 회류수조를 구성하였다. 수조의 총 길 이는 9 m이며 시험부 입구에서 유동이 완전 발달된 유동 (Fully Developed Flow)이 되도록 하기 위하여 약 4 m까지는 입구 및 안정화 영역, 이후 4~6 m는 시험부, 그리고 6~ 9 m는 배출구로 각각 구성하였다. 또한 시험부 유동 방향으로 균일한 유속을 만들기 위해서 안정화 영역에 허니콤장치 (Honeycomb)를 설치하였다.
데이터처리
- 52%의 범위 내에서 시험을 수행하였다. 각 작동 조건에서 유속별 전기 부하(저항) 19개에 대해 2분씩 측정하였고 이들의 평균값을 계산하여 데이터를 분석하였다. 여기서 저항을 달지 않으면 부하가 없는 것을 의미하며, 저항을 낮출수록 회전축을 돌지 못하도록 막는 부하가 증가하게 된다.
이론/모형
- 원형 발전장치의 공간 및 비용적인 측면을 고려하여 상사 법칙을 따르는 축소모형을 제작하여 실험에 이용한다. 이를 위해 중력에 의한 자유수면을 포함한 개수로의 흐름에 대해 Froude 상사법칙을 사용하여 원형과 모형 사이에 다음과 같은 식(1)이 적용된다.
성능/효과
- 1. 시험부 입구에서 쉬라우드 전방으로 근접할수록 유속이 감소하였으며, 일정한 유속에서 전기 부하량이 감소함과 동시에 터빈의 분당 회전수가 함께 증가하였다.
- 2. 발전기에서 측정된 최대 전력 지점은 유속 별로 저항을 이용한 전기 부하가 약 50~150 Ω 구간에서 나타났으며, 높은 유속일수록 상대적으로 큰 부하에서 최대전력이 생산된다.
- 3. 유속의 증가와 함께 터빈 블레이드의 주속비가 증가하였고 이에 따라 발전 효율은 약 4.2%에서 15.9%까지 증가하였다.
- (2012)은 조류발전용 쉬라우드의 기하학적 형상각도 변화에 따른 CFD 해석으로 내부의 해수 유동장을 분석하여 유속 증폭 특성을 비교하였다. 그 결과로 실린더-디퓨저 형태에서 노즐-디퓨저보다 내부 유속이 조류속도에 비해 크게 증가함을 제안하였다. Lee et al.
- 실험 유속이 높아짐에 따라 전압은 평균 약 1.20배, 전류는 약 1.74배 증가하여 전압보다 전류의 상승률이 높게 나타났으며 따라서 전력이 크게 증가하였다.
- (2015)은 조류발전용 이중반전 터빈에 대해 수치해석과 실험적 방법을 사용하여 이중 로터 사이의 거리가 터빈의 성능과 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 이중 터빈이 단일 터빈보다 더 많은 전력을 생산한 것으로 나타났으며, 블레이드 간격 거리가 터빈의 출력 및 효율에 영향을 미치는 것으로 보여주었다. 이와 함께 시스템의 발전 성능을 증가하기 위하여 터빈으로 유입되는 해수의 유속을 증가시킬 수 있는 형상 설계가 요구된다.
- 9는 실험 유속에 대한 시험부 축 방향 유속 분포를 나타낸 것이다. 전체적으로 쉬라우드 전방 0.2 m 부근까지 유속의 변화가 거의 나타나지 않으며 0.1 m부터 유속이 급격히 감소하였고 쉬라우드 전방에서 평균 약 50% 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 유속분포는 한정된 수조 공간 내에서 쉬라우드 구조물이 저항체 역할을 하며 유속이 낮아지는 것으로 판단된다.
- 전체적으로 약 0.2~400 Ω까지 급격히 상승하였으며, 부하량이 감소함에 따라서 터빈 블레이드의 회전수가 평균 약 2.0배 증가하였다.
- 전체적으로 최대 전력 지점은 약 50~150 Ω 구간에서 나타났으며, 유속이 높아짐에 따라 큰 전기 부하에서 최대 전력이 발생하는 경향이 나타났다.
- 90%로 나타난다. 평균 유속이 0.34 m/s에서 0.36 m/s로 증가할 때 가장 낮은 효율 증가율이 나타난 반면 0.36 m/s에서 0.39 m/s로 증가할 때 주속비와 효율이 급격히 증가하였다.
- 전체적으로 최대 전력 지점은 약 50~150 Ω 구간에서 나타났으며, 유속이 높아짐에 따라 큰 전기 부하에서 최대 전력이 발생하는 경향이 나타났다. 해수의 유속이 증가함에 따라 평균 약 2.0배씩 증가하였으며, 시험부 입구유속 0.36 m/s에서 0.39 m/s로 유속이 빨라졌을 때 가장 높은 전력 증가율이 나타났다. 또한 가장 낮은 유속과 가장 높은 실험 유속에서 최대 전력은 약 7.
후속연구
- 본 연구의 결과는 자중고정식 쉬라우드 조류발전장치의 개발에 필요한 기초적인 설계데이터로 활용이 가능할 것으로 기대되며 추후 전산해석을 통한 기계적- 전기적 효율 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 이를 위해 수조 내 발전장치에 연결되는 전기 부하량에 따라 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 측정하였으며, 전기적 부하의 변화에 따른 축 회전 및 발전 특성을 분석하였다. 이러한 해수 유속에 따른 발전 성능 분석에 대한 결과는 효율적인 자중고정식 쉬라우드 조류 발전 시스템 개발에 필요한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
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