[논문]다리우스 조류 터빈의 상호작용 효과에 대한 실험적 연구

김지훈; 박진순; 고진환

doi:10.4217/opr.2019.41.3.193

다리우스 조류 터빈의 상호작용 효과에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Interaction Effect of Darrieus Tidal Stream Turbines 원문보기

Ocean and polar research, v.41 no.3, 2019년, pp.193 - 202

김지훈 (한국해양과학기술원 해양로봇실증단) , 박진순 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지연구센터) , 고진환 (제주대학교 기계공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

There have been various approaches for efficiency improvement of a Darrieus tidal stream turbine after it was introduced as an alternative of horizontal axis turbines. Among the approaches, the researches on the interaction effect of dual configuration were conducted. In this study, a dual Darrieus turbine with a coupling mechanism was proposed for investigating the interaction effect. Also, the effect of bi-directional tidal stream was analyzed with prototype fabrication, apparatus set-up and experiment conduction in indoor and offshore facilities. As the results of the experiments, the dual turbine in case of counter-rotation and inflow between the turbines improved efficiencies by 9.5% and 11.31%, respectively, as compared to the single turbine. Also, the dual turbine in case of the inflow improved efficiencies by 9.4% and 16.62%, respectively, as compared to that in case of outflow between the turbines which represented the case of 180 degrees change of flow direction after slack water. Therefore, the proposed dual turbine showed the advantage in terms of the efficiency as compared to the single turbine and the effect level of the slack water on the performance of the dual turbine was investigated.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Towing tank with towing train, and measurement system of experimental apparatus attached to the train
그림 Fig. 2. Dual turbine schematic drawing, prototype and installation in the towing tank
그림 Fig. 3. Power transmission parts of turbine prototypes
표 Table 1. Experimental case
그림 Fig. 4. Generator, power converter, and power analyzer
그림 Fig. 5. Schematic drawing, prototype, measurement system and time synchronization of offshore turbine apparatus
그림 Fig. 6. Dual turbine status (left) and single turbine status after removing a turbine (right)
그림 Fig. 7. Time varying rotational speed and torque of single (top) and dual (bottom) turbines at 0.2 N·m imposed load and 0.9 m/s flow velocity
그림 Fig. 8. Turbine efficiencies versus tip speed ratio of single turbine
표 Table 2. Resistant torques of power transmission parts in indoor experiments
그림 Fig. 9. Turbine efficiencies versus tip speed ratio of inflow and outflow dual turbines
그림 Fig. 10. System efficiencies versus tip speed ratio of single turbine
그림 Fig. 11. System efficiencies versus tip speed ratio of inflow and outflow dual turbines
표 Table 3. Summary of experimental results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 수직축 조류 터빈 간 상호작용 효과를 확인하기 위해 세 개 블레이드를 갖는 다리우스 터빈의 물리적인 기구 연결을 통한 듀얼(Dual) 터빈을 제안하였다. 또한 모형 제작 및 실험 장비 구축을 하고 실내와 실해역 실험 수행을 통해 이전 수치해석 연구에서 제시한 효율 향상 여부와 조류의 양 방향성에 대한 영향을 확인해 보았다.
본 연구에서는 이러한 긍정적인 상호작용 효과를 확인 하기 위해 세 개 블레이드를 갖는 다리우스 터빈의 근접배치 시 물리적인 기구 연결을 통한 하나의 시스템 형태 인 듀얼 터빈을 제안한다. 또한 모형 제작 및 실험 장비 구축을 하고 실험 수행을 통해 이전 수치해석 연구에서 제시한 성능 향상 여부와 함께 조류의 양방향성에 대한 영향도 확인해 보고자 한다.
본 연구에서 수직축 조류 터빈 간 상호작용 효과를 확인하기 위해 세 개 블레이드를 갖는 다리우스 터빈의 물리적인 기구 연결을 통한 듀얼(Dual) 터빈을 제안하였다. 또한 모형 제작 및 실험 장비 구축을 하고 실내와 실해역 실험 수행을 통해 이전 수치해석 연구에서 제시한 효율 향상 여부와 조류의 양 방향성에 대한 영향을 확인해 보았다.
본 연구에서는 이러한 긍정적인 상호작용 효과를 확인 하기 위해 세 개 블레이드를 갖는 다리우스 터빈의 근접배치 시 물리적인 기구 연결을 통한 하나의 시스템 형태 인 듀얼 터빈을 제안한다. 또한 모형 제작 및 실험 장비 구축을 하고 실험 수행을 통해 이전 수치해석 연구에서 제시한 성능 향상 여부와 함께 조류의 양방향성에 대한 영향도 확인해 보고자 한다.
듀얼 터빈의 이와 같은 구성은 시스템 단순성 면에서는 장점을 가질 수 있으나 단일 터빈과 다르게 유동 방향에 따른 성능 의존성을 가지게 된다. 유향 변화에 따른 성능 영향 정도는 이전 연구 (Li and Calisal 2000b)에서 수치적으로 해석하였으나, 본 연구에서는 이를 실험적으로 확인해 보고자 한다. 이에 따라 듀얼 터빈의 경우는 밀물과 썰물 시 180도 유향 변화 를 감안하여 실험 조건을 선정하였으며 이는 Table 1에 정리되어 있다.
듀얼 터빈의 경우, 두 터빈 간 유체가 입사 방향으로 유입되는 경우를 유입(Inflow) 회전 방향, 입사 방향으로 유출되는 경우를 유출(Outflow) 회전 방향이라 명명하였고 실제 실험에서는 모터를 통한 요 회전으로 방향이 조절된다. 이 두 방향에 대해 실험함으로써 실해역 조류의 전류(Slack water) 이후 180도 유향 변화의 영향을 파악하고자 하였다.

제안 방법

5에 나타낸 것처럼 높이 방향으로 2단 설계 및 제작되었고 회전력 전달 기어는 평기어열로 구성되어 있다. 그리고 왼쪽과 오른쪽 기어열의 개수를 달리해서 반대방향 회전력을 한쪽 방향으로 맞추도록 하였다. 또한 실험장치의 스트럿(Strut) 상단부에 벨로우즈(Bellows) 형태의 힘 센서(3-components load cell)를 설치하여 유동 방향과 유동에 수직한 방향의 하중을 계측할 수 있도록 하였다.
1)을 이용하여 저장하였다. 동기화 주기는 60초로 설정 하였고, 한국표준과학연구원 표준시 서버(time2.kriss. re.kr)를 기준으로 하였다. 단일 터빈 상태는 Fig.
)를 통해 진행된다. 또한 센서와 제어기의 데이터 세트(Set)를 저장하기 위해 통합 관리 프로그램을 사용하였다.
6배인 1400 mm이며 직경도 실내 실험 장치 대비 4배 큰 600 mm로 하였다. 또한 실내 실험과 동일한 조건으로 상호 비교하기 위해 터빈의 고형비는 동일하게 사용 하였으며 터빈 및 동력 전달 기어의 탈부착이 가능하게 설계 및 제작하였다. 이러한 실해역 실험용 터빈 시스템은 Fig.
그리고 왼쪽과 오른쪽 기어열의 개수를 달리해서 반대방향 회전력을 한쪽 방향으로 맞추도록 하였다. 또한 실험장치의 스트럿(Strut) 상단부에 벨로우즈(Bellows) 형태의 힘 센서(3-components load cell)를 설치하여 유동 방향과 유동에 수직한 방향의 하중을 계측할 수 있도록 하였다. 정밀한 분석을 위해 계측 유속과 하중 등의 통합데이터는 실내 실험과 동일한 데이터 정보 저장장치를 이용 하고, 자체 제작한 통합 감시 및 데이터 취득 시스템 (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)과 한국표준과학연구원에서 개발한 시간동기프로그램(UTCk 3.
먼저 실험장치의 기계적 손실 정도를 나타내기 위해 Table 2에 같이 무 부하에서 순수 동력전달계에 생성되는 항력을 회전 속도 별 토크로 측정한 결과를 나열하였다. Table 2의 결과, 단일 터빈 대비 듀얼 터빈인 경우가 동력 전달계에 생성되는 기어 간 항력이 최대 30% 정도 큰 것을 확인하였다.
울돌목 시험조류 발전소의 지리학적 특성상, 썰물의 경우 시간에 따른 유속 변화가 밀물에 비해 낮아 발전 평가에 용이한 장점을 지니고 있다. 실해역 실험의 경우 실내 실험의 경우와는 다르게 상용전원과 연결이 가능한 전력변환기와 이를 이용한 균등 토크제어를 통해 발전을 수행하고, 실제의 전기적 출력은 전력분석기를 통해 추출하였다. Fig.
실내 실험에서는 수조의 규격에 따라 축소 모형을 사용 하게 되어 축척 효과(Scale effect)를 갖게 된다. 이러한 축척 효과를 최소화 하기 위해 규모 면에서 증가할 필요가 있었으므로 실해역 실험 장치는 터빈의 높이 방향으로 2 단으로 구성된 방식을 채택하여, 높이가 실내 실험 장치 대비 4.6배인 1400 mm이며 직경도 실내 실험 장치 대비 4배 큰 600 mm로 하였다. 또한 실내 실험과 동일한 조건으로 상호 비교하기 위해 터빈의 고형비는 동일하게 사용 하였으며 터빈 및 동력 전달 기어의 탈부착이 가능하게 설계 및 제작하였다.
또한 실험장치의 스트럿(Strut) 상단부에 벨로우즈(Bellows) 형태의 힘 센서(3-components load cell)를 설치하여 유동 방향과 유동에 수직한 방향의 하중을 계측할 수 있도록 하였다. 정밀한 분석을 위해 계측 유속과 하중 등의 통합데이터는 실내 실험과 동일한 데이터 정보 저장장치를 이용 하고, 자체 제작한 통합 감시 및 데이터 취득 시스템 (Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)과 한국표준과학연구원에서 개발한 시간동기프로그램(UTCk 3.1)을 이용하여 저장하였다. 동기화 주기는 60초로 설정 하였고, 한국표준과학연구원 표준시 서버(time2.
2와 같이 터빈 장치를 설계, 제작 그리고 설치를 하였다. 터빈 당 블레이드 개수 (N)는 3개, 터빈 높이는 304 mm, 터빈 직경(D)은 150 mm, 그리고 터빈 간 간격은 1.5D이며 서로 반대방향으로 회전 하도록 설계가 되었다. 간격과 회전 방향은 유동 방향에 수직하게 배열되는 경우 최대 효율이 나오는 이전 연구 결과(Li and Calisal 2000b)에 근거하여 결정하였다.

대상 데이터

25 kN의 분포를 보임을 확인하였다. 듀얼 터빈 경우의 평균 유속이 단일 터빈 경우의 평균 유속과 다른 이유는 실해역 실험에서는 유속을 조절할 수 없기 때문이며 상대 비교를 위해서 가장 근접한 유속 범위를 갖는 계측 자료를 채택하였다. 또한 실내 실험의 경우 1.
발전기는 ㈜설텍의 20 kW 영구자석형이며 전력변환장치는 자체 제작되었고 전력분석기는 Yokogawa WT1600 이다. 유속 계측에는 초음파 방식(Acoustic Doppler Method)의 Nortek사의 유속계(Vector)가 사용되었고 해수 밀도는 1027 kg/m³ 을 사용하였다.
실내 실험에 사용된 예인 수조(Towing tank, Seoul National University)의 규격은 폭 8 m, 길이 100 m, 깊이 3 m이고 최대 예인 속도는 약 5 m/s이다. Fig.
실해역 실험 장소는 전라남도 진도군에 위치한 울돌목 시험조류 발전소이며 조건을 동일시하기 위해서 대조기와 썰물 시점에서만 진행하였다. 울돌목 시험조류 발전소의 지리학적 특성상, 썰물의 경우 시간에 따른 유속 변화가 밀물에 비해 낮아 발전 평가에 용이한 장점을 지니고 있다.

데이터처리

유속 계측에는 초음파 방식(Acoustic Doppler Method)의 Nortek사의 유속계(Vector)가 사용되었고 해수 밀도는 1027 kg/m³ 을 사용하였다. 발전 실험을 위해 통합 제어 및 계측 시스템이 구성되었고 통계 분석을 위해 국제 조류발전 규격인 IEC-TS 62600-200의 권고 사항에 따라 10분 이상의 시간 동안 데이터를 얻어, 조건 별 반복 비교를 실시하였다.

이론/모형

발전기는 ㈜설텍의 20 kW 영구자석형이며 전력변환장치는 자체 제작되었고 전력분석기는 Yokogawa WT1600 이다. 유속 계측에는 초음파 방식(Acoustic Doppler Method)의 Nortek사의 유속계(Vector)가 사용되었고 해수 밀도는 1027 kg/m³ 을 사용하였다. 발전 실험을 위해 통합 제어 및 계측 시스템이 구성되었고 통계 분석을 위해 국제 조류발전 규격인 IEC-TS 62600-200의 권고 사항에 따라 10분 이상의 시간 동안 데이터를 얻어, 조건 별 반복 비교를 실시하였다.

성능/효과

TSR 1.4 이상에서는 발전기의 전류 맥동(ripple) 현상이 생겨 정확한 값을 얻을 수 없었으 나 효율 그래프의 추세를 보면 TSR 1 근처에서 최고 효율을 갖은 뒤 전·후로 효율이 감소하는 경향을 보이므로 TSR 1.4 이상은 큰 의미는 없는 것으로 판단되었다.
먼저 실험장치의 기계적 손실 정도를 나타내기 위해 Table 2에 같이 무 부하에서 순수 동력전달계에 생성되는 항력을 회전 속도 별 토크로 측정한 결과를 나열하였다. Table 2의 결과, 단일 터빈 대비 듀얼 터빈인 경우가 동력 전달계에 생성되는 기어 간 항력이 최대 30% 정도 큰 것을 확인하였다. 다음 과정으로 특정 부하 및 유속 조건을 선택하여 시계열 데이터를 계측하였다.
효율 증가폭이 실내 실험보다 증가하긴 하였으나 이전 연구의 수치 해석 결과인 25%에 미치지 못하는 것은 변동성 있는 유동 특성과 상용 전기에 인입되는 전력변환장치의 전류 맥동 현상 등, 수치 해석과 실험 환경 사이의 차이점에서 주로 기인한 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 10% 이상의 효율 증가는 유의미한 결과로 판단되며 실해역 실험에서도 근접 배치 시 긍정적인 상호작용 효과로 인한 효율 향상을 확인할 수 있었다. 또 다른 흥미로운 사실은 단일 터빈 대비 듀얼 터빈의 항력 값이 1.
1에 서 생성되었다. 듀얼 터빈에서 유입 회전방향이 유출 회전 방향보다 상대적으로 평균 9.4% 정도의 성능향상을 보였으며 이는 유체가 터빈 사이로 유입 될 시 가속 효과에 도움을 주는 것으로 판단된다. 이는 이전 연구(Li and Calisal 2000b)의 수치해석 결과인 9.
6%와 유사한 수준의 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 듀얼 터빈의 실험 연구를 통해 단일 터 빈 대비 효율면에서 우수성과 함께 180도 유향 변화에 따른 성능 영향 정도를 확인할 수 있었다. 향후 다양한 성능 인자 분석을 통한 블레이드 형상 최적화 연구와 근접 배치 시 회전 방향과 유동 방향 간의 영향 분석 연구로 이어질 수 있으며 이를 통하여 다리우스 듀얼 터빈의 경쟁력을 높일 수 있을 것이다.
그럼에도 불구하고 10% 이상의 효율 증가는 유의미한 결과로 판단되며 실해역 실험에서도 근접 배치 시 긍정적인 상호작용 효과로 인한 효율 향상을 확인할 수 있었다. 또 다른 흥미로운 사실은 단일 터빈 대비 듀얼 터빈의 항력 값이 1.38배로써 일정 배수로 증가하지 않음을 확인할 수 있었고, 이는 향후 다수의 터빈 배치 시의 또 다른 장점으로 부각될 수 있다.
31%의 효율 향 상을 보였으며, 이전 수치해석 연구의 25%보다는 작은 수치이지만 실험 환경 조건을 고려해볼 때 유사한 수준의 경향성을 보이는 유의미한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 유입되는 경우의 듀얼 터빈이 전류(Slack water) 이후 180도 유향 변화에 인한 유체가 터빈 사이로 유출(Outflow) 되는 경우 대비 실내와 실해역 실험에서 각각 9.4%과 16.62%의 효율 향상을 보였으며, 이전 수치해석 연구의 9.6%와 유사한 수준의 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 듀얼 터빈의 실험 연구를 통해 단일 터 빈 대비 효율면에서 우수성과 함께 180도 유향 변화에 따른 성능 영향 정도를 확인할 수 있었다.
무부하에서 동력전달계에 걸리는 최대 토크는 52 ± 2.5 Nm이며 평균 유속 1.3 m/s에서 회전은 약 100~150 RPM이 생성되는 것을 확인하였다.
반면 단일 터빈 대비 듀얼 터빈의 효율 증가는 최대 11.31%인 것으로 확인되었다. 효율 증가폭이 실내 실험보다 증가하긴 하였으나 이전 연구의 수치 해석 결과인 25%에 미치지 못하는 것은 변동성 있는 유동 특성과 상용 전기에 인입되는 전력변환장치의 전류 맥동 현상 등, 수치 해석과 실험 환경 사이의 차이점에서 주로 기인한 것으로 판단된다.
상기 결과를 상호 비교해보면 단일 터빈 대비 듀얼 터빈의 효율 증가는 최대 9.52%를 보였다. 이는 이전 연구의 25% 향상 수준(Li and Calisal 2000b; Khalid et al.
반면 성능 향상의 다른 방법으로 두 개의 터빈을 동시에 활용하는 방식인 듀얼 터빈(Dual turbine) 에 대한 연구가 있다. 세 개의 블레이드를 갖는 수직축 듀얼 터빈을 근접 배치하였을 때 단일 터빈 두 개 효율의 합 보다 25% 정도 향상됨을 확인하였고, 같은 방향과 반대 방향으로 회전하는 경우의 최적인 조합을 제안하였다(Li and Calisal 2000b). 또한 네 개의 블레이드를 갖는 수직축 듀얼 터빈의 근접 배치의 경우에도 단일 터빈 두 개 효율의 합보다 24% 향상됨을 확인하였고, 반대 방향으로 회전 하는 경우의 최적 조합을 제시하여 공간 활용 및 효율 향 상이라는 장점을 얻을 수 있는 가능성을 보였다(Khalid et al.
실험 수행 결과, 두 터빈이 반대 방향으로 회전하고 유체가 터빈 사이로 유입(Inflow)되는 경우에 실내와 실해역 실험에서 단일 터빈 대비 각각 9.5%과 11.31%의 효율 향 상을 보였으며, 이전 수치해석 연구의 25%보다는 작은 수치이지만 실험 환경 조건을 고려해볼 때 유사한 수준의 경향성을 보이는 유의미한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 유입되는 경우의 듀얼 터빈이 전류(Slack water) 이후 180도 유향 변화에 인한 유체가 터빈 사이로 유출(Outflow) 되는 경우 대비 실내와 실해역 실험에서 각각 9.

후속연구

따라서 본 연구에서 제안한 듀얼 터빈의 실험 연구를 통해 단일 터 빈 대비 효율면에서 우수성과 함께 180도 유향 변화에 따른 성능 영향 정도를 확인할 수 있었다. 향후 다양한 성능 인자 분석을 통한 블레이드 형상 최적화 연구와 근접 배치 시 회전 방향과 유동 방향 간의 영향 분석 연구로 이어질 수 있으며 이를 통하여 다리우스 듀얼 터빈의 경쟁력을 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	여러 종류의 조류 터빈 중 가장 효율적인 발전기는 무엇인가?	조류 터빈은 블레이드의 항력 또는 양력을 이용하여 발전하게 되며 수평 또는 수직축 터빈을 포함하여 여러 유형으로 개발되고 있다. 이 중 수평축 터빈(Horizontal Axis Turbine, HAT)은 가장 효율적인 조류 발전기로 알려져 있다. 실험실 규모의 HAT 실험 연구에서 달성된 출력 계수가 48%로 높은 효율성이 확인되었다(Batten et al.
	조석 에너지의 특징은?	증가하는 세계 경제와 화석 연료 이용 가능성의 한계로 인해 재생 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중 조석 에너지는 일정하고, 예측 가능하며, 다른 기상의존 재생 가능 자원과 비교하여 더 높은 에너지 밀도를 갖고 있다. 조력 발전의 선도국인 한국은 영국이나 캐나다와 마찬가지로 조석 에너지 자원이 풍부하며 조력 발전소 뿐만 아니라 조류 발전소로 에너지를 추출하려고 시도를 하고 있다.
	네 개의 블레이드를 갖는 수직축 듀얼 터빈의 배치 및 회전을 통한 특징은 무엇인가?	세 개의 블레이드를 갖는 수직축 듀얼 터빈을 근접 배치하였을 때 단일 터빈 두 개 효율의 합 보다 25% 정도 향상됨을 확인하였고, 같은 방향과 반대 방향으로 회전하는 경우의 최적인 조합을 제안하였다(Li and Calisal 2000b). 또한 네 개의 블레이드를 갖는 수직축 듀얼 터빈의 근접 배치의 경우에도 단일 터빈 두 개 효율의 합보다 24% 향상됨을 확인하였고, 반대 방향으로 회전 하는 경우의 최적 조합을 제시하여 공간 활용 및 효율 향 상이라는 장점을 얻을 수 있는 가능성을 보였다(Khalid et al. 2013).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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