조력발전의 한계

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조력발전의 한계

한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 강 창 무 (cmkang123@reseat.re.kr)

1. 서론

○ 강력한 조류에 터빈을 설치하여 발전의 가능성을 조사하는 다수의 연 구가 있었다. 대부분은 과학적인 근거가 없이 채널단면적을 통과하는 운동에너지 플럭스가 유효한 출력으로 가정하고 있다.

○ 자연유속의 운동에너지 플럭스의 사용으로 인한 다른 명확한 문제는, 터빈의 조류에 대한 피드백효과이다. 조류에 영향이 없다면, 터빈의 수 가 증가하면 출력이 증가한다. 그러나 터빈에 의한 항력으로 조류가 감소하게 되어 출력을 최대로 하는 특정한 터빈의 수가 있게 된다.

○ 터빈은 채널의 전단면적을 차단하는 완전한 방벽에 설치되는 것으로 가정한다. 실제로는 운송과 해양 포유동물의 통로를 위하여 방벽의 일 부는 개통되고 있다. 이 경우 터빈의 하류가 자유로운 급류와 합류로 인하여 에너지의 손실이 발생한다.

2. 토론

○ 채널이 방벽 면적을 완전히 차지하는 경우, 일반적인 채널에서 출력을 구하였다. A(x)를 채널 단면적, 유속 u(x,t)는 채널 단면에 균일하게 분 포되고, 볼륨플럭스 A(x)u(x,t)는 채널을 따라 일정하다고 가정하였다.

유속은 채널하구에서 분리하며, 수반(basin)은 채널보다 깊어서, 터빈으 로 인한 채널흐름의 변화가 채널의 두 입구의 파도의 높이를 변경하지 않는다고 가정하였다.

– 볼륨플럭스 Q(t)=A(x) u(x,t)는 아래 식을 만족한다.

c

dQ

dt

-g ζ _o=- ⌠⌡

L

0

F

_turb

dx-αQ|Q|

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g ζo는 채널을 따른 압력수두(head), Fturb는 터빈마찰, α는 자연마 찰을 포함하는 상수이다.

– 출력은

    

_

 │  │  

으로 표시된다. 터빈의 수가 증가 함에 따라

│  │

는 감소하고, 출력이 처음에는 증가하다가, 절정에 도달한 후에, 감소한다. 최대출력은



_

    

_



_ 이며,



_는 터빈이 없을 때 값이다. 이 식은 최대출력이 출구의 운동에너지의 38%를 의미한다.

○ 선박과 물고기의 통행을 위해서 부분적으로 벽이 설치되는 경우를 고 려하였다. 독립적인 터빈이나 부분적인 벽의 경우, 터빈 내의 느린 유 속과 빠른 조류가 합칠 때 에너지가 손실되어 출력이 감소한다. A와 Ac를 터빈과 채널의 단면적으로,

  

_를 정의한다.

– 작은



값에 대해서 Lanchest-Betz의 결과가 적용되며 최대 출력은



_

 

   

_로 표시된다. 이 값은 전 단면적이 담으로 되었을 경 우 출력의 2/3에 해당한다.

– 출력은



    

인자를 가지며,



이 0과 1사이로 변화할 때 2/3 과 1/3으로 감소한다.

–



이 증가함에 따라 Lanchester-Betz출력은 (1-



)^-2인자만큼 증가한다.

– 최대 출력을 얻기 위한 터빈의 수는

N×

4ε(1+ε)

9(1-ε) ² ρA_c

u

³_o=P _GC 을 만족한다. PGC는 Garrett 등에 의한 최대출력이다. 출구효과가 지배적 이고 채널과 출구단면적이 동일한 경우, ε=0.46에 대해서 N=1이다.

이 경우 단일 부분 방벽에서 46%의 채널단면적을 차지하는 터빈은 최대의 출력을 발생한다.

○ 채널내부의 터빈에서 지지구조의 저항(drag)은 출력대신 유동을 감소하

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는 데 소모된다. Ft와 Fs를 터빈과 지지구조물의 저항이라고 하면 출력 은 Ft(Fs+Ft)^-1로 감소한다.

○ 조류높이가 채널의 변화에 영향을 받아서 변동하는 밀폐된 수반(basin) 에 대하여 연구하였다. 이 경우 최대가능 출력은 0.2



ga Qmax으로 주 어지며, 여기서 a는 수반 외부의 조류 높이의 진폭이고 Qmax는 채널 을 통하는 자연 상태의 최대플럭스이다. 앞의 경우와 마찬가지로 부분 적인 방벽과 지지구조의 저항은 출력 퍼텐셜을 감소시킨다.

3. 결론

○ 흐름이 준정상(quasi-steady) 상태이고 역학적 균형에서 출구분리가 우 세한 경우, 완전한 조류방벽을 사용하여 얻을 수 있는 최대출력은 출구 운동 에너지 플럭스의 38%이다. 이는 조류의 43% 감소가 따른다. 만일 조류의 10%만을 허용할 수 있다면, 출력은 0.38에서 0.17로 감소한다.

○ 만일 운항과 생태계의 이유로, 터빈이 단면적의 일부만 차지하는 경우, 에너지가 주변 흐름과의 합류에서 손실된다면, 유용한 출력은 완전한 방벽에서 얻을 수 있는 이하로 떨어진다. 터빈면적 대 채널면적의 비가 작은 숫자에서 1까지 증가할 때, 에너지 손실은 1/3에서 2/3 사이에서 변한다. 만일 합류가 발생하지 않으면, 이 손실은 피할 수 있고, 감소는 단순히 터빈 대 채널의 상대적인 단면적이 된다.

출처 : C. garrett, P. Cummins, "Limits to tidal current power", Renewable Energy, 33, 2008, pp.2485~2490

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◁전문가 제언▷

○ 지구 인구의 증가와 중국, 인도와 같은 국가의 산업 성장으로 인하여 에너지의 수요는 급격히 증가하면서, 해양에너지 개발도 활발히 진행되 고 있다. 해양에너지에는 해수의 간만을 이용하는 조력발전, 파도를 이 용하는 조파발전, 해수의 온도차를 이용하는 발전 등이 있다.

○ 강력한 조류를 이용하여 전력을 생산하는 데 있어서, 추출 가능한 에너 지를 예측하는 것은 실질적인 질문이다. 분석결과에 의하면, 보통 가정 에서와 같이, 출력 퍼텐셜은 운동에너지 플럭스에 의하여 주어지지 않 는다. 본 논문은 최대 유용한 출력에 대한 한계를 검토하였다. 그리고 항해나 생태계의 이유로 부분적 방벽을 사용하는 경우 출력의 감소를 평가하였다. 특수한 경우, 지지구조의 저항의 의하여 조류의 감소를 허 용한다면, 적은 수의 터빈으로 최대의 유용한 출력을 얻을 수 있다.

○ 한국의 서해안 인천 남쪽에 위치한 시화호와 가로림만은 간만의 차가 높아서 조력발전 후보지로 선정되었다. 한국수자원공사는 시화호에 세 계최대규모의 조력발전소(240만㎾)를 2009년에 완공을 목표로 추진 중 이다. 가로림만은 440~520만㎾의 조력발전능력을 가지고 있으나 주민 의 반대로 미루어지고 있다. 해남의 울돌목에 9만㎾ 규모의 실증 조류 발전소가 완성 단계에 있다.