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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 4가지 유속 조건에 대하여 Lee et al. (2019)에서 사용된 조류발전용 수평축 터빈의 회전수 변화 조건이 적용되었을 때의 유속, 주속비 및 기계적 출력 효율 성능을 추정하였다.
제안 방법
- 단면적 차이를 이용해 발전하는 쉬라우드 시스템 내 유속 증가율을 분석하기 위해 시스템 내 유입부에서 유출부까지 유속 변화를 분석했으며, 초기유속 대비 중심부의 유속비를 다음 식(7)을 이용해 무차원화로 표현했다. 이에 대한 결과는 다음 Fig.
- 또한 헥사 격자를 효율적으로 구성하기 위해 관심 부분의 전·후방에 테트라 격자를 사용하여 결과의 정확도를 높였다.
- 본 연구에서는 수치 해석적 기법을 사용했으며, 다음 Fig.3에 해석에 사용된 격자 구성을 제시했다. 해석에 사용된 격자는 약 100만개이며, 격자에 따른 해석 결과의 오차를 추정하기 위해 격자수를 조정하여 65만개, 80만개, 120만개에 대하여 해석한 결과 100만개와 120만개의 결과 오차율은 0.
- 본 연구에서는 수치해석 방법을 이용해 기존에 수행된 수조와 조류발전 시스템 및 블레이드를 적용하여 쉬라우드 시스템 내 유속 변화 및 4가지 유속과 6가지 블레이드의 회전수 조건을 통해 최적 효율을 판정했다.
- ]는 중심부에서의 단면적, T[N/m]는 블레이드의 토크를 의미하며, 해석을 통해 블레이드의 토크를 구할 수 있다. 산정된 토크와 입력조건에 사용된 회전수를 이용하여 효율을 평가했으며, 이를 통해 주속비와 기계적 효율 관계 곡선을 도시했다. 덕트 형태를 지닌 쉬라우드 시스템은 모든 경우에서 주속비가 증가할수록 효율이 급격히 증가한 후, 특정 지점에서 재차 감소하는 경향을 보였으며 각 경우에 대한 효율 곡선의 첨두 부분을 다음 Table 2에 정리하여 제시했다.
- 조류발전용 쉬라우드 시스템 내 설치된 블레이드의 회전수 변화에 따른 효율 특성을 분석하기 위해 3차원 범용 프로그램인 Ansys Fluent를 사용했으며, Solidworks 프로그램을 통해 조류발전 시스템 형상을 구현했다. 프로그램의 지배방정 식을 풀기위해 일반적인 SIMPLE 알고리즘과 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 적용한 유한 체적법이 사용됐으며, 난류모델은 일반적으로 사용되는 RNG k-ε 모델 을 사용했다.
- 2에 제시했다. 해석 유동 장의 크기는 추후 수행할 모형실험 수조와 동일 크기로서 구성했으며, 본 해석에서는 0.35 m/s, 0.5 m/s, 0.75 m/s, 1.0 m/s 에 대한 유속변화와 50 rpm, 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm, 250 rpm, 300 rpm의 회전수 변화에 대해 효율 특성을 분석했다.
대상 데이터
- (2019)에서 사용한 조류발전 시스템 및 터빈 블레이드 형상을 이용했으며, 유입 유속 대비 중심부에서의 유속 증폭을 통해 발전하는 쉬라우드 시스템 내 직경비(D C :D I )는 1:1.5, 블레이드의 회전각은 20 º 이다.
- 21% 로서 두 경우에 대해서 결과의 경향이 유사하게 분석됐다. 이에 해석에서 사용된 격자는 계산 시간을 고려하여 약 100만개로 구성했다. 또한 헥사 격자를 효율적으로 구성하기 위해 관심 부분의 전·후방에 테트라 격자를 사용하여 결과의 정확도를 높였다.
이론/모형
- 수치해석을 위한 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식과 난류 해석을 위한 난류운동에너지 및 소산율 방정식이 적용됐으며, 식(1)~(6)과 같이 표현된다.
- 프로그램의 지배방정 식을 풀기위해 일반적인 SIMPLE 알고리즘과 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 적용한 유한 체적법이 사용됐으며, 난류모델은 일반적으로 사용되는 RNG k-ε 모델 을 사용했다.
성능/효과
- 75 m/s에서 최고 효율 대비 약 18% 감소했으며, 모든 경우에서 블레이드의 주속비가 증가함에 따라 효율이 증가하고, 특정 지점에서 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서 산정된 최적 효율은 0.5 m/s의 초기유속에서 주속비 4.77인 경우 약 20.38%로 분석됐다.
- 조류발전용 쉬라우드 시스템 내 유입부 대비 중심부에서의 유속 변화율을 분석한 결과 모든 경우에서 약 1.8배 이상 증가하는 경향을 보였다. 이는 단면적 차를 이용한 시스템 내구조적 특성 효과로 인해 발생하는 것으로 사료되며, 또한 수조 용량의 한계성으로 인해 초기 유속 0.
- 한편, 유속 분포와 유사한 경향을 보이는 기계적 효율 역시 0.75 m/s에서 최고 효율 대비 약 18% 감소했으며, 모든 경우에서 블레이드의 주속비가 증가함에 따라 효율이 증가하고, 특정 지점에서 감소하는 경향을 보였다. 본 연구에서 산정된 최적 효율은 0.
- 3에 해석에 사용된 격자 구성을 제시했다. 해석에 사용된 격자는 약 100만개이며, 격자에 따른 해석 결과의 오차를 추정하기 위해 격자수를 조정하여 65만개, 80만개, 120만개에 대하여 해석한 결과 100만개와 120만개의 결과 오차율은 0.21% 로서 두 경우에 대해서 결과의 경향이 유사하게 분석됐다. 이에 해석에서 사용된 격자는 계산 시간을 고려하여 약 100만개로 구성했다.
후속연구
- (2013)의 연구 결과를 통해 증명됐다. 그러나 본 연구는 초기 유속과 블레이드 회전수에 따른 최적 효율을 추정하는 연구이며, 0.75 m/s부터 저유속에 비해 효율이 감소하는 것은 유체의 힘을 통해 발생하는 블레이드의 회전수가 아닌 6가지의 회전수 고정조건을 통해 분석이 수행되어 발생한 것으로 사료되며, 또한 부여된 유속에 비해 유동장의 크기가 작아 효율의 한계성을 보인 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 분석된 조류발전용 쉬라우드 시스템 내 블레이드의 최적 효율 분석 결과는 추후 수행될 수리모형실험에 대한 기초적 연구로서 활용이 될 것으로 기대된다.
- 한편, 조류발전(Tidal Current Power Generation, TCP)은 조수간만의 차가 크고, 유속이 최소 1.0 m/s 이상인 지역에 적합하며, 국내 인천 및 서·남해 지역은 조류발전에 가장 적합한 특성을 갖고 있어 조류발전 시장이 꾸준히 성장할 것으로 기대된다.
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