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工學碩士 學位論文

조류발전용 H- 다리우스형 수직축 터빈의

유체역학적 성능해석을 위한 실험 및 수치적 연구

Experimental and Numerical Analysis on the Hydrodynamic Performance of H-Darrieus Tidal Stream Turbine

指導敎授 玄 汎 洙

2011 年 8 月

韓國海洋大學校 大學院

시스템

造船海洋 工學科

崔 多 惠

工學碩士 學位論文

조류발전용 H- 다리우스형 수직축 터빈의

유체역학적 성능해석을 위한 실험 및 수치적 연구

Experimental and Numerical Analysis on the Hydrodynamic Performance of H-Darrieus Tidal Stream Turbine

指導敎授 玄 汎 洙

2011 年 8 月

韓國海洋大學校 大學院

시스템

造船海洋 工學科

崔 多 惠

Contents

Contents ··· ⅰ Abstract ··· ⅲ Nomenclatures ··· ⅴ List of Figures ··· ⅵ List of Tables ··· ⅺ

제 1 장 서 언··· 1

연구배경

1.1 ··· 1 신재생 에너지의 분류

1.2 ··· 4 해양에너지의 정의 및 분류

1.3 ··· 6

제 2 장 조류발전 및 조류발전용 터빈의 특성··· 13

조류에너지

2.1 ··· 13 조류 발전의 특성 및 필요성

2.2 ··· 16 조류발전용 터빈의 분류 및 특징

2.3 ··· 18 수직축 터빈

2.3.1. (VAT: Vertical Axis Turbine) ··· 20 수평축 터빈

2.3.2. (HAT: Horizontal Axis Turbine) ··· 21 터빈 연구 동향 및 연구 사례

2.4 ··· 23 터빈 연구 동향

2.4.1. ··· 23 터빈 연구 사례

2.4.2. ··· 30 연구목적 및 연구내용

2.5 ··· 36

제 3 장 조류발전용 터빈의 유체역학적 특성 및 이론··· 37

터빈의 유체역학적 이론

3.1 ··· 37 수직축 터빈의 특성

3.2 ··· 40

제 4 장 터빈의 성능 해석을 위한 수치적 연구··· 42

지배방정식 및 이론 모델

4.1 ··· 42

단면 형상 의 영향

4.2 (Hydrofoil section) ··· 44

날개 수 의 영향

4.3 (Number of blades, Z) ··· 46 스팬의 영향

4.4 ··· 49

제 5 장 Lab-scale 모형실험과 수치해석의 비교··· 51

실험 모델 설계

5.1 ··· 51 회류수조 소개 및 모형 가상도

5.2 ··· 53 실험 모델 제작

5.3 ··· 54 계측장치 선정 및 상부장치 구성

5.4 ··· 56 선정 및 캘리브레이션

5.4.1 Torque meter (Calibration) ··· 56 부하장치 선정

5.4.2. ··· 58 하부장치 로터부 구성

5.5 ( ) ··· 62 실험 과정 및 실험 결과

5.6 ··· 64 보정 전 실험 결과

5.6.1 ··· 64 보정 후 실험 결과

5.6.2. ··· 66 경계조건을 고려한 성능해석 및 실험과의 비교

5.6.3. ··· 71

제 6 장 결 론 ··· 74 참고 문헌 ··· 75

Experimental and Numerical Analysis on the Hydrodynamic Performance of H-Darrieus Tidal Stream Turbine

Choi, Da-hye

Departmenet of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering Graduate School of Korea Maritime University

(Abstract)

This study on the tidal stream power plants related to new and renewable energy is investigated by numerical analyses about the fluid dynamic performance of vertical axis tidal stream turbines(VAT) with computational fluid dynamics(CFD). Based on the extensive research cases about VAT and their trends, it is understood that positive researches on VAT are necessary. This study performs the experimental and numerical analyses mainly on H-Darrieus turbines, which are easy to be produced and designed, among VAT. Numerical analyses analyzed the flow in unsteady flow conditions around two- and three-dimensional VAT using FLUENT. A rotating flow field is implemented for sliding mesh techniques for the rotation of rotor, and a k- STT turbulence model is used. The experimental analyses are carried out at the circulating water channel(CWC) of Korea Maritime University. The experimental equipments including the initial driving of turbines are installed in CWC considering the vibration of rotor shart

induced by fluctuating load of rotor blade. The result of numerical analyses are compared with the experimental result. In case of the numerical analyses of a H-Darrieus turbine, the patterns of two- &

three-dimensional analyses are similar, but there is some difference in the absolute values due to the various three-dimensional effects. In case of the numerical analyses, additional studies are needed as there is some difference based on the boundary conditions. The maximum efficiency of experimental results is approximately 36%, but it included a lot of uncertainty error. So additional studies are needed to explain the blockage effect of CWC. It is understood that based on the study results about VAT, the studies on various shapes of turbines like Davis turbine and Helical turbine are considered to be possible gradually.

Nomenclatures

 블레이드 통과 단면적 (Blade Sweep Area) [^] 조석 높이

b [m]

 터빈의 효율 동력계수, (Power Coefficient, Cp)

 직경 (Diameter) []

 에너지(Energy) [J]

_ 월간 에너지밀도 (monthly energy density) [^]

  주간 에너지밀도 (weekly energy density) [^]

 중력가속도 (= 9.81[^])

 높이 (Span, Height) []

 관성모멘트 [ ∙ ^]

 운동에너지 (kinetic energy) [J = kg·m²/s²]

 질량 (mass) [kg]

회전수 (number of revolution) []

_ 힘 밀도 (Power density) [^]

_ 동력 출력, (Power) []

 포텐셜 에너지 (potential energy) [J = kg·m²/s²]

 반경 (Radius) []

 솔리디티 (Solidity)

   토크 (Torque) [N m]·

 Tip Speed Ratio (익단속도비)

  유속 (Current Speed) [m/s]

해수면과 수직축 z

 발전기 효율

ρ 해수의 밀도 (Water density) [kg/^]

 각속도 [rad/s]

List of Figures

Fig. 1.1 World marketed energy consumption (1990-2035) Fig. 1.2 World electricity generation by fuel (2007-2035) Fig. 1.3 La Rance Tidal Power Plant

Fig. 1.4 Sihwa Tidal Power Plant Fig. 2.1 Annual energy density

Fig. 2.2 National annual energy density distribution

Fig. 2.3 Size comparison of a 1MW wind and tidal turbine (MCT Ltd.)

Fig. 2.4 Comparison of energy Capture per unit size of system Fig. 2.5 Classification of Turbine system

Fig. 2.6 Classification of tidal stream turbine

Fig. 2.7 Vertical Axis Turbine : Darrieus turbine (Cross-flow turbine) Fig. 2.8 Horizontal Axis Turbine : Propeller type turbine

(Axial-flow turbine) Upwind rotor and downwind rotor Fig. 2.9 Underwater Mills (HAT: Axial-flow (Propeller))

Fig.2.10 Support structures

Fig.2.11 Practical marine current energy resource in the UK Fig.2.12 A Horizontal Axis Tidal current Turbine

(Seaflow_300kW, MCT)

Fig.2.13 Seaflow foundation and Foundation drilling

Fig.2.14 Seaflow Pile Installation and general arrangement Fig.2.15 SeaGen Project

Fig.2.16 SeaGen Array Project

Fig.2.17 Key project costs with MCT(Marine Current Turbines) Fig.2.18 SMD Hydrovision’s TidEl tidal stream generator

Fig.2.19 Lunar energy : Rotech Tidal Turbine

Fig.2.20 Maintenance for Rotech Tidal Turbine (RTT)

Fig.2.21 Verdant Power : RITE(Roosevelt Island Tidal Energy) Project.

Fig.2.22 Helical Turbine (Demo Projects.Cape Cod(1996) and Marine 2003)

Fig.2.23 Triple Helix(2002) and Gorlov Helical Turbine (2004) Korea Fig.2.24 The towing tank at UBC and Marine 2003)

Fig.2.25 Experimental model Fig.2.26 Computation domain Fig.2.27 Rotor section

Fig.2.28 Torque vs. phase angle at 1m/s, TSR=2.25 Fig.2.29 Torque vs. Phase angle at 1m/s, TSR=3.5

Fig.2.30 The turbine in its initial position relative to the duct.

Fig.2.31 Comparison of power

Fig.2.32 Comparison of Power Coefficient at TSR=2.25 Fig.2.33 Comparison of Power Coefficient at TSR=3.5 Fig.2.34 Power coefficient with various number of blades Fig.2.35 Power coefficient with various Solidity

Fig.2.36 Mean Power Coefficient with optimum design Fig. 3.1 Power coefficient at various turbine

Fig. 3.2 Idealized flow through an actuator disk

Fig. 3.3 Darrieus turbine - curved type (Tropskien blades) Fig. 3.4 Darrieus turbine - straight type (H-Darrieus turbine) Fig. 3.5 Darrieus turbine works

Fig. 3.6 The schematic diagram of VAT

Fig. 4.1 Sliding mesh method of sliding interface Fig. 4.2 NACA653-018 blade section

Fig. 4.3 NLF(1)-0416 blade section Fig. 4.4 Comparison Power coefficient Fig. 4.5 Comparison at 1 cycle (TSR 3.4)

Fig. 4.6 Power coefficient at various number of blades Fig. 4.7 Power coefficient at 1 cycle

Fig. 4.8 Pressure contour at Z=3, D=0.8m, c=0.07m, S=0.084 Fig. 4.9 Velocity contour at Z=3, D=0.8m, c=0.07m, S=0.084 Fig.4.10 Pressure contour at Z=4, D=0.8m, c=0.07m, S=0.084 Fig.4.11 Velocity contour at Z=4, D=0.8m, c=0.07m, S=0.084 Fig.4.12 Schematic view of the discretized swept volume.

Fig.4.13 Torque with 1 cycle

Fig.4.14 Power Coefficient with 1 cycle Fig. 5.1 Design of experimental model

Fig. 5.2 Details of configuration with Power transfer section Fig. 5.3 Details of configuration with rotor section

Fig. 5.4 The final drawings of total H-darrieus turbine system Fig. 5.5 Schematic of Rotor

Fig. 5.6 Circulating Water Channel Fig. 5.7 Test section

Fig. 5.8 Concept of H-darrieus tubine Fig. 5.9 Production process of stands Fig.5.10 Production of main panel Fig.5.11 Connecting of main unit Fig.5.12 Complete upper unit

Fig.5.13 Rated shaft type torque transducers Fig.5.14 Rated torque meter (SBB-10K&SBB-2K) Fig.5.15 Shape of powder brake

Fig.5.16 Configuration of system

Fig.5.17 Comparison of First and final system

Fig.5.18 Initial Rotor system (Rotor system without lower support) Fig.5.19 Changing of lower system

Fig.5.20 Rotor system with bearing Fig.5.21 Final Rotor system

Fig.5.22 Comparison of Power coefficient Fig.5.23 Power Coefficient with TSR Fig.5.24 Torque and rpm with velocity

Fig.5.25 Power Coefficient and Torque Coefficient with velocity Fig.5.26 Rotor rpm with time

Fig.5.27 Torque with time

Fig.5.28 Torque with time at TSR2.8 Fig.5.29 Rpm with time at TSR2.8 Fig.5.30 Torque with time at TSR3 Fig.5.31 Rpm with time at TSR3 Fig.5.32 Torque with time at TSR3.2 Fig.5.33 Rpm with time at TSR3.2 Fig.5.34 Torque with time at TSR3.4 Fig.5.35 Rpm with time at TSR3.4 Fig.5.36 Torque with time at TSR3.5 Fig.5.37 Rpm with time at TSR3.5 Fig.5.38 Torque with various TSR

Fig.5.39 Power coefficient with various TSR Fig.5.40 Power at various rotor RPM

Fig.5.41 Power coefficient at various rotor rpm

Fig.5.42 Comparison between Experiment and CFD with various TSR at 3blades

Fig.5.43 Comparison between Experiment and CFD with various TSR at 4blades

Fig.5.44 Computational domain and boundary conditions (Case 1) Fig.5.45 Experimental domain and boundary conditions (Case 2)

Fig.5.46 Power coefficient with various TSR at Z=3 (Computational Domain) Fig.5.47 Power coefficient with various TSR at Z=3 (Experimental Domain) Fig.5.48 Power coefficient with various TSR at Z=4 (Computational Domain) Fig.5.49 Power coefficient with various TSR at Z=4 (Experimental Domain) Fig.5.50 Comparison between Experiment and CFD with various TSR

at 3blades

List of Tables

Table.1.1 BP Statistical Review of World Energy 2010 Review of World Energy

Table.1.2 Kinds of wave power

Table.1.3 The main difference between the world's largest tidal Table.1.4 Major tidal power plant in the world

Table.1.5 Comparison of energy unit cost

Table.2.1 Key project and costs with MCT(Marine Current Turbines) Table. 2.2 Test conditions

Table. 2.3 Comparison of mean Power coefficient at NACA 634-021 Table.2.4 Solidity as a design variable

Table.4.1 Test condition

Table.4.2 Test condition with various Height(Span) Table.5.1 Specification of torque transducers Table.5.2 Torque calibration data of SBB-10K Table.5.3 Torque calibration data of SBB-2K Table.5.4 Specification of Powder brake Table.5.5 Configuration of Tension controller Table.5.6 Rotor rpm at various velocity Table.5.7 Comparison of Power coefficient

제 1 장 . 서 언

연구 배경 1.1

Fig.1.1 World marketed energy consumption (1990-2035)[1]

(Source: International Energy Outlook. 2006.

United States Energy Information Administration)

세계 에너지 수요 전망(IEO) 2010에 따르면 세계 에너지 소비는 Fig.1.1과 같이 부터 년까지 약 증가할 것으로 예상되었다 이를 통해 경제가 성장함에

2007 2035 49% .

따라 세계 에너지 수요도 급증함을 알 수 있다.[1]

오늘날 에너지는 사회 전반적인 모든 경제활동의 필수 제원으로서 산업 생산 및 수 송 가정 및 상업용으로 두루 사용되므로 없어서는 안 될 필수 요소이다 인간의 윤택, . 한 삶과 경제활동을 지탱하는 기반은 에너지이며 지금까지의 경제발전을 이끌어온, 1 차 에너지원의 약 80% 이상을 석탄 석유 천연가스 등의 화석연료를 통해 얻고 있다, , . 우리가 현재 사용하고 있는 대표적인 에너지원은 석유 석탄 천연가스 핵 바이오메, , , , 스 등이 대표적이고 에너지원의 사용비중은 Table.1.1과 같다.

우리가 현재 소모하는 에너지원 대부분은 석유 석탄 가스 등의 화석연료가 차지하고, , 있다 하지만 우리가 사용할 수 있는 화석연료는 생산 속도보다 소비 속도가 빠르다. . 게다가 석유 산유국은 편재되어 있기 때문에 에너지원의 수급 불균형은 국내는 물론, 이고 세계적으로 미치는 파급효과가 크다.

Table.1.1 BP Statistical Review of World Energy 2010 Review of World Energy

단위 신 재생에너지백서

[ :Mtoe] (Source: 2010 · [2])

구분 1980 2000 2007 2015 2030 % Rate of increase Coal 1,792 2,292 3,184 3,828 4,887 25.3 1.9%

Oil 3,107 3,655 4,093 4,234 5,009 37.3 0.9%

Gas 1,234 2,085 2,512 2,801 3,561 23.3 1.5%

Nuclear energy 186 676 709 810 956 5.7 1.3%

Water power 148 225 265 317 402 3.2 1.8%

Bioenergy 749 1,031 1,176 1,338 1,604 3.8 1.4%

etc. 12 55 74 160 370 1.4 7.3%

Total 7,228 10,018 12,013 13,488 16,790 100 1.5%

주요 화석연료의 확인매장량의 가 채년 수가 제한적이므로 전 세계적으로 에너지 수 급전망은 비관적이며 에너지의 생산과 소비의 불균형이 심화되고 있다 무엇보다 석유, . 등 화석 연료의 매장량이 바닥을 드러내고 있다. 1970년대 석유파동으로 화석연료의 가격이 급등하였다 무엇보다 화석연료를 사용함에 따라 발생하는 이산화탄소와 각종. 오염물질의 배출을 증가시켜 극심한 환경오염과 지구 온난화를 가속화되고 있다. 2000 년대에 들어서는 유가 상승과 에너지 수급 불안 등의 문제가 다시금 대두되었으며, 년 월 일 지구 온난화 규제 및 방지 국제협약인 기후변화협약에 따라 온실가 2005 2 16

스 감축에 관한 교토의정서가 공식 발효되었다 이산화탄소. (CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질 소(N2O), 불화 탄소(PFC), 수소화 불화 탄소(HFC), 불화 유황(SF6) 등의 대표적인 온 실가스의 감축과 더불어 에너지 효율 향상 문제의 근원인 화석연료를 대체할 신재생, 에너지 개발의 필요성이 대두되었고 오염이 발생하지 않는 무한한 에너지원을 찾기, 위해 전 세계가 노력하고 있다. [2]

Fig.1.2 World electricity generation by fuel (2007-2035) [1]

(Source: International Energy Outlook. 2006.

United States Energy Information Administration)

대표적인 신재생에너지로는 태양에너지 바이오에너지 풍력에너지 지열에너지 수소, , , , 에너지 해양에너지 등이 있으며, Fig.1.2의 경향과 같이 연구 개발을 통하여 비중을 높 여나갈 전망이지만 에너지 소모량의 증가로 화석연료 소모량의 증가 또한 불가피하다, . 년대에 들어서 산유국들의 국제 정세의 불안정 등의 이유로 유가 상승과 에너지 2000

수급의 불안 등의 문제가 다시금 대두 되었으며, 2005년에 발효된 유엔 기후변화협약 교토의정서 으로 인해 국가 간 온실가스 배출 규제가 강화되면서 비로소 신재생에너지

( )

의 개발 및 보급 확대를 위한 정부의 지원과 정책이 활발히 진행되고 있다 온실가스. 배출량이 세계 상위권인 우리나라는 온실가스 배출 저감을 이행하여야 하며 지속되는, 고유가를 고려해 볼 때 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다.

신재생 에너지의 분류 1.2

대체에너지는 1970년대에는 화석연료를 대체한다는 의미로 사용되었고 1980년대 이 후 천연가스 원자력 등의 사용이 증가하고 환경오염에 의한 지구 온난화가 대두됨에, , 따라 최근에는 청정에너지의 의미로 신에너지와 재생 에너지를 의미한다 대부분의 대. 체 에너지원은 환경적인 영향에 매우 지배적이다 이러한 대체에너지의 형태를 포괄적. 으로 신재생 에너지(New&renewable energy)라고 지칭하기도 한다 대체에너지원 중. 대표적인 에너지원인 자연에너지는 태양이 있는 한 재생 가능하고 화석연료와 비교하 면 환경오염이 극도로 적다 대표적인 대체에너지원은 태양에너지 태양열 에너지 태양. ( , 광 에너지), 바이오 에너지 지열 에너지 풍력 에너지 수소 에너지 해양 에너지 등이, , , , 있으며 이러한 오염이 발생하지 않는 무한한 에너지원을 찾기 위해 전 세계가 노력하, 고 있다.

태양에너지는 크게 태양열 에너지와 태양광 에너지로 분류할 수 있다.

태양열 에너지는 태양으로부터 방사되는 복사에너지가 대기층을 투과하여 지표면에 도달되는 열 및 광 에너지를 모아 필요한 곳에 사용하는 에너지이다 태양으로부터 나. 오는 에너지는 무한할 뿐만 아니라 깨끗하고 공해가 발생하지 않는 청정에너지이다.

그러나 단위면적당 공급받을 수 있는 에너지양이 적고 흐린 날이나 비가 오는 날처럼, 항상 태양에너지를 사용할 수 없다는 점에서 태양에너지를 이용한 기술의 어려움이 있 으며 현재 석유 값과 비교하면 비경제적이라는 문제점을 가지고 있다, . [3]

태양광 에너지는 태양광 발전 시스템을 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환시 키는 기술로서 태양광발전은 태양전지와 축전지 전력변환장치로 구성된다 태양 빛이, . 형 반도체와 형 반도체를 접합시킨 태양전지에 쪼여지면 태양 빛이 가지고 있는 에

P N

너지에 의해 태양전지에 정공과 전자가 발생하고 이때 정공은 P형 반도체 쪽으로 전, 자는 N형 반도체 쪽으로 모이게 되면서 전위차가 발생하여 전류가 흐르는 원리이다. 태양광발전은 공해가 없고 필요한 장소에서 필요한 전기만 생산 가능하며 유지보수가, , 쉽다 한번 설치하면 유지비용이 거의 들지 않고 수명이. 20년 이상으로 장기간 사용 가능하지만 전력생산이 일조량에 의존되고 설치장소가 한정적이며 초기 투자비용 및, , , 발전단가가 높다.

바이오에너지는 광합성에 의해 생성된 각종 생물자원 유기성 폐기물 등 유기물질을, 미생물 전환에 의해 연료용 가스와 액체연료를 생산 공급하는 기술을 말하는데 바이오· , 에너지를 바이오매스에너지(biomass energy)라고도 한다 바이오매스를 에너지원으로. 이용하면 에너지를 저장 재생이 가능하며 물과 온도 조건만 충족하면 지구 어느 곳에· , 서나 얻을 수 있고 적은 자본으로도 개발할 수 있으며 원자력 등 다른 에너지와 비교, , 할 때 환경적으로 안전하다 그러나 바이오매스를 얻기 위해 넓은 면적의 토지가 필요. 하며 자원량의 지역적 차이가 큰 것이 단점이다, .

지열에너지는 물 지하수 및 지하의 열 등의 온도 차를 이용하여 냉 난방에 활용하는, ∙ 기술로서 태양열의 약, 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며 이렇게 흡수한 땅속 온, 도는 개략 10 C˚ 에서 20 C˚ 정도를 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방 시스템에 이용한 다 발전 비용이 비교적 저렴하고 운전 기술이 간단하다는 장점이 있으나 발전할 수. , 있는 지역이 한정되어 있다.

풍력에너지는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이며 회전자 운동량, ( 변환 장치), 변속장치 동력전달장치( ), 발전설비장치 동력변환장치( ), 축전설비장치 제어( 및 저장장치), 지지대 등으로 구성된다 회전자는 에너지를 회전력으로 바꾸어 주는 장. 치로 운동량 변환방식에 따라 양력을 이용한 회전자가 항력을 이용한 회전자에 비해 단위면적당 동력이 크고 회전수가 많으며 효율이 높아서 풍력발전용으로 많이 사용되, 며 회전축에 따라 크게 수직축 터빈방식과 수평축 터빈방식으로 구분된다 바람은 지. 상 10m 이상의 높이에서 난류현상이 없어지며 풍속이 급격하게 증가하기 때문에 일, 반적으로 지상으로부터 최소 10m 이상에 설치해야 한다.

수력에너지는 물의 위치에너지를 이용하는 것으로 중력에 의한 인력을 이용하는 에너 지이다 수력발전은 높은 곳에 있는 하천 또는 저수지의 물의 힘을 이용하여 발전기를. 돌려서 전기를 발전시키는 원리이다 현재 가장 널리 쓰이는 재생 가능한 에너지이며. , 점점 의존도가 증가하고 있다 일단 건설이 되면 더 이상 직접적인 폐기물은 방출하지. 않으며, 이산화탄소 배출량도 적다 하지만 수력 전기를 위해 건설해야 하는. 댐의 건설 비용과 환경에 미치는 영향 때문에 재생 가능한 에너지로 여기지 않기도 한다.

해양에너지의 정의 및 분류 1.3

화석자원의 고갈과 더불어 온실가스 배출의 급증에 따른 지구 온난화의 가속화로 전, 세계적으로 친환경적인 신재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있다 태양열 에너지 해. , 양 에너지 수소 에너지 등 오염이 발생하지 않는 무한한 에너지원을 찾기 위해 전 세, 계가 노력을 기울이고 있으며 이 중 해양에너지 관련분야도 중요한 신재생에너지 원, 으로써 전 세계적으로 연구되고 있다 해양은 이러한 자원 문제에 대비할 수 있는 지. 구상의 마지막 보고로 그 가치가 상당히 높으며 특히 해양에너지 자원의 개발은 점차, 심화되고 있는 전 지구적인 환경오염 문제에 효과적으로 대응할 방안의 하나로서 그 중요성이 인식되고 있다 해양에는 이용 가능한 다양한 형태의 에너지가 부존하며 태. , 양 달 지구 등 천체운동에 의한 조석에너지 바람 파랑 또는 해류와 같은 운동에너, , , , 지 그리고 해양에 저장되는 열에너지 등으로 크게 나눌 수 있다 그 중 조석에너지는, . 조력 및 조류력으로 이용되며 강한 조류가 발생하는 곳에서는 바닷물의 흐름을 직접, 이용하는 조류발전도 가능하다 이러한 조석현상은 규칙적인 천체운동에 의해 발생하. 므로 바다에서 발생하는 현상 가운데 가장 규칙적이며 정확한 장기예측이 가능하다.

이에 따라 조석에너지 또한 정확한 장기예측이 가능하다는 가장 큰 장점을 가고 있다.

해양에너지는 파도 (waves), 조석 (tides), 조류 (current) 등의 기계적 에너지와 온도 차 염도 차 등의 열에너지 및 해양바이오에너지 등을 이용하는 다양한 재생에너지의, 형태로 존재한다 해양에너지를 이용한 발전으로는 크게 파력발전 조력발전 조류발전. , , , 해수 온도차발전 바이오매스 해상풍력발전 등 크게, , 6가지로 나눌 수 있다 이러한 해. 양에너지를 이용하는 기술은 해양에 광범위하게 분포하는 파랑 조석 조류 수온 등의, , , 물리적 에너지를 전기에너지로 변화하는 장치와 복합발전 및 복합이용기술을 포함한 다 또한 관련된 해양구조물의 설계 및 성능평가 공학기술과 실 해역에 설치 및 유지. , 보수의 실용화 기술로 정의된다 현재 해양에서 개발되는 대표적인 대체에너지는 크게. 해류발전 조력발전 파력발전 온도차발전 풍력발전 조류발전 등이 대표적인 연구 분, , , , , 야이다.

해양에너지는 특히 타 자연에너지와 비교하면 지리적 제약이 적은 점이 큰 장점이다.

화석연료는 대표적인 몇몇 산유국에 편재되는 반면에 해양에너지는 저위도 열대해역에 서는 온도차 에너지 북반구의 고위도에서는 조석에너지 중위도에서는 파랑에너지 남, , ,

반구에서는 중위도에서 조석이 고위도에서는 파랑에너지가 크므로 지역적 제약이 적은 편이다 그리고 해양에너지는 이와 같은 맥락에서 볼 때 전 세계적으로 부존량이 풍부. 하고 계절의 제약 또한 다른 대체에너지에 비해 적으며 사전 예측이 가능하여 계획적 인 에너지 생산을 도모할 수 있다 특히나 오염이 적은 무공해 청정에너지원으로 주야. 구분 없이 전력생산이 가능한 안정적인 에너지원이다 정부가 저탄소 녹색성장을 위한. 핵심 산업으로 신재생에너지 산업을 집중적으로 육성키로 함에 따라 다양한 연구와 추 진을 위한 이목과 노력이 집중되고 있다 실제로 미국 일본 독일 등 선진국은 화석에. , , 너지 시대의 종말에 대비해 오래전부터 수소를 활용한 핵융합 등 새로운 에너지개발기 술 연구와 함께 “신재생에너지” 연구 및 개발을 국가적 과제로 삼아 추진해 왔다. “신 재생에너지 는 석유나 석탄 가스 등 화석연료처럼 일회성 연료가 아니라 태양열 태양” . , 광 풍력 육상 해상, ( & ), 바이오 조류 해류 조력, , , , OTEC, 농도 차 발전 등 지속적으로 순환하여 사용할 수 있는 친환경적인 에너지를 일컫는 말이다 국내에서도 정부가 저. 탄소 녹색성장을 위한 핵심 산업으로 신재생에너지 산업을 집중적으로 육성키로 함에 따라 다양한 연구와 추진을 위한 이목과 노력이 집중되고 있다 특히 한국은 좁은 영. 토에 비해 삼면이 바다인 만큼 풍부한 해양에너지를 가지고 있다 활발히 연구 개발되. 어 상용화 단계인 풍력에너지 또한 육상에서보다 해상에서 더 빛을 발할 것이다 세계. 각국에서 보다 각국에 유리한 신재생에너지에 힘쓰고 있다 국내에서는 풍부한 해양에. 너지를 이용한 개발이 활발히 진행되어야 한다고 믿어진다 바다는 조석 파랑 해류의. , , 역학적 에너지와 열에너지 물리화학에너지 및 생물에너지로 나뉜다 이 에너지원들을, . 토대로 현재 해양에서 파력발전 조력발전 해류발전 조류발전, , ( ), 해수 온도차발전 염분, 농도차 발전 해상풍력 발전 등이 대표적으로 연구되고 있다 그 중 조력발전 파력발, . , 전 조류발전에 관하여 논하고자 한다, .

파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의, 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지로 평가된다 파력발전은 에너지 변환원리에 따라 파랑이 물체에 주는 힘과 진동을 이용. 하는 가동물체형과 파랑에 의한 수위 변화를 이용하여 공기의 이동을 이동하는 진동수 주형 파랑에 의한 수압 변화를 이용한 수압면형 수심이 얕은 해역에서 파랑의 힘에, , 의해 제방에 유입되는 해수를 이용해 수차를 운전하는 월파형 그리고 방파제 전면 등, 에서 평균수위가 상승하는 효과인 wave set-up 방식이 적용된다 가동 물체형은 수면.

의 움직임에 따라 민감하게 반응하도록 고안된 여러 형태의 기구를 사용하여 파랑에너 지를 물체에 직접 전달하고 이때 발생하는 물체의 움직임을 전기에너지로 변환하는, 방식으로 파력발전의 가장 오래된 형태이다 진동수주형 파력발전은 파랑에너지를 공. 기의 흐름으로 변환하고 발생한 공기의 흐름 중에 터빈을 위치시켜 전기를 얻는 파력, 발전 방식이다 입사파가 장치의 전면에서 반사되어 중복파가 형성되고 이때 발생하는. , 수면의 상하 움직임이 장치 전면의 개구부를 통해 공기실 내로 전달되어 공기실 안의 공기가 압축 팽창을 반복하게 되면 이에 의해 공기실 상부 노즐분에 공기의 흐름이 발/ , 생하게 된다 월파형 파력발전은 파랑의 진행방향 전면에 사면을 두어 파랑에너지를. 위치에너지로 변환하여 저수한 후 형성된 수두 차를 이용하여 저수지의 하부에 설치한 수차 터빈을 돌려 발전하는 방식이다.

Table.1.2 Kinds of wave power

종류 내 용

가동 물체형

수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하는 물체의 움직임을 전기 에너지로 변환하는 가장 오래된 발전 방식

파력을 직접 이용하므로 에너지 효율이 높음

- .

파랑과 직접 부딪히므로 구조물이 취약함

- .

진동 수주형

파력에너지를 공기의 흐름으로 변환하여 전기에너지로 변환하는 방식.

효율이 원파형에 비해 높고 파랑의 형태와 무관하게 발전가능

- .

파랑의 변동성을 제어기 어려운 단점이 있음

- .

월파형

파력의 진행방향 전면에 사면을 두어 파랑에너지를 위치에너지로 변환하여 전기에너지를 생산하는 방법.

일정 수위 이상에서만 발전 가능

- .

파랑에너지는 변환방식에 따라 수립자의 상하운동 또는 횡 방향 운동을 이용하는 것, 동압을 이용하는 것 수립자의 회전운동 전체를 이용하는 것 수압을 이용하는 것 쇄, , , 파하는 부분을 이용하는 것 파랑에너지의 증폭 등이 있다 물 입자의 운동방향에 따라, . 파의 상하운동 파의 수평운동 또는 파에 의한 수중압력을 이용하여 각각 공기에너지, 나 기계에너지 또는 수력에너지로 변환시키는 세 가지 방법으로 구별할 수도 있다.

에너지로의 변환방식은 파랑에너지를 물의 위치에너지로 변환하는 방법으로 파랑이 월파 되면서 얻어지는 저수지와 해면 사이의 수두 차로 저 낙차 터빈을 회전시키는 것 과 위치에너지와 수류 에너지를 병용하여 저 낙차로 발전하는 것이 있다 전기에너지. 로의 변환방식은 파랑의 상하운동 또는 수평운동에 의한 입사에너지를 이용하여 기계 를 작동시키는 것으로서 기계 운동력으로 변환된 에너지는 다시 펌프 유압 공기압으, 로 변환되거나 또는 그대로 발전기에 입력되는 것 등이 있다 공기에너지로의 변환방. 식은 공기실을 설치하여 내부의 공기가 파랑의 상하운동에 의하여 압축 팽창될 때에, 생기는 공기의 흐름으로 터빈을 움직이는 것으로 공진 효과를 이용하여 파랑의 상하, 운동을 증폭시킬 수도 있다 파력발전에 관한 연구는 약. 100년 전부터 시작되었고 주, 로 영국 노르웨이 스웨덴 같은 북유럽과 미국 일본 등에서 많은 연구를 수행했으며, , , , 현재 약 50여 종의 파력발전 장치가 고안되어 있다 영국은 부체식의 공기 터빈방식에. 대한 연구가 많고 일본에서는 고정식 파력발전 장치가 비교적 주로 연구되고 있으며, 에너지변환방법은 기계적 또는 수력터빈 방식이 대부분이다 우리나라 연안의 파력발. 전 에너지는 약 500만kW로 추산되고 있으며 1997년 우리나라 연구기관에서도 60kW 급 파력발전 장치를 개발하였다.

조력발전[潮力發電, tidal electric power generation]은 조수(潮水) 간만(干滿)의 수 위 차로부터 위치에너지를 운동에너지로 바꾸어 전기에너지로 전환하는 발전 방식이 다 기존의 수력발전 원리를 토대로 댐을 이용하는 발전방식으로 특히 조수간만의 차. 이가 큰 시화호 등과 같은 만이나 육지와 섬 섬과 섬 사이를 둑으로 가로막아 둑 안. 과 밖의 물 높이를 이용해 발전기를 돌려 전기에너지를 얻는 방식이다 조류가 밀려드. . 는 동안 수문이 열려 저수지가 채워지고 만조, (滿潮)일 때는 수문이 닫힌다 유입한 바. 닷물을 높은 곳의 저수지에 가두어 두었다가 간조, (干潮)와 같이 터빈을 작동시킬 만큼 충분한 낙차(落差)를 얻을 때 물을 방수하여 발전기를 회전시키는 원리이다 조력발전. 은 충분한 조차가 필요하며 넓은 저수지의 확보가 필수적이며 이와 같은 조건을 갖추, 면서 경제적으로 알맞은 지점은 극히 한정적이며 특히 개발비용이 많이 들고 유지관, 리비용이 많이 들며 댐을 건설해야 하므로 해양환경에 악영향을 미친다 갯벌의 황폐. 화는 물론이고 방대한 규모가 필요한 발전이다 조석의 크기는 이론적으로는 최대라고. 하더라도 수 십cm에 불과하지만 해안지형에 대한 영향 연안류나 조류 등의 상호현상, , 등에 의해 조위 차가 최대 10m 이상이 되는 지점이 세계각지에 존재하고 있다 대표.

적인 곳은 캐나다 대서양연안 펀디만( : 15.6m) 영불해협에 면하는 해역 영국 서해안의( 브리스톨만 : 13m), 호주 서북만 한국 인천 부근 중국 항주항 해역 앵커리지 캘리포, , , . 니아항 남아메리카 마젤란 해협 아마존 강 러시아 서극해안 백해 등으로 다음과 같, , , 다.

Table.1.3 The main difference between the world's largest tidal

지 명 국 명 최대조차 대조시( )

만

Monston (Fundy ) 캐나다 16m

severn 영국 15.5m

Jordan 캐나다 15.4m

Fizroy 호주 14.7m

만

Granville (st. Malo ) 프랑스 14.5m 만

Rance (st. Malo ) 프랑스 13.5m 파다고니아

Rio Gogllegos( ) 아르헨티나 13.3m

인천 한국 13.2m

칸베이 만

Bhaunagar( ) 인도 12.0m

구크 만

Anchorage( ) 미국 12.0m

백해

Anadory( ) 소련 11.0m

실제 조석발전소의 대표적인 예는 프랑스의 랑스 발전소이다 프랑스의 지중해 연안. 의 조차는 매우 작지만 대서양 연안에서 영불해협에 면하는 가스고뉴, (Gascogne)항에 서 브르타뉴(Bretagne)에 걸친 해안은 세계적으로 조차가 큰 해안이다 프랑스에서 의. 조석발전 건설계획은 1920년경에 시작되었고, 1941년 Rance 지점을 대상으로 연구가 착수되었고 전후, 1946년 프랑스 전력공사, EDF의 설립과 더불어 연구되었다 이 지. 점은 조차가 충분히 크고 충분한 정수지 확보가 유리하며 출구 폭이 좁아 가장 유리, 하다고 선정된 지점이다. 1MW급 24기로 총 240MW, 벌브형으로 연간발전량 약

로 년부터 상용 가동 중이다 평균조차 전체 방조제 길이는

540GWh 1968 . 8.5m, 750m

이다 캐나다의 아나폴리스는 단위 용량. 2 kW만 급 straflo형 수차발전기이고 중국은, 지앙시아가 3,200kW급으로 대표적이다 러시아. Kislaya-Guba는 단위 용량 400kW급 벌브형 수차이다 국내는 시화호 조력발전소가 평균조차. 5.57m, 방조제 길이 12.7km, 총 발전설비용량 254MW로 벌브형 수차발전기 10 ,기 단류식 창조발전으로 연간

백만 로 세계 최대 규모를 자랑한다

552.7 kWh .

Table.1.4 Major tidal power plant in the world

이름 나라 용량(MW) 최대조차(m) 준공년도

랑스

Rance ( ) 프랑스 240 13.5 1966

아나폴리스

Annapolis ( ) 캐나다 20 8.7 1984

지앙시아

Jiangxia ( ) 중국 3.2 8.4 1985

가로림 한국 520 7.9 2012(예정)

시화호 한국 254 5.7 2010

Fig.1.3 La Rance Tidal Power Plant Fig. 1.4 Sihwa Tidal Power Plant

해류발전은 바다의 해류를 이용하여 발전하는 기술로 유향이 거의 일정한 발전 방식 이다 조수간만의 차에 의한 조류도 이에 포함된다. .¹⁾ 해류는 온도와 농도에 따라서 수 직적으로 생기는 해류가 있고 바람과 지구 자전의 영향에 의해 생기는 높이 차이에, 의해 수평적으로 흐르는 해류가 있다 즉 해류는 어느 정도의 폭 길이 두께를 가지고. , , 어느 정도 이상의 속도로 거의 같은 방향으로 움직이고 있는 해수의 흐름이다 같은. 방향으로 움직이고 있다는 점에서 주기적으로 방향이 변하는 조류와는 구별된다 이. 점에서 조류는 해수의 진동현상인 것에 대하여 해류는 거의 정상적인 유로라고 할 수 있다.

조류발전은 조수 간만의 차에 의해 발생하는 높은 유속을 이용하여 에너지를 생산하 는 발전으로 물살이 빠른 곳에 터빈을 설치하여 수평 유체 흐름을 회전운동으로 변환, 시켜 전력을 생산한다. 조수간만에 의해 밀물과 썰물 즉 창조류와 낙조류가 발생하며,

1) 임진우(2007:16)

이는 조수간만의 차가 심할수록 유속이 빠르다. 조류발전은 수십에서 수백 kW의 전력 을 생산하는 터빈을 연결하여 발전하는 방식으로 수심이 깊지 않고 유속이 빠른 인천 및 남서해안 일대에 적합한 시스템이다 세계적으로 조수간만의 차가 크게 발생하는. 나라는 매우 드물며 대한민국은 조류발전 개발의 최적지 중 하나로 꼽히고 있다 그리, . 고 공기와 해수의 밀도차가 약 900배이므로 에너지 밀도가 매우 높다는 장점이 있다. 조류발전 시스템의 구성은 터빈 블레이드 발전기 기어박스 및 베이스 시스템 등으로, , , 구성된다. ²⁾

Table.1.5 Comparison of energy unit cost [US $/kWh]

에너지 발전 방식 발전 단가 (unit cost)

[US $/kWh] 비고

천연가스 발전 3~4 공해

화력 발전

(oil, coal) 4~6 공해

원자력 발전 3~4 핵폐기물 처리 곤란

태양력 발전 20~50 기상조건에 좌우됨 발전지역 황폐화,

풍력 발전 11~22 기상조건에 좌우 넓은 부지 필요,

수력 발전 3~5 큰 낙차와 높은 시설비용 필요

조류 발전 3~6 조류를 이용할 경우 사전 예측 가능

는 에너지 발전 단가를 비교한 표이다 신재생에너지는 일반적으로 자연을

Table. 1.5 .

이용하는 특성이 있고 이 때문에 불안정한 전력생산이 큰 문제가 된다 예를 들어 풍. 력발전을 생각해보면 언제 얼마만큼의 바람이 불어올지 모르기 때문에 전력량을 예측, 하기 어려우며 이는 생산전력을 안정화 시키는데 큰 노력을 기울여야 하는 원인이 된, 다 태양열발전 또한 날씨와 계절에 영향을 많이 받아 정확한 전력량을 예측하기 어렵. 다 밀물과 썰물은 날씨나 계절에 상관없이 항상 발생하는 자연현상이다 기존의 태양. . 력 발전과 풍력 발전은 기상조건의 영향을 많이 받고 파력이나 해양 온도 차 발전은, 국내 여건에 적용하기에는 한계가 있다 이에 환경적인 측면과 전력생산의 안정화의. 측면에서 유리한 조류발전은 선정하여 연구를 수행하였다 다음. 2장을 통하여 조류발 전의 특성에 대하여 구체적으로 연구하고자 한다.

2) 임진우(2007:16)

제 2 장 조류발전 및 조류발전용 터빈의 특성

조류에너지 2.1

바다에서는 달과 태양의 인력 때문에 해수면의 높이가 변하는 조석현상이 일어난다.

이런 조석현상에 의해 바닷물이 수평으로 운동하는데 이를 조류 [潮流, tidal current]

라고 한다 조류에너지는 해수의 유동을 이용하는 에너지원으로 해수의 운동에너지를. 전기에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 발전 방식으로 생태계에 미치는 영향이 거 의 없는 친환경적인 에너지원이다 조류와 해류의 차이는 바닷물이 흐르는 방향과 빠. 르기가 시간에 따라 변한다는 점이다 또한 해류는 지속적인 흐름이지만 조류는 특정. , 한 시간에 한해서 나타나는 현상이다 조류는 풍력과 달리 사전에 예측할 수 있고 날. , 씨나 계절에 상관없이 항상 발전할 수 있는 신뢰성 있는 에너지이다 신재생에너지는. 일반적으로 바람 태양과 같은 자연에너지원을 이용하므로 날씨나 계절의 영향 등으로, 불안정한 전력생산이 큰 문제가 된다 풍력발전을 생각해보면 언제 얼마만큼의 바람이. , 불어올지 모르기 때문에 전력량을 예측하기 어려우며 이는 생산전력을 안정화 시키는, 데 큰 노력을 기울여야 하는 원인이 된다 태양열발전 또한 날씨와 계절에 영향을 많. 이 받아 정확한 전력량을 예측하기 어렵다 밀물과 썰물은 날씨나 계절에 상관없이 항. 상 발생하는 자연현상이다 조류발전은 특정지역의 시간대별 유속을 측정하면 비교적. 정확한 발전량 예측이 가능하며 이는 신재생에너지 분야에서 큰 장점이 된다 조석현, . 상이 큰 우리나라에서 대표적으로 이용 가능한 해양에너지원은 크게 조력에너지와 조 류 및 해류에너지 파력에너지가 있다 이중 조류에너지는 해수의 위치에너지를 이용하, . 기 위해 댐을 건설해야 하는 조력발전과 비교하면 친환경적인 에너지원으로 평가된다.

또한 풍력발전과 달리 사전에 예측할 수 있고 해수의 밀도가 공기의 밀도에 비해 약, 배가량 크므로 훨씬 작은 수차를 이용하더라도 더 큰 에너지를 생산할 수 있다

800 . 이

는 터빈의 제작비용과 직결하여 경제성의 측면에서 월등히 유리한 조건에서 제작이 가 능하다.

Fig. 2.1 Annual energy density[11] Fig. 2.2 National annual energy density distribution[11]

과 는 국립해양조사원의 연구결과로 조류관측지점으로 항해안전 및 조 Fig.2.1 Fig.2.2

류예보정보제공을 위하여 서 남해 연안에서, 15~30일 이상 관측된 345지점의 유속자 료를 바탕으로 힘 밀도와 에너지 밀도를 추산하여 잠재적인 에너지밀도를 정량적으로 추산하였다 여기서 힘 밀도. (Power density, _)와 에너지밀도(Energy density)는 다 음 식(2.1)~(2.3)으로 추산되었다.

힘 밀도 _  

 [^] (2.1)

월간 에너지밀도 _ 

 _

_

  



_

  







  



__{   } [^] (2.2)

여기서

( 는 1 또는 2,   ∆ 

  )

주간 에너지밀도 _{ } _



[^] (2.3)

우리나라 서해 및 남해안 일대의 345지점에서 관측된 유속자료를 바탕으로 주간 에 너지밀도 식으로부터 도출해낸 연간에너지밀도를 크게 5구간으로 나누어 분류하였다. 이상의 큰 에너지밀도를 보인 곳은 전체에서 를 차지했으며 비교적

10MWh/m² 0.9% ,

높은 5~10MWh/m² 범위에서는 2.7%, 3~5 MWh/m² 범위에서는 5%, 발전가능성이 상대적으로 희박한 3MWh/m²이하는 전체 91.4%를 차지하였다 계산된 연간에너지밀. 도를 공간적으로 살펴보면 전라남도 주변해역에, 5MWh/m² 이상의 연간에너지밀도를 가진 관측 정점이 10개소 존재하였으며, 3～5MWh/m² 구간에서도 10개소의 관측 정 점을 차지하는 등 다른 해역에 비하여 상대적으로 큰 에너지밀도를 보였다 우리나라. 전 연안을 통해서 에너지밀도가 가장 큰 곳은 2009년 5월 14일에 국내 처음으로 조류 발전소가 완공된 전라남도 진도 울돌목의 협수로 부근으로서 추산된 연간에너지밀도는 이다 다음으로 에너지밀도가 큰 곳은 경기만에 위치한 교동 수로이며 추

23 MWh/m² . ,

산된 연간에너지밀도는 16 MWh/m²이다 잠재적 조류발전 후보지로 평가받고 있는 전. 남 해역에 있는 맹골 수도와 장죽 수도에서 추산된 연간에너지밀도는 각각 15

와 이며 이 두 수도 사이에 위치한 거차 수도는 로

MWh/m² 8.8 MWh/m² , 9.2 MWh/m²

장죽수도보다 약간 더 큰 연간에너지밀도를 보였다 경상남도에서는 유일하게 진주만. 남쪽 입구에 있는 대방 수도에서 7 MWh/m²로 큰 연간 에너지밀도를 보였다 이렇게. 큰 에너지밀도를 보인 곳은 일차적으로 조류에너지발전 적지 대상이 될 수 있다 조류. 에너지는 다음 식 (2.4), (2.5)와 같이 운동에너지와 포텐셜 에너지의 합으로 구성된다. [11]

총 에너지(Total energy) = 운동 에너지+ 포텐셜 에너지

운동에너지 (kinetic energy : K.E.)

_{ }



^ 

^ (2.4)

여기서,  = 질량[],  = 관성모멘트[ ∙ ^],  = 유속[],  = 각속도[]

포텐셜 에너지 (potential energy : P.E)

 



여기서, E = 에너지[J], g = 중력가속도(= 9.81[^]),  = 해수의 밀도(=1,025 [^]), A = 해수 면적(^), z = 해수면 수직축, b = 조석 높이[m], 단위면적당 에 너지  ^ ^

조류 발전의 특성 및 필요성 2.2

조류발전은 조수간만에 의해 발생하는 해수의 흐름을 이용해 발전하는 형식으로 해수 의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치이다 조류발전은 단순히 해수의 운. 동에너지를 이용하는 방식이므로 댐이나 기타 해수의 유동을 방해하는 장치를 설치할 필요가 없으므로 해수의 유동이 자유롭고 선박의 항해나 어로를 방해하는 요인이 적으 며 경제성의 관점에서 유리한 발전방식이다 반면에 조력발전은 해수의 위치에너지를. 이용하는 발전방식이기 때문에 해수의 위치에너지를 조성하기 위한 댐의 건설이 필요 하며 이는 막대한 비용이 필요하고 댐에 의해 해수의 유동이 자유롭지 않기 때문에, 제 의 오염을 유발할 가능성이 상당히 크다2 .

또한 조류에너지는 비고갈성 청정에너지원으로서 환경을 파괴하지 않는 친환경적인, 발전 방식이다 조류는 주기성이 있어 발전량을 사전에 예측 가능하고 기상조건에 발. , 전량이 전적으로 좌우되는 태양력 및 풍력과 비교하면 날씨에 무관하게 발전 가능하 다 대한민국은 영토는 상대적으로 좁지만 풍부한 해양에너지 자원을 보유하고 있다. , . 특히 울돌목 맹골 수도 장죽 수도 횡간 수도 대방 수도 교동 수도 등 서 남해 연, , , , , , 안에 풍부한 조류에너지원을 보유하고 있다 세계적으로 대한민국과 같이 조수간만의. 차가 크게 발생하는 나라는 드물며 이에 전 세계적으로 조류발전의 최적지로 손꼽히, 고 있다 조류발전은 조수간만의 차에 의해 발생하는 높은 유속을 이용하여 에너지를. 생산하는 발전으로 물살이 빠른 곳에 터빈을 설치하여 수평 유체 흐름을 회전운동으, 로 변환시켜 전력을 생산한다 조수간만에 의해 밀물과 썰물 즉 창조류와 낙조류가 발. , 생하며 이는 조수간만의 차가 심할수록 유속이 빠르다.

이와 같은 조류발전의 특성을 이용한 조류발전 터빈은 댐을 설치할 필요가 없어 비용 이 적게 드는 반면에 조류의 흐름이 빠른 곳을 선정하여야 하는 어려움이 있고 유속의 크기에 따라 발전량이 좌우되므로 이론상 1m/s(약 2knots) 이상에서 발전 가능하지만, 경제성의 관점에서 2m/s(약 4knots)이상인 곳을 후보지로 선정하는 것이 적합하다 해. 상 풍력 등 기타 발전방식과 복합 발전 방식을 이용하거나 단지 조성을 통해 복수 모, 듈을 채택하면 단기간에 많은 양을 발전할 수 있으며 따라 수십 킬로와트에서 수십, 메가와트까지 필요한 발전량을 폭넓게 선정 가능하다.

Fig.2.3 Size comparison of a 1MW wind and tidal turbine (MCT Ltd.) [12]

Fig.2.4 Comparison of energy Capture per unit size of system [12]

_ 

  ^이므로 동력은 유체의 밀도에 큰 영향을 받는다 해수의 밀도는 공기의.

밀도보다 800~1000배가량 크기 때문에 동일한 동력을 생산하기 위하여 로터의 직경 은 풍력터빈에 비하여 훨씬 작다 날개 수가. 3매로 동일할 때 1MW의 동력을 내기위 해서는 풍력터빈의 경우 직경이 약 55m이지만 조류터빈은 18m내외로 제작된다.

사의 나 과 같이 날개 수가 매인 조류발전

Marine Current Turbine Seaflow SeaGen 2

기의 경우에는 직경 16m인 조류터빈 2기가 제작된다 높은 에너지 밀도는 경제성의. 관점에서 매우 유리하며 조류발전은 풍력발전에 비해 4배 이상의 동력을 얻을 수 있으 며 이로써 발전을 위한 터빈의 제작비용이 절감되는 강점이 있다, .

조류 발전용 터빈의 분류 및 특징 2.3

조류발전용 터빈은 크게 터빈시스템(Turbine Systems)과 비터빈시스템(Non-turbine 으로 분류된다

Systems) .

Fig.2.5 Classification of Turbine system[13]

터빈시스템(Turbine Systems)은 축과 로터의 방향에 따라 크게 수평축(HAT:

터빈 방식과 수직축 터빈 방

Horizontal Axis Turbine) (VAT: Vertical Axis Turbine) 식으로 나눌 수 있다.

Fig.2.6 Classification of tidal stream turbine[13]

수평축 터빈은 이론상의 효율이 수직축 터빈에 비해 높지만 유향의 변화에 민감하여, 유향조절장치가 필요하다 반면에. 수직축 터빈은 수평축 터빈보다 효율이 낮고 작동 범위가 작지만 유향의 방향에 무관하게 항시 작동 가능하고 유향 및 유속 변화가 큰, 지역에도 적절한 형태로 평가된다 또한 높이가 낮아서 수심의 제약이 있는 지역에 설. , 치가 용이하다. 수평축 터빈은 대부분 프로펠러 형태로 연구되고 있으며 유향조절장치 문제와 발전기의 위치 선정문제 계류식과 착저식과 같은 설치 방법에 대한 연구가 주 로 진행되고 있다. 수직축 터빈은 크게 양력형인 다리우스 타입(Darrieus type)과 항력 형인 사보니우스 타입(Savonius type)으로 나뉜다 사보니우스 타입. (Savonius type)의 최대 동력계수(Maximum Power Coefficient, _{  })는 약 0.15~0.20 정도이고 다리, 우스 타입(Darrieus type)은 양력형으로 약 0.35~0.40 정도의 효율을 얻을 수 있어 일반적으로 항력형 터빈에 양력형 터빈이 에너지 변환효율이 우수하다.

한편 비터빈 시스템, (Non-turbine Systems)은 현재 Piezoelectric, Vortex induced 등과 같은 형태로 개념 설계위주로 연구되고 vibration, Oscillating hydrofoil, Sails

있다 현재 다양한 개념설계가 광범위하게 추진되고 있는 터빈시스템에 비해. Sea snail 과 같은 일부 비 터빈시스템을 제외하고는 대부분의 비 터빈시스템은 대부분 개념을 증명하는 단계에 그치고 있다 이에 본 연구에서는 현재 광범위하게 추진되고 있는 터. 빈시스템에 대해 중점적으로 다루며 연구를 수행하고자 한다 터빈 로터의 형태는 기. 술력 및 경제적인 요소뿐만 아니라 적지의 분포면적에 따라 단지화 조성을 위한 광범 위한 배열에 대한 고려가 필요하다.

2 .3.1. 직축 터빈(Vertical Axis Turbine, Cross-flow Turbines) 수

Fig.2.7 VAT : Darrieus turbine (Cross-flow turbine) [14]

수직축 터빈은 유동의 흐름의 방향과 로터의 회전축이 수직이다 조류의 방향과 로터. 축의 방향이 수직인 수직축 터빈의 대표적인 형식으로는 풍력 터빈의 형상에 기반을 둔 다리우스 터빈(Darrieus Turbine)을 들 수 있다 다리우스 터빈은 둘 이상의 블레. 이드가 회전축에 평행한 상태로 회전하는 구조로 일정한 날개 단면을 원주 상에 같은 간격으로 배치한 구조이다 로터 블레이드에 작용하는 양력 및 항력에 의해 회전력을. 얻는 방식이다 초기 구동이 어렵고 수평축 터빈에 비하면 효율은 다소 떨어지지만 조. , 류방향과 무관하게 한 방향으로 회전하고 발전기 등을 수면에 놓기 좋고 유지 보수가 쉬운 장점이 있다 수직축 터빈은 유체의 흐름과 무관하고 소음 발생이 적으며 유지. 및 보수가 쉽다. Fig. 2.7은 수직축 터빈의 대표적인 모델인 Darrieus Turbine으로

년부터 개발되었으며 효율은 내외이다

1982 30% .

수평축 터빈

2.3.2 (Horizontal Axis Turbine, Axial-flow Turbines)

Fig.2.8 HAT : Propeller type turbine (Axial-flow turbine) Upwind rotor and downwind rotor [14]

수평축 터빈은 선박의 추진 장치인 프로펠러의 역 개념으로 조류의 방향과 평행한 축 을 가진 터빈의 날개 각도를 조절함으로써 발생하는 양력으로 축의 회전을 생성하는 개념이다 하천과 같이 흐름이 한 방향으로 일정한 경우에 유리하다 원리가 단순하고. . 풍력발전에서 바람의 영향을 바다라는 환경의 영향으로 확장한 개념이라고 볼 수 있고 현재 선진국을 중심으로 다양한 프로젝트가 추진 중이다 특히 영국 및 미국에서 실용. 화된 방식은 HAT 방식이며 축적된 기술로 신뢰성이 높다 수평축 터빈은 조류의 방향. 이 축과 일치해야 효율이 보장되고 조류가 역전되면 회전방향이 바뀌는 단점이 있다.

터빈의 직경 날개 수 반경 및 피치 날개의 코드길이 등을, , , 제약조건 즉 조류와 공간, 의 특성 목표동력 캐비테이션 등에 따라 결정되어야 한다 터빈의 고정 방식에 따라, , . 터빈을 해저 면의 지지구조물 위에 설치하거나 파일에 설치는 파일 고정식과 부유체에 계류시키는 부유식 방식으로 나뉘고 파일 고정식이 경제적이라는 평가를 받으며 고정, 된 파일의 유향에 따라 방향이 전환되는 유향조절 방식이 많이 적용된다.

Fig.2.9 Underwater Mills (HAT: Axial-flow (Propeller))[17]

Fig.2.10 Support structures [12]

은 대표적인 터빈의 지지 방식이다 사의 과 같이 일반

Fig2.10 . MCT Seaflow, SeaGen

적으로 많이 적용되는 모노파일 설치의 적지는 수심 20~40m에 적합하다.

터빈 연구 동향 및 연구 사례 2.4

터빈 연구 동향 2.4.1

조류발전 터빈은 날씨와 계절에 무관하게 항시 발전 가능하며 장기적이며 지속적인 전력공급이 가능하다 장기 예측 및 지속성이 있으므로 전력 공급 및 생산량을 예측할. 수 있고 또한 조류는 주기성을 가지며 대규모 개발이 가능하다 조류발전은 해수의 유, . 동에 의한 운동에너지를 이용하여 수차를 구동하고 수차의 구동에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로서 발전량은 해수의 유속과 발전기의 효율에 가장 큰, 영향을 받는다 따라서 경제성 있는 발전을 위해서는 유속이 빠르고 지속적인 지역을. 선정해야 한다 이와 같은 조류발전의 특성을 중심으로 세계적인 관심과 다양한 연구. 가 진행되고 있다. 미국과 유럽 국가들을 비롯한 선진국들은 1970년대 오일 파동을 계 기로 신재생에너지의 기술 개발과 보급을 위한 정책을 적극적으로 실시하였으며 그 일 환으로 수력 터빈의 기술 개발에 집중적인 투자가 이루어졌다 따라서 다양한 낙차 및. 유량을 가지는 수자원에 대한 수력 터빈의 형상별 표준화를 이루어 내어 보급이 활성 화되도록 하였다. 전 세계적으로 조류발전 설치 가능 용량은 약 50GW 규모이며 그중 유럽이 약 12GW로 가장 빠르게 조류발전에 관심을 두고 연구를 수행하였다 특히 영. 국은 약 6GW의 규모로 1990년대 초부터 조류발전을 비롯한 활발한 대체에너지 연구 를 수행 중이며 누적 용량 기준 가장 큰 비중을 차지한다, .

특히 스코틀랜드 북쪽의 조류가 강한 지역을 중점적으로 대규모 조류발전 단지를 추 진 중이다. 영국의 MCT(Marine current turbine)사는 2003년 300kW급의 프로펠러 형 조류 발전기를 Lynmouth Devon 연안에 설치하여 시험 가동 및 실증 연구를 하였 다. Seaflow는 모노 파일 형태로 해저에 지지한 형태로 (b)와 같은 형태로 작동하고 유지보수를 위해 Fig.2.12의 (c)와 같이 수면으로 들어 올려 작업 가능하다. Seaflow 는 로터 직경은 11m, 최대 동력 (Max. rated power)은 300kW, 파일직경은 2.1m이 고, 2003년 5월 30일 첫 가동을 수행하였다.

Fig.2.11 Practical marine current energy resource in the UK

년에는 급 조류 발전기를 북아일랜드

2008 1.2MW Strangford Lough, Northern

에 설치하였다 다음 와 은

Ireland . Fig.2.15 Fig.2.16 영국 MCT사에서 개발한 SeaGen 의 위치와 수평축 발전 장치로 직경 15m의 600kW 터빈 2기를 연결한 형태(Twin 이다 와 마찬가지로 유지보수를 위해 로터와 나셀을 수면위로 rotor system) . Seaflow

들어 올릴 수 있고 추가적으로, 5MW급 SeaGen Array project를 통해 5MW급 단지 조성을 디자인하였다.

(a) Seaflow (b) Operational mode (c) Raised for maintenance

Fig.2.12 A Horizontal Axis Tidal current Turbine (Seaflow, MCT)[12]

다음 그림들은 Seaflow를 설치하기 위한 기초 공사 및 설치과정에 대한 개략도이다.

Fig.2.13 Seaflow foundation and Foundation drilling[15]

의 기초공사를 위한 드릴링 장치는 최대유속 와 수심 에 적용 가능

Seaflow 5knot 25m

한 ‘Deep Diver’이다.

Fig. 2.14 Seaflow Pile Installation and general arrangement[17]

사는 의 성공이후 프로젝트 및 을 여러 대 설치하여 단

MCT Seaflow SeaGen SeaGen

지화하는 SeaGen Array프로젝트를 수상하여 수행 중이다.

Fig.2.15 SeaGen Project[15] Fig.2.16 SeaGen Array Project[15]

Table.2.1 Key project and costs with MCT

item Seaflow SeaGen SeaGen Array Phase and unit Phase1:1unit Phase2:1unit Phase3:4unit

Rated Power(MW) 0.3 1 4

Design and Testing 1,705,000￡ 1,220,000￡ 518,000￡

Machine 852,000￡ 1,250,000￡ 4,586,000￡

Installation 450,000￡ 1,084,000￡ 1,310,000￡

Total install cost

exc. design 1,302,000￡ 3,384,000￡ 6,146,000￡

Manufacturing cost k/MW￡ 2,840,000￡ 1,250,000￡ 1,147,000￡

Installed cost exc. design k/MW

￡ 4,340,000￡ 3,384,000￡ 1,537,000￡

Fig.2.17 Key project costs with MCT[19]

조류발전장치는 날씨에 무관하게 발전가능하고 주기성이 있어 사전예측이 가능하고, 단지화를 통한 대규모 발전이 가능한 등 많은 장점을 가지고 있지만 연구 개발의 초, 기단계로서의 초기 설계 및 제작비용이 큰 단점이 있다. MCT사는 Seaflow, SeaGen 및 SeaGen Array프로젝트를 통하여 설치 및 제작비용이 감소하였고 연구 개발을 통, 해 비용의 최소화가 가능하다. SMD Hydrovision사는 부유식 조류발전 장치를 제작하 였다. 다음 TidEI는 SMD Hydrovision사의 조류발전용 터빈의 프로토 타입이다. 는 모노 파일형태의 조류발전 터빈과 다르게 계류식으로 체인에 의해 지지가 되 TidEI

는 방식으로 500kW급 2기로 총 1MW의 전력용량으로 직경 15m, 허브 2.5m로 설계 유속 2.3m/s이다.

Fig.2.18 SMD Hydrovision’s TidEl tidal stream generator[20]

사는 덕트형 조류발전 장치를 개발하여 프로토타입을 제작하여 현장 실 Lunar Energy

험을 수행하였다 로터의 직경은. 11.5m 덕트 직경은 15m, 전체 길이는 19.2m, 최소 유속은 1m/s이다.

Fig.2.19 Lunar energy : Rotech Tidal Turbine[20]

Fig.2.20 Maintenance for Rotech Tidal Turbine (RTT)[20]

사의 은 와 과 같이 수평축 터

Lunar energy Rotech Tidal Turbine Fig.2.19 Fig.2.20

빈을 덕트(duct)가 감싸는 형태이다 덕트는 유체가 흐르는 통로로서 유체의 흐름을 집. 중시키는 역할을 한다 영국은 이외에도. Aquamarine Power사의 Neptune, Atlantis

사의 사의 대학의

Resources AK-1000, Current2Current Tidal Turbine, Edinburgh 사의

Polo, Firth Tidal Energy Sea Caisson & Turbine System (SEACATS),

의 의

Greener Works Limited Relentless™ Turbine, Greenheat Systems Ltd

의 의

Gentec Venturi, Hales Energy Ltd Hales Tidal Turbine, Hydromine The

의 의

Hydro Mine, Hydroventuri Rochester Venturi, Nautricity Ltd CoRMaT,

의 의

Ocean Flow Energy Evopod, Pulse Tidal Pulse-Stream, Robert Gordon

의 의

University Sea Snail, Tidal Energy Ltd Delta Stream, Tidal Generation

의 등 많은 연구가 수행 중이다

Limited Deep-gen .

Fig.2.21 Verdant Power: RITE(Roosevelt Island Tidal Energy) Project.[20]

미국의 Verdant Power사는 2002년 뉴욕의 East River에 제작하였다. 이는 의 일환으로 프로토타입 테스트 시제 RITE(Roosevelt Island Tidal Energy) Project , 품, MW급 대규모 장치 개발의 3단계를 거쳐 대규모 단지화를 꾀하였다. North

대학의 박사의 또한 미국의 주요 연구 터빈이다

Estern Gorlov Helical turbine .

사의 으로 미국 에

GCK Technology Gorlov Turbine Massachusetts, Cape Cod Canal 서 프로토 타입 테스트를 수행하였다.(Fig.2.22)

또한 한국의 울돌목 조류발전 시설도, Gorlov Turbine을 채택하였고, 2002년에는 직 경 1m의 Triple Helix이 제작되었고, 2004년에는 직경 3m의 Gorlov Helical

이 제작되어

Turbine 한국해양연구원에서 실증 연구를 진행 중이다. (Fig.2.23)

Fig.2.22 Helical Turbine(Demo Projects.Cape Cod(1996) and Marine 2003)[21]

Fig.2.23 Triple Helix(2002) and Gorlov Helical Turbine (2004) Korea[21]

이와 같이 조류발전은 영국 미국 캐나다 독일 프랑스 노르웨이 이탈리아 스페인, , , , , , , , 한국 등 세계 여러 나라에서 연구되고 있다.

터빈 연구사례 2.4.2

본 절에서는 지금까지 연구되어왔던 수직축 조류발전용 터빈의 몇몇 연구 사례를 조 사해봄으로써 현재까지 수행된 연구 내용을 구체화하기위하여 연구사례를 토대로 국내 외 연구 동향을 살펴보았다 캐나다 일본 및 국내의 연구동향을 토대로 추가적으로 필. , 요한 연구내용 및 연구방향을 모색하고자하였다.

우선 Klaptocz et al[22]가 수행한 수직축 터빈의 연구내용을 검토하였다 터빈의 형. 태는 수직축 H-Darrieus turbine이며 날개 수는 3매이고, 날개 익형은 NACA 634-021를 사용하였으며 코드길이는, 0.068m이다 수치해석과 실험을 하여 비교를 수. 행하였는데 수치해석은, Fluent라는 상용코드를 사용하였다 실험은 길이. 182.9m 폭

깊이 인 예인 수조를 사용하여 실험을 하였으며 터빈의 재원은

11m 7.3m (Fig.2.24),

직경(D)는 0.91m, 스팬(H)는 0.68m 이다. (Fig. 2.25)

Fig. 2.24 The towing tank at UBC Fig.2.25 Experimental model

방정식을 이용하여 해석을 수행하였으며 해석영역은 터빈의 지름을 기준으로

RANS ,

원방경계를 구성하였으며, Moving zone을 이용하여 터빈이 회전하도록 하였다. Fig.

은 수치해석 영역을 보여주며 은 터빈의 회전 영역을 보여주고 있다 유

2.26 , Fig. 2.27 .

속은 1m/s일 때 터빈의 회전속도를 바꿔주어, TSR=2.25와 TSR=3.5에서 해석을 수행 하였고 실험과, Torque를 비교하였다.

Fig. 2.26 Computation domain

Fig.2.27 Rotor section

Fig.2.28 Torque vs. phase angle at 1m/s, TSR=2.25

Fig.2.29 Torque vs. Phase angle at 1m/s, TSR=3.5

또한, Klaptocz가 수행한 실험은 유동의 흐름을 모아 주어 효율을 높이기 위해 흐름 방향과 평행하게 덕트를 설치하여 일반 덕트가 없는 터빈과 덕트가 있는 터빈과 비교 를 하였다. Fig.2.30은 Duct가 있는 터빈의 형상이며 터빈의 하부도 유동의 흐름을 일 정한 방향으로 하고 유동이 바뀌지 않도록 판을 대었다 유속. 1.5m/s 와 2.0m/s에서

의 유무에 대한 실험과 덕트가 없는 수치해석에 대한 결과를 에서

Duct TSR=1.75

까지 평균 동력을 비교하였다

TSR=3.25 . [22][23]

Fig. 2.30 The turbine in its initial

position relative to the duct. Fig.2.31 Comparison of power

국내에서는 Klaptocz et al. (2007)의 논문을 바탕으로 수치해석을 수행하였다 (Hahn

레이놀즈수 는 일 때 약

et al. (2009)). (Re) TSR=2.25  × ^, TSR=3.5일 때 약

 × ^이 된다 유동 조건은 아래의. Table2.2와 같다.

TSR Current Speed

(m/s) Solidity Turbine Angular Speed (rad/s)

Reynolds number

2.25 1

0.0713 4.95 _{ × }^

3.5 1 7.69  × ^

Table. 2.2 Test conditions

Fig.2.32 Comparison of Cp at TSR=2.25 [24]

Fig.2.33 Comparison of Cp at TSR=3.5 [24]

수치해석 결과 기존 실험 논문의 수치해석 결과 값과 실험값이 유사한 동력계수 값을 가짐을 알 수 있다.