[논문]저낙차에서 와류발생부를 구비한 마이크로 소수력에 관한 실험 연구

최인호; 김종우; 정기수

doi:10.17663/jwr.2020.22.2.121

저낙차에서 와류발생부를 구비한 마이크로 소수력에 관한 실험 연구
Experimental Study of Micro hydropower with Vortex Generation at Lower Head Water 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.22 no.2, 2020년, pp.121 - 129

최인호 (서일대학교 토목공학과) , 김종우 (서일대학교 토목공학과) , 정기수 (한국생산기술연구원)

초록
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본 논문은 자유수면을 가지는 와류유동 내 저낙차에서 마이크로 소수력에 관한 실험 연구이다. 내부 곡선 모서리가 있는 직선, 곡선, 비틀린 블레이드의 와류 높이, 터빈 회전 및 토크를 개수로 유입구의 유량 0.0069 ㎥/s 조건에서 측정하였다. 실험결과로서 최적의 와류 강도는 와류 발생부의 외부직경과 유출구 직경 비율 0.17~18.5 범위에서 발생했다. 직선 블레이드 출력과 효율은 다른 블레이드와 비교하여 높게 나타났다. 가장 높게 생성된 에너지는 12.33 W이고, 토크는 0.91 N·m이다. 유효낙차를 고려한 경우 가장 높은 효율은 29.5 %인 반면 와류 높이를 고려한 가장 높은 효율은 회전수 132 rpm에서 80.5 %이다. 직선 블레이드의 와류 유속은 개수로 유입구의 평균 유속보다 약 2.8배 더 크게 나타난다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper described a laboratory investigation of micro hydropower at lower head water in a free vortex flow. The vortex height, turbine rotation and torque for straight blade with inner curved edge, twisted blade and curved blade were investigated at the flow rate of 0.0069 ㎥/s in the inlet channel. The results showed that the optimum vortex strength occurred within the range of the diameter of basin to the outlet diameter ratios of 0.17~18.5. The power output and efficiency of straight blade were higher as compared to other blades. The highest amount of generated energy was 12.33 W, the torque was 0.91 N·m and the highest efficiency by considering effective head was 29.5 %, whereas the highest efficiency by considering vortex height was 80.5 % at the rotational speed of 132 rpm. The water vortex velocity of straight blade was about 2.8 times larger than the mean velocity in the inlet channel.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Energy diagram for water vortex power plant
그림 Fig. 2. 3D schematic drawing of the vortex chamber and the outlet
그림 Fig. 3. Configuration of experimental setup
그림 Fig. 4. Torque transducer
그림 Fig. 5. 3D Inventor model of three different runners with (a) curved, (b) straight, (c) twisted blade profiles
그림 Fig. 6. Vortex air core in the vortex chamber with increasing diameter ratios
그림 Fig. 7. Vortex shape for twisted blade with varying diameter ratios
그림 Fig. 8. Comparison of (a) rotation speed, (b) force, (c) torque and (d) vortex height with varying diameter ratios
표 Table 1. Parameters for curved blade (CB), straight blade (SB) and twisted blade (TB) with increasing diameter ratios (F_L = left mass indicated by digital spring, F_R = right mass, F = turbine braking force (N), T = torque, N(rpm) = rotation speed, h_v = Vortex height)
그림 Fig. 9. Relation power and diameter ratios with (a) curved blade, (b) straight blade and (c) twisted blade
표 Table 2. Power and efficiency of three different runners with increasing diameter ratios(η₁(%) = P_out/P_in1, η₂(%) = P_out/P_in2)
그림 Fig. 10. Power of three different runners with (a) curved blade (CB), (b) straight blade (SB) and (c) twisted blade (TB) (D_o/D_a= 0.172)
그림 Fig. 11. Relation efficiency and diameter ratios with (a) curved blade (CB), (b) straight blade (SB) and (c) twisted blade (TB)
그림 Fig. 12. Relation power output and diameter ratios with curved blade (CB), straight blade (SB) and twisted blade (TB)
표 Table 3. Experimental parameters for blade profile(ω= angular speed)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 와류부를 고려한 저낙차와 저유량에서 기계적 출력에 영향을 주는 물리적 매개변수(토크, 회전수, 블레이드 형태, 수차 제동력, 와류 높이, 직경비 등)에 대해 실험하였다. 이를 위해 와류 발생부를 구비한 실험기를 제작하였다.
본 연구는 자유수면을 가지는 와류 발생부에서 마이크로 소수력에 영향을 주는 물리적 인자에 관한 실험이다. 이를 위해 와류발생부가 존재하는 실험장치와 3가지 수차 블레이드를 제작하였다.

제안 방법

와류 발생부 내에 설치된 블레이드의 기계적 출력은 회전축의 토크와 회전수로 결정할 수 있다. Fig. 4와 같이 상부 회전체 축에 연결된 두 개의 전자 저울을 통해 회전축 토크를 측정하였으며(Grote and Feldhusen, 2005), 회전수는 타코메타(tachometer)로 측정하였다. 풀리(pulley) 직경은 84 mm이다.
유출구 직경을 조절할 수 있는 조리개를 와류 발생부에 설치하고 직경비 변화에 따른 토크를 측정하였다. 또한 각기 다른 형태로 제작된 3가지 수차 블레이드의 기계적 출력, 이론적 전력 및 효율을 비교 분석을 통해 기계적 출력에 대한 토크, 회전수, 와류높이의 영향을 실험하였다. 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 기계적 출력과 효율을 측정하기 위해 3가지 블레이드 형태를 채택하였으며, 와류의 형성과 강도에 영향을 미치는 수차의 블레이드 크기 및 모양을 다르게 설계 및 제작하였다(Fig. 5). 곡선 블레이드(curved blade)의 직경과 높이는 각각 220 mm와 150 mm이다.
발생된 전기는 별도 축전기에 축전된 후, 필요한 곳에 공급하게 될 것이다. 와류 발생부 저면의 중앙에 유출구 직경을 조절할 수 있는 조리개를 설치해 자유롭게 직경비 변화에 따른 출력을 측정하도록 하였다.
18 m로 감소하였다. 유출구 변화에 따라 유속도 변화하였다. Fig.
이를 위해 와류발생부가 존재하는 실험장치와 3가지 수차 블레이드를 제작하였다. 유출구 직경을 조절할 수 있는 조리개를 와류 발생부에 설치하고 직경비 변화에 따른 토크를 측정하였다. 또한 각기 다른 형태로 제작된 3가지 수차 블레이드의 기계적 출력, 이론적 전력 및 효율을 비교 분석을 통해 기계적 출력에 대한 토크, 회전수, 와류높이의 영향을 실험하였다.
유효 낙차는 각각의 블레이드와 직경비 변화에 따라 개수로 내 평균 유속, 하류부에서 유속과 수심을 측정하여 결정하였다. 효율(η₂)은 이론 출력 결정 시 와류 높이를 사용하였다.
본 연구는 와류부를 고려한 저낙차와 저유량에서 기계적 출력에 영향을 주는 물리적 매개변수(토크, 회전수, 블레이드 형태, 수차 제동력, 와류 높이, 직경비 등)에 대해 실험하였다. 이를 위해 와류 발생부를 구비한 실험기를 제작하였다. 여기에 와류 발생부 하부의 직경을 조절할 수 있는 조리개와 3가지 블레이드를 부착하였다.
본 연구는 자유수면을 가지는 와류 발생부에서 마이크로 소수력에 영향을 주는 물리적 인자에 관한 실험이다. 이를 위해 와류발생부가 존재하는 실험장치와 3가지 수차 블레이드를 제작하였다. 유출구 직경을 조절할 수 있는 조리개를 와류 발생부에 설치하고 직경비 변화에 따른 토크를 측정하였다.
3과 같이 와류 발생부의 내부로 유입된 유량은 유출구를 통하여 외부로 유출되는데, 유입된 유량이 유출되면서 와류 형성부재에 의하여 소용돌이가 발생된다. 제작된 실험기는 유입된 유량을 외부로 유출시켜 와류발생부 내부에 와류를 더욱 효과적으로 형성할 수 있도록 설계하였다.
여기에 와류 발생부 하부의 직경을 조절할 수 있는 조리개와 3가지 블레이드를 부착하였다. 직경비에 따른 와류변화와 3가지 종류 블레이드를 비교 분석을 통해 토크,회전수, 효율, 출력량을 실험하였다.

대상 데이터

개수로와 연결된 원형 상부 와류 발생부는 외부 발생부, 내부 발생부, 유입구 및 유출구로 구성된다(Kleinschroth, 1972). PC(polycarbonate)로 제작된 실험기의 상부 회전체 높이(H)는 300 mm, 두께는 5 mm, 외부직경(D_a)은 580 mm, 내부직경(D_i)은 470 mm, 와류를 발생시키는 하부 유출구 높이는 575 mm이다(Fig. 2).
개수로는 폭 160 mm, 높이 300 mm, 길이 1500 mm이다(Fig. 3). 유량은 상부 원형 와류발생부의 입구(b =106.
곡선 블레이드(curved blade)의 직경과 높이는 각각 220 mm와 150 mm이다. 하부에 내부 곡선 모서리가 있는 직선 블레이드(straight blade)와 비틀린 블레이드(twisted blade) 직경은 200 mm이고 높이는 150mm로 제작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 기계적 출력 결정을 위해 회전축의 토크측정 기법을 사용하였다. 회전축 토크를 측정하는 방법은 전기적 손실을 무시하며 블레이드에서 회전축 토크로 전환되는 기계적 효율만을 평가할 수 있다.

성능/효과

64 m/s이고(Fig. 7(b)), 직경비 0.232 조건에서 수로 내 평균유속과 와류부 근처의 유속은 각각 0.212 m/s, 0.66 m/s이다(Fig. 7(c)).
1) 제작된 실험기의 와류 발생부에서 유출구 직경비 변화에 따라 와류크기가 다양하게 발생하였다. 직경비가 감소할수록 와류 높이는 증가하였지만 와류의 에어코어는 감소하였다.
2) 비틀린 블레이드(TB) 조건에서 와류부의 유속은 개수로 내의 평균 유속보다 3배 이상 높게 나타난다. 토크와 와류 높이는 3가지 블레이드 조건하에 직경비 0.
3) 하부에 곡선 모서리가 있는 직선 블레이드(SB)의 기계적 출력은 곡선 블레이드(CB)와 비틀린 블레이드(TB)의 전력보다 높게 나타난다.
4) 실제 효율은 와류 높이를 고려한 이론 전력과 비교하면 56∼81 % 범위이며, 에너지방정식에 의해 산정된 이론전력과 비교할 경우 20∼30 %로 감소하였다.
CB는 회전수와 회전 각속도 범위가 낮게 나타난다. SB의 회전수와 회전 각속도는 TB보다 낮지만 토크와 힘은 높게 측정되었다. 특히 SB가 다른 블레이드(CB, TB)보다 기계적 출력이 높게 나타난다.
블레이드의 형태와 상관없이 기계적 출력은 직경비에 따라 변화하였다. 기계적 출력은 CB와 SB의 경우 직경비 0.184에서 증가한 반면 TB 조건에서는 직경비 0.172에서 발생했다. 유효 낙차와 와류 높이를 고려한 이론 전력은 S₅의 경우 직경비 0.
회전축에 연결된 풀리 반지름은 42 mm이다. 블레이드 형태와 상관없이 직경비가 증가할수록 수차 제동력과 토크는 급격히 증가한 후, 특정 지점에서 재차 감소하는 경향을 보였다. 각 경우에 대한 토크 및 수차제동력 곡선의 첨두 부분을 다음 Table 1에 정리하여 제시했다.
하부 지점이 약간 꺽인 직선 블레이드(SB)의 토크는 곡선 블레이드(CB)와 비틀린 블레이드(TB)보다 높게 나타난다. 비틀린 블레이드(TB)의 회전수가 곡선 블레이드(CB)와 직선 블레이드(SB)보다 높지만 토크 값이 가장 작게 나타나는 경향을 보였다. 곡선 블레이드(CB)는 다른 두 개의 블레이드보다 회전수가 가장 낮게 보였지만 직선 블레이드(SB)와 비슷한 토크 값을 나타낸다.
7(c)). 실험 결과 직경비가 증가할수록 와류부 유속은 증가함을 볼 수 있다. 즉 와류부 유속은 비틀린 블레이드에서 개수로의 유입구보다 3배 이상 증가하였다.
유효 낙차를 고려할 경우 효율 범위는 20∼30 %인 반면 와류 높이를 적용하면 효율이 55∼81 % 범위로 증가하는 경향을 보였다.
5 %까지 증가하였다. 전력에 대한 효율은 CB와 SB일 경우 직경비 0.184에서 증가하였고 TB는 직경비 0.232에서 증가하였다. SB의 평균효율이 CB와 TB보다 높게 나타난다.
185 범위에서 증가하였다. 직선 블레이드와 비틀림 블레이드에서 직경비가 감소하면 회전수는 감소하지만 와류 높이와 토크가 증가하는 경향을 보였다.

후속연구

본 연구는 갯벌을 파괴하지 않고 해양 생태계를 보존할 수 있는 친환경적인 에너지생산에 기여할 것으로 기대된다. 수행한 와류와 직경비 변화에 따른 기계적인 출력에 대한 분석은 실제 현장에 와류 수차를 적용할 경우 기초적인 자료로 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구는 갯벌을 파괴하지 않고 해양 생태계를 보존할 수 있는 친환경적인 에너지생산에 기여할 것으로 기대된다. 수행한 와류와 직경비 변화에 따른 기계적인 출력에 대한 분석은 실제 현장에 와류 수차를 적용할 경우 기초적인 자료로 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 최적화된 마이크로 소수력 발전을 위해 다른 물리적 인자에 대한 연구가 지속적으로 요구된다.
하지만 최적화된 마이크로 소수력 발전을 위해 다른 물리적 인자에 대한 연구가 지속적으로 요구된다. 좀 더 명확한 와류 발생부 내 유동해석뿐만 아니라 유량변화, 회전수변화 및 블레이드 위치변화에 따른 효율, 전력량에 대한 실험적 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소수력 발전이란?	대형 방조제를 세워 바닷물을 인위적으로 가두기 때문에 갯벌 파괴 등 해양 생태계에 큰 영향을 끼친다. 최근에 주목받는 소수력 발전(small hydropower)은 친환경적이고 청정에너지이다. 이는 구조가 간단하고, 저낙차 및 저유량에 적용 가능하며 설치도 용이하다.
	소수력 발전 수차의 두 분류는?	0~10MW를 발전하는 소수력(small hydropower)으로 구분한다. 소수력 발전 수차는 충력(impulse)에 의한 충동형 수차와 반작용(reaction)에 의한 반동형 수차로 나눈다. 충력(impulse)에 의한 충동형 수차는 일반적으로 펠톤 수차와 횡류형 수차이며, 반작용(reaction)에 의한 반동형 수차는 프로펠러 수차(propeller turbine)와 카프란 수차가 해당된다.
	소수력 발전의 장점은?	최근에 주목받는 소수력 발전(small hydropower)은 친환경적이고 청정에너지이다. 이는 구조가 간단하고, 저낙차 및 저유량에 적용 가능하며 설치도 용이하다. 또한 정부의 신재생에너지 보급정책에 따른 지역에너지 보급사업, 2030년 발전량의 20 %를 재생에너지로 대체한다는 신재생에너지 공급의무화제도(RPS) 도입 등 소수력 발전의 전망이 증폭되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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