초록

○ 기후변화협약의 온실가스 감축압력과 화석에너지 고갈에 능동적으로 대처하고, 우리나라 에너지 자급도 제로를 위하여 조류에너지 실용화 기술을 개발하고 상요화 기반을 구축을 목적으로 다음의 연구를 수행하였음
- 울돌목 시험조류발전시설 설치 및 기전설비 구축
- 조류발전시스템 성능 제고 기술개발
- 울돌목 및 장죽수도 해양특성 조사, 타당성 조사 및 조류발전 기본계획 수립

Abstract ▼

This study "Development of utilization technique for tidal current energy" is the national R&D program sponsored by the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. The $1^{st}$ phase of the research program had been performed from the year 2001 to 2005 and the $2^{nd}$ ph

This study "Development of utilization technique for tidal current energy" is the national R&D program sponsored by the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. The $1^{st}$ phase of the research program had been performed from the year 2001 to 2005 and the $2^{nd}$ phase of the research program has been performed from the year 2006 to 2011.

The major contents of the $1^{st}$ phase of the re.search program arc as follows :
1) Development of techniques for improving the efficiency of tidal current turbine
2) Field experiment of tidal current power generation with 10kW turbine (1,1m diameter, venical axis)
3) Field experiment of tidal current power genemtion with 40kW turbine (2,2m diameter, vertical axis)
4) Basic planning for tidal current power pilot plant at Uldolmok
5) Development of 500kW power converter for controling tidal current power system
6) Design of 1MW Uldolmok tidal current power pilot plant

The major contents of the $2^{nd}$ phase of the rescarch program are as follows :
1) Civil, mechanical and electrical works for the construction of 1MW Uldolmok tidal current power pilot plant
2) Development of techniques for improving the efficiency of tidal current power generating system
3) Development of structural health monitoring system for Uldolmok tidal current power pilot plant
4) Basic planning and feasibility study on the commercial plant for tidal current power generation at Udolmok and Jangjuk channel

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 조류에너지 실용화 기술개발 ... 2
• 제출문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 5
• 요약문 ... 9
• Summary ... 15
• CONTENTS ... 23
• 목차 ... 33
• 그림목차 ... 43
• 표목차 ... 55
• 제1장 ... 61
• 제1절 무공해 청정 자연에너지 개발의 필요성 ... 62
• 1. 화석연료 공급의 한계 ... 62
• 2. 국내 에너지 소비 현황 및 에너지수급의 문제점 ... 64
• 3. 기후변화협약의 동향과 지구환경 문제 ... 65
• 가. 지구온난화와 온실가스 ... 65
• 나. 기후변화협약의 주요내용 ... 66
• 다. 우리나라의 에너지부문 대응정책 ... 66
• 라. 무공해 대체에너지 개발의 필요성 ... 67
• 제2절 연구의 목적 및 기대효과 ... 71
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 74
• 제1절 조류발전 시스템 개요 ... 74
• 1. 수차(Turbine) ... 74
• 가. 수평축 수차(Horizotal Axis Turbine, HAT) ... 74
• 나. 수직축 수차(Vertial Axis Turbine, VAT) ... 75
• 2. 조류발전 구조 형식 ... 75
• 가. 고정식 발전구조물 ... 75
• 나. 부유식 발전구조물 ... 77
• 제2절 국내외 기술개발 현황 ... 79
• 1. 유럽의 조류에너지 현황 ... 79
• 가. 영국 ... 79
• 나. 노르웨이 ... 83
• 다. 기타 유럽 국가 ... 84
• 2. 북미의 조류에너지 현황 ... 84
• 가. 캐나다 ... 84
• 나. 미국 ... 85
• 3. 기타 국가 ... 86
• 가. 일본 ... 86
• 나. 호주 ... 87
• 4. 국내현황 ... 87
• 가. 울돌목 현황 ... 89
• 나. 울돌목 시험조류발전소 ... 89
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 I : 해양특성 조사 및 분석 ... 99
• 제1절 개요 ... 99
• 제2절 조석 관측 및 분석 ... 100
• 1. 울돌목 기존 장기조석 관측 ... 100
• 가. 2003~2004년 장기조석 관측 ... 100
• 나. 2003~2004년 장기조석 분석 ... 100
• 2. 2010년 명량수도 조석 관측 및 분석 ... 105
• 3.장죽수도 조석 관측 및 분석 ... 114
• 제3절 조류 관측 및 분석 ... 121
• 1. 명량수도 조류 관측 및 분석 ... 121
• 가. 1차(2009년) 및 2차 (2010년 4윌) 조류관측 및 분석 ... 121
• 나. 3차(2010년 6윌 11 윌) 조류관측 및 분석 ... 129
• 다. 분석 요약 ... 132
• 2. 장죽수도 조류 관측 및 분석 ... 133
• 가. 현장 조사 ... 133
• 나. 관측 결과 ... 134
• 제4절 해저퇴적물 및 부유퇴적물 ... 139
• 1. 해저퇴적물 분포 특성 ... 141
• 가. 표층퇴적물 분석 방법 ... 141
• 나. 분석 결과 ... 141
• 2. 명량수도 부유퇴적물 농도분포 및 이동 특성 ... 144
• 가. 부유사 농도 검보정 및 이동율 산정 방법 ... 144
• 나. 분석 결과 ... 146
• 제5절 파랑변형 수치모형 실험 ... 148
• 1. 수치모형 SWAN ... 148
• 가. 파동 평형방정식 ... 149
• 나. 바람에 의한 에너지 생성(input) ... 150
• 다. 백파에 의한 에너지 감쇠 ... 151
• 라. 저면에 의한 에너지 감쇠 ... 152
• 마. 쇄파에 의한 에너지 감쇠 ... 153
• 바. 4파 비선형 상호작용 ... 154
• 사. 3파 비선형 상호작용 ... 155
• 아. 적용 방법 ... 156
• 2. 수치실험 준비 ... 157
• 가. 수치모형 수립 ... 157
• 나. 재현빈도별 심해파 조건 검토 ... 160
• 3. 천해설계파 산정 ... 162
• 제6절 울돌목 및 장죽수도 정밀해수유동 수치실험 ... 165
• 1. 개요 ... 165
• 2. 울돌목 해역 기존 성긴 격자 (Coarse grid) 모델 연구 결과 ... 165
• 가. 1개 분조 실험 ... 165
• 나. 다분조 실험 ... 166
• 다. 단면 조류특성 ... 167
• 3. 울돌목 정밀격자 수치모형 실험 결과 ... 168
• 가. 정벌격자 조석.조류모델 수립.검증 ... 168
• 나. 정밀격자 조석.조류모델 적용실험(1개 단면 터빈 설치 실험) ... 171
• 4. 장죽수도 및 맹공수도 해수유동 수치모형 실험 결과 ... 173
• 제4장 연구개발수행내용 몇 결과 II: 울돌목 시험조류발전시설 구축 및 조류발전 수차 성능제고 실험 ... 177
• 제1절 개요 ... 177
• 제2절 울돌목 시험조류발전 시설 구축 ... 178
• 1. 공사 개요 ... 178
• 가. 시험조류발전소 공사 개요 ... 178
• 나. 추진 경위 ... 179
• 다. 주요 공사내용 ... 180
• 2. 토목공사 ... 181
• 가. 공사개요 ... 181
• 나. Jacket 설치 준비 ... 183
• 다. Jacket 설치 ... 187
• 라. 기타 부대 공사 ... 195
• 마. Jacket 시공공법 변경 ... 200
• 3. 기계공사 ... 203
• 가. 공사개요 ... 203
• 나. 수차 및 수차케이지 설치 준비 ... 208
• 다. 수차/케이지 설치 ... 210
• 라. Brake 장치 설치 ... 212
• 마. 기계공사 사진 ... 212
• 바. 시험조류발전소 준공 이후 성능개선을 위한 작업 ... 214
• 4. 전기 및 통신 공사 ... 214
• 가. 울돌목 시험조류발전소 전기 계통연계 ... 214
• 나. 전기공사 역무 및 범위 ... 216
• 다. 통합감시 장치 구축 ... 217
• 라. 전기공사 및 통합감시 장치 구축 이후 통신 에러 해결 ... 225
• 제3절 조류발전 수차 수치모형실험 ... 228
• 1. 수치실험의 개요 ... 228
• 2. 수치실험 방법 ... 229
• 가. 수치실험의 개요 ... 229
• 나. 수치실험 방법 ... 230
• 3. 수치실험 결과 및 고찰 ... 236
• 가. 수치실험 조건을 설정하기 위한 Feasibility study ... 236
• 나. 수치실험 결과 ... 249
• 제4절 조류발전 수차 특성 분석 ... 252
• 제5절 조류발전 시스템 현장실증 실험 ... 258
• 1. 출력실험 개요 및 현황 ... 258
• 2. 출력실험 결과 및 분석 ... 265
• 가. 유속특성 분석 ... 265
• 나. 시험조류발전 특성 분석 ... 279
• 제6절 시험조류발전소 구조물에 서식하는 저서동물의 연구 ... 298
• 1. 개요 ... 298
• 2. 조사 및 분석방법 ... 299
• 가. 현장조사 ... 300
• 나. 생태학적 분석방법 ... 301
• 3. 결과 ... 302
• 가. 종수, 개체수 및 생태학적 제지수 ... 302
• 나. 우점종 ... 307
• 다. 군집분석 ... 308
• 4. 고찰 및 저감방안 ... 309
• 제5장 연구개발수행 내용 및 결과 III : 울돌목 시험조류발전구조물 안전감사 시스템 기술개발 ... 315
• 제1절 개요 ... 315
• 제2절 울돌목 시험조류발전소 구조건전성 감시시스템 ... 316
• 1. 개요 ... 316
• 2. 계측시스템 설치 및 자료 ... 318
• 가. 가속도계 및 변형률계 설치 ... 318
• 나. 광섬유 FBG 센서 설치 ... 321
• 다. MFC (Macro Fiber Composite) 센서 설치 ... 323
• 3. 단기 및 장기 계측자료 분석 ... 325
• 가. 변형률 계측 자료 ... 325
• 나. 가속도 계측 자료 ... 329
• 다. 경사 계측 자료 ... 332
• 제 3절 구조건전성 감사 알고리즘 개선 방법 ... 336
• 1. 스마트 MFC 센서를 이용한 모니터링 시스템 ... 336
• 가. 개요 ... 336
• 나. 전기역학적 임피던스 기반 구조물 건전성 모니터링 ... 336
• 다. 실내 실험에 의한 적용성 평가 ... 338
• 라. 온도 및 하중 영향이 보상된 구조물의 실시간 모니터링 ... 344
• 마. 소결 ... 348
• 2. 광섬유 FBG 센서를 이용한 모니터링 시스템 ... 349
• 가. 개요 ... 349
• 나. 광섬유 격자 센서를 활용한 손상 검색 알고리즘 개발 ... 351
• 다. 실내 실험 ... 353
• 마. 소결 ... 363
• 제6장 연구개발수행 내용 및 결과 IV : 조류발전 시스템용 계동연계형 전력변환장지 품질 유지 기술개발 ... 365
• 제1절 개요 ... 365
• 1. 연구개발의 필요성 ... 365
• 2. 연구개발의 범위 ... 366
• 제2절 현장 설치용 발전기와 전력변환장치 사제품과의 육상 결합실험 ... 368
• 1. DFIG와 DFIG 제어용 전력변환장치 사제품과의 육상 결합실험 ... 368
• 가. 권선형 유도 발전기 실험 가변속 제어 특성 (800-1600 rpm) ... 369
• 나. 권선형 유도 발전기 실험 - 정상상태 제어 특성 분석(17개 정상속도) ... 372
• 다. 권선형 유도 발전기 실험 - Power Analyzer를 통한 특성 분석(계통 변압기 2차 측) ... 372
• 라. 권선형 유도 발전기 실험 - Power Analyzer를 통한 특성 분석(계통 변압기 1차 측) ... 374
• 마. 권선형 유도 발전기 실험 온도 포화 시험 ... 375
• 2. SG와 SG 제어용 전력변환장치 사제품과의 육상 결합실험 ... 376
• 가. 동기 발전기 실험 - 가변속 제어 특성 (750-1500 rpm) ... 378
• 나. 동기 발전기 실험 - 정상상태 제어 특성 분석 (6개 정상속도) ... 381
• 다. 동기 발전기 실험 - Power Analyzer를 통한 특성 분석(계통변압기 2차 측) ... 381
• 라. 동기 발전기 실험 - 온도 포화 시험 ... 383
• 3. In-phase 알고리즘 개발 및 성능평가 ... 384
• 4. 여자제어기 성능평가 ... 384
• 제3절 조류발전 시스템 시뮬레이터 개발 ... 386
• 제4절 개선된 발전기 제어 알고리즘의 개발 ... 387
• 1. Weak Grid 조건에 강인한 PLL 알고리즘 개발 ... 387
• 2. Grid-side 컨버터 제어용 이중전류제어가 (DCC) 알고리즘 개발 ... 387
• 3. DFIG Rotor-side 컨버터 제어용 이중전류제어가 알고리즘 개발 ... 387
• 4. 전압강하 조건에서 제어특성 검증 ... 388
• 제5절 전력품질 감사장치 및 PLC 운전제어 프로그램 개발 ... 388
• 1. 전력 품질 감사 장치 ... 388
• 2. PLC 운전제어 프로그램 개발 ... 389
• 제6절 발전기 제어용 전력변환장치의 조류발전소 설치 ... 389
• 1. DFIG 발전기 제어용 전력변환장지 설치 ... 389
• 2. SG 발전기 제어용 전력변환장치 설치 ... 392
• 3. PLC 및 UPS 설치 ... 393
• 4. Ethernet을 이용한 Man Machine Interface 설치 ... 396
• 5. 현장 설치 때 적용한 잡음 저감화 방법 ... 397
• 6. 현장 설치사용 설명서 및 유지.보수 방법 ... 397
• 가. DFIG 발전기 제어용 전력변환장치 사용 설명서 ... 397
• 나. SG 발전기 제어용 전력변환장치 사용 설명서 ... 397
• 다. 전력변환장치 유지.보수 방법 ... 398
• 제 7절 조류발전 시스템 실증 특성 ... 398
• 1. DFIG용 MPPT 제어기법 개발 ... 398
• 2. SG 용 MPPT 제어기법 개발 ... 399
• 3. 조류발전 시스템 특성 비교 ... 401
• 가. DFIG의 유속에 따른 유효전력의 빈도 분포 ... 401
• 나. SG의 유속에 따른 유효전력의 빈도 분포 ... 402
• 다. DFIG의 유속에 따른 시스템 효율의 빈도 분포 ... 403
• 라. SG의 유속에 따른 시스템 효율의 빈도 분포 ... 404
• 마. DFIG의 발전기 속도(Speed)에 따른 유효전력(Ps)의 빈도 분포 ... 405
• 바. SG의 발전기 속도(Speed)에 따른 유효전력(Ps)의 빈도 분포 ... 406
• 4. 최적의 조류발전시스템 구성방식 선정 ... 407
• 가. 데이터 비교 분석 ... 407
• 나. 종합 결과 ... 411
• 제8절 결론 ... 412
• 제7장 울돌목 및 장죽수도 조류발전 타당성 조사 ... 415
• 제1절 개요 ... 415
• 1. 과업의 목적 ... 415
• 2. 과업대상 위치 ... 415
• 가. 울동목 조류발전 ... 415
• 나. 장죽수도 조류발전 ... 416
• 3. 과업내용 ... 416
• 제2절 기초자료조사 및 현지조사 ... 417
• 1. 기초자료조사 ... 417
• 가. 해상 자료조사 ... 417
• 2. 현지조사 ... 419
• 가. 지형측량 ... 419
• 나. 수심측량 ... 423
• 다. 지반조사 ... 427
• 제3절 울돌목 조류발전 타당성조사 ... 432
• 1. 발전구조물 기본계획 ... 432
• 가. 평면배치계획(案) ... 432
• 나. 발전구조물 계획 ... 437
• 다. 진입 교량 ... 444
• 라. Catwalk ... 454
• 마. 부유물 차단막 ... 456
• 바. 변전소 부지조성 ... 458
• 사. 건설계획 ... 460
• 2. 정격용량 결정 및 발전량 산정 ... 462
• 가. 개요 ... 462
• 나. 정격용량 결정 ... 462
• 다. 발전량 산정 ... 463
• 3. 조류발전 설비 계획 및 최적화 ... 467
• 가. 조류발전 설비 개요 ... 467
• 나. 기계설비 및 설비 구축 계획 최저화 ... 468
• 다. 해양 환경 노출에 대한 방지 대책수립 ... 470
• 라. 전기계통 및 송정계통 ... 472
• 마. 송전 계통연계 검토 ... 474
• 바. 송전선로 경과지 검토 ... 475
• 4. 사업비 산정 및 연차별 투자계획 ... 476
• 가. 사업비산정 ... 476
• 나. 연차별 투자비 ... 483
• 5. 경제성 평가 ... 483
• 가. 개요 ... 483
• 나. 경제성 검토의 주요 전제 ... 483
• 다. 주요전제 ... 484
• 라. 경제적 타당성 검토 ... 484
• 마. 울돌목 조류발전(1안) 총 공사비 ... 486
• 바. 울돌목 조류발전(2안) 총 공사비 ... 486
• 사. 각 안별 연차별 투자계획 ... 486
• 아. 경제성 평가 결과 및 민감도 분석 ... 487
• 제4절 장죽수도 조류발전 타당성 조사 ... 491
• 1. 발전 구조물 기본계획 ... 491
• 가. 평면배치계획 ... 491
• 나. 발전구조물 ... 497
• 다. 진입 교량 및 부유물 차단막 ... 508
• 라. 변전소 부지조성 및 공사용 적출장 ... 508
• 마. 건설계획 ... 510
• 2. 단위기 용량 및 발전량 산정 ... 512
• 가. 조류발전 단위기 용량결정 ... 512
• 나. 연간발전량 산정 ... 512
• 3. 조류발전 설비 계획 및 최적화 ... 515
• 가. 조류발전 기계설비 ... 515
• 나. 전기계통 및 송전계통 ... 515
• 4. 사업비 산정 및 년차별 투자계획 ... 521
• 가. 사업비 산정 ... 521
• 나. 년차별 투자비 ... 528
• 5. 경제성 평가 ... 529
• 가. 개요 ... 529
• 나. 경제성 검토의 주요전제 ... 529
• 다. 주요전제 ... 529
• 라. 경제성 타당성 검토 ... 530
• 마. 장죽수도 조류발전 총 공사비 ... 531
• 바. 각 안별 연차별 투자계획 ... 531
• 아. 경제성 평가 결과 및 민감도 분석 ... 531
• 제8장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 534
• 제1절 연구개발 목표 달성도 ... 534
• 1. 울돌목 시험조류발전소 공사 개요 ... 536
• 2. 추진경위 ... 536
• 가. 울돌목 시험조류발전소 건설 추진 경위 ... 536
• 나. 울돌목 시험조류발전소 공사 인허가 및 관계기관 협조현황 ... 537
• 3. 주요공사내용 ... 538
• 제2절 연구개발결과의 대외기여도 ... 539
• 제9장 연구개발결과의 활용계획 ... 541
• 제10장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 543
• 제11장 참고문헌 ... 545
• 끝페이지 ... 556