[논문]파랑 조건에 따른 파력발전장치의 가동률과 발전량 산정에 대한 연구

류황진; 홍기용; 신승호; 김상호

파랑 조건에 따른 파력발전장치의 가동률과 발전량 산정에 대한 연구
A Study on Operation Rate and Output of Wave Power Generator by Waves Condition 원문보기

류황진 , 홍기용 , 신승호 , 김상호

This paper is investigated to variation of wave power generation operation rate, operating capacity and output with the wave conditions represented by wave height-period window. By the use of the long-term wave data from 1979 to 2002 which is provided by Korea Ocean Research & Development Institute(KORDI), we calculated the monthly variation of significant wave height(Hs), zero-up crossing period(Tz) and distribution of wave appearance rate. And using the same wave data, it was charted the Hs-Tz and wave-energy scatter diagrams.

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문제 정의

본 논문에서는 1979년부터 2002년까지 우리나라 해역에 대하여 한국해양연구원에서 구축한 장기 파랑산출자료를 검토하여 제주 서쪽 해역에서 파랑조건에 따른 파력발전 가동률, 가용량, 발전량을 계산하여 파력발전장치의 기초설계 시 필요한 정보를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 한국해양연구원의 장기 파랑산출자료를 이용하여 제주 서쪽 해역에 대한 파고-주기 결합분포표와 파랑에너지 결합분포표를 작성하였다. 작성된 파고-주기 결합분포표를 이용하여 파랑 조건에 따른 파력발전 가동률 및 가용량 그리고 발전량의 변화를 고찰하여, 제주 서쪽 해역의 파력발전장치 최적설계 시 필요한 정보를 제공하고자 하였다.
본 논문에서는 한국해양연구원의 장기 파랑산출자료를 이용하여 제주 서쪽 해역에 대한 파고-주기 결합분포표와 파랑에너지 결합분포표를 작성하였다. 작성된 파고-주기 결합분포표를 이용하여 파랑 조건에 따른 파력발전 가동률 및 가용량 그리고 발전량의 변화를 고찰하여, 제주 서쪽 해역의 파력발전장치 최적설계 시 필요한 정보를 제공하고자 하였다.

가설 설정

2%를 차지한다. 이렇게 파랑의 출현율은 높으나, 파랑에너지 밀도가 상대적으로 매우 낮은 파랑을 이용하여 발전하는 것을 비효율적이라 판단하여, 제주 서쪽 해역에서 파력발전기의 운용 조건을 Case 1 Hs 1.0m, Tz 3.5sec, Case 2 Hs 1.0m, Tz 4.0sec, Case 3 Hs 1.0m, Tz 4.5sec 이상의 파랑으로 가정하였다. 그리고 발전량 계산을 위하여 파력발전장치 효율을 입사 파랑에너지의 20%, 파력발전장치의 폭을 35m라 가정하고, 다음과 같은 파력발전 가동률, 가용량 그리고 발전량을 계산 하였다.

제안 방법

(2) 파력발전기의 운용 조건을 Case1 Hs 1.0m, Tz 3.5sec, Case2 Hs 1.0m, Tz 4.0sec, Case3 Hs 1.0m, Tz 4.5sec 이상의 파랑일 때의 세 경우에 대하여, 파력발전장치 효율을 입사 파랑에너지의 20%, 파력발전장치의 폭을 35m라 가정하여 파력발전 가동률, 가용량 그리고 발전량을 계산하였다. 제주도 서쪽 해역에서 폭 넓은 주기 범위를 포함하는 Case 1의 파력발전 운용조건으로 파력발전기 설계가 이루어진다면, 상대적으로 높은 가동률과 발전량을 얻을 수 있다.
2절에서 작성된 파고-주기 결합분포를 이용하여 파고와 주기의 각 계급별 평균값을 이용하여 파랑에너지 결합분포표를 다음과 같은 과정을 통하여 작성하였다.
Fig. 3은 한국해양연구원의 24년 장기파랑산출자료를 이용하여 유의파고와 영점상향교차주기의 결합분포를 파고 0.5m, 주기 0.5초 구간으로 나누어 작성하였다. Fig.
5sec 이상의 파랑으로 가정하였다. 그리고 발전량 계산을 위하여 파력발전장치 효율을 입사 파랑에너지의 20%, 파력발전장치의 폭을 35m라 가정하고, 다음과 같은 파력발전 가동률, 가용량 그리고 발전량을 계산 하였다.
본 논문에서는 한국해양연구원의 장기파랑산출자료 중에서 제주도 서쪽해역인, 위도 33° 17′ 9.6″, 경도 126° 10′ 12.0″의 파랑자료를 추출하여 파랑조건에 따른 파력발전 가동률, 가용량, 발전량을 계산하였다.
파랑에너지 결합분포표는 한국해양연구원의 24년 장기파랑 산출자료를 매월별로 추출하여 파고-주기 결합분포표를 작성하여, 파고와 파주기의 각 계급별 평균값을 식(1)에 대입하고, 각 계급별 24년 평균된 파랑 출현 빈도수를 곱하여 작성하였다. Fig.

성능/효과

(1) 한국해양연구원의 장기파랑산출자료를 이용하여 파고 0.5m, 주기 0.5초 구간으로 나누어 작성된 파고-주기결합분포를 검토한 결과, 유의파고(Hs) 0.5m~3.0m 범위에 포함된 파랑의 수는 전체 파랑 수의 76.8%를 차지하고, 이중에서 0.5m~1.0m 범위에 포함된 파랑 출현율이 34.3%로 가장 높은 파랑 출현율을 보이고 있고, 유의파고(Hs) 1.0m~1.5m 범위의 파랑이 20.0%로 두 번째 높은 파랑 출현율을 보이고 있다. 그리고 염점상향교차주기(Tz) 3.
2% 줄어든 결과를 나타내고 있다. 그리고 Case 3은 Case 2에 비해 유효 파랑수와 가동률은 53개, 7.1% 줄어들었고, 이는 Case2의 17.0% 감소된 값이고, 유효파랑 가용량과 발전량은 Case2보다 5.3% 줄어든 값을 보인다. 이렇게 Case 3이 Case 2 보다 훨씬 더 많은 감소폭을 이 보이는 이유는 Fig.
0%로 두 번째 높은 파랑 출현율을 보이고 있다. 그리고 영점상향교차주기 3.5sec~7.0sec 범위에 포함된 파랑의 수는 72.6%를 차지하고 있고, 이중에서 4.0sec~4.5sec 범위에 포함된 파랑 출현율이 17.1%로 가장 높은 파랑 출현율을 보이고 있고, 4.5sec~5.0sec 범위에 포함된 파랑이 15.0%로 두 번째 높은 파랑 출현율을 보이고 있다.
4% 감소된 값이다. 유효파랑 가용량과 발전량은 Case 1 보다 약 2.0% 줄어든 4.48MW/m, 43.1kW로 계산되었다. 유효 파랑수, 가동률에 비하여 유효파랑 가용량과 발전량이 상대적으로 적은 감소폭을 보인 이유는 파랑 출현율은 상대적으로 높지만 파랑에너지 밀도가 낮은 Tz 3.
파고-주기 결합분포표에서 볼 수 있듯이, 유의파고 0.5m~3.0m 범위에 포함된 파랑의 수는 전체 파랑 수의 약 76.8%를 차지하고 있고, 이중에서 0.5m~1.0m 범위에 포함된 파랑 출현율이 34.3%로 가장 높은 파랑 출현율을 보이고 있고, 유의파고 1.0m~1.5m 범위의 파랑이 20.0%로 두 번째 높은 파랑 출현율을 보이고 있다. 그리고 영점상향교차주기 3.

후속연구

이상의 결과를 바탕으로 제주도 서쪽 해역에서 폭 넓은 주기 범위를 포함하는 Case 1의 파력발전 운용조건으로 파력발전기 설계가 이루어진다면, 상대적으로 높은 가동률과 발전량을 얻을 수 있다. 그러나 폭 넓은 주기 범위를 포함하는 Case 1의 파력발전 운용조건으로 파력발전기 설계가 어렵다면, 최소 Tz 4.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

파력발전은 무엇으로 구분되는가?

파랑이 가지고 있는 운동에너지와 위치에너지를 이용하여 발전하는 파력발전은 에너지 흡수 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형 파력발전장치로 구분된다. 가동물체형은 파도에 의해 고정된 힌지를 중심으로 상하운동이나 피칭운동을 하는 부유구조물에 유압피스톤과 모터를 설치하여 발전하는 방식이다.

파력발전이란 무엇인가?

파랑이 가지고 있는 운동에너지와 위치에너지를 이용하여 발전하는 파력발전은 에너지 흡수 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형 파력발전장치로 구분된다. 가동물체형은 파도에 의해 고정된 힌지를 중심으로 상하운동이나 피칭운동을 하는 부유구조물에 유압피스톤과 모터를 설치하여 발전하는 방식이다.

가동물체형 파력발전은 무엇인가?

파랑이 가지고 있는 운동에너지와 위치에너지를 이용하여 발전하는 파력발전은 에너지 흡수 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형 파력발전장치로 구분된다. 가동물체형은 파도에 의해 고정된 힌지를 중심으로 상하운동이나 피칭운동을 하는 부유구조물에 유압피스톤과 모터를 설치하여 발전하는 방식이다. 진동수주형 파력발전은 파랑에 의해 공기챔버 내의 물이 상하로 진동함으로서 터어빈이 설치되어있는 덕트 사이로 공기챔버 내의 공기가 왕복운동 하는 것을 이용하는 개념이고, 월파형 파력발전은 파랑의 진행 방향 전면에 사면을 두어 파랑에너지를 위치에너지로 변환하여 저수한 후 형성된 수두차를 이용하여 저수지의 하부에 설치한 수차 터어빈을 돌려 발전하는 방식이다.

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