for Marine Environmental Engineering
Vol. 14, No. 1. pp. 11-18, February 201111
월류 파력 발전 구조물 통합 축소 모형 시험을 통한 월류 성능 및 제어 시스템에 관한 실험적 연구
박지용·신승호·홍기용† 한국해양연구원 해양시스템안전연구소
Experimental Study for Overtopping Performance and Control System of Overtopping Wave Energy Convertor
J. Y. Park, S. H. Shin and K. Y. Hong†
Maritime & Ocean Engineering Research Institute, Korea Ocean Research & Development Institute, Sinseong-ro 104, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea
요 약
암초형 월류 파력발전 시스템은 암초형 구조물에 입사 되는 파랑 에너지를 낙차로 전환하고 이를 전기 에너지로 변 환 시키는 파력 발전 방식이다. 기존 연구에서 월파제의 사면 경사, 천단고, 가이드 베인 형상에 따른 월류 성능이 연구 되었다. 본 연구에서는 이러한 기존 연구를 통해 설계된 1/7 축소 모형을 제작하고 수차 터빈 및 발전 시스템, 전력제어시스템, 운전제어 및 모니터링 시스템을 연계하여 통합 축소 모형 시스템을 구축하였다. 이러한 시스템에서 서로 다른 파고와 주기를 갖는 파에 따른 월류량과 발전량을 계측하여 기존 연구와 비교 검증하였다. 이를 통해 설 계시 계획한 월류량과 발전량을 확인하였고 다수 터빈에 의한 효율적인 제어 시스템 구동 방안을 제안하였다.
Abstract − Wave overtopping reef system with guide vanes convert incident wave energy on the reef type struc- tures into electric power. Previous studies decided shape parameters likes slope, height of the sloping arm and shape of guide vane. In this paper, using these shape parameters produce 1/7 scale model and construct inte- gration scale model system combining water pressure head turbine, power generation, power control, operating control and monitoring system. In these systems, we measure the overtopping and power generation with dif- ferent wave heights and periods and compare the results with the previous studies. This was confirmed designed overtopping and power generation, then we suggest efficient control system.
Keywords: Wave energy(파랑에너지), OWEC(월파형 파력발전 장치), model experiment(모형 실험) 1. 서 론
전세계적으로 화석 연료의 사용으로 인한 환경 문제와 그 고갈 로 인해 새로운 에너지에 대한 관심이 높다. 이 중 파랑 에너지는 부존량이 무한하고 환경문제를 발생시키지 않기에 그에 대한 중 요성이 날로 증가하고 있으며 기술개발도 활발히 진행되고 있다.
파력발전의 파력 에너지 변환 방식으로는 월류형, 가동물체형, 진동 수주형이 있는데 본 연구의 암초형 월류 파력발전 시스템은 월류형으로 구조물에 입사 되어 월류된 물을 저장 시킨 후 수두 차를 이용해 저낙차 수차를 돌려 전기에너지로 변환 시키는 시스
템이다. 본 파력 발전 시스템은 제어 및 집중에 의한 파력 에너지 취득효율을 극대화할 수 있고 단위 모듈이 단순형상이므로 타 시 스템에 비해 유지보수 측면에서도 유리하며 구조적 안정성이 높 고 단지화가 용이하여 대규모 파력발전단지 개발이 가능하다.
본 연구에서는 이러한 월류형 파력 발전 시스템 중 계절적인 파 향 변화가 극심한 한반도의 상황에 적합한 암초 형상의 상부 구 조를 지닌 시스템을 연구하였다. 이와 관련해 기존 연구에서는 월 파제의 경사, 천단고 높이, 가이드 베인의 형태에 따른 월류 성능 을 실험적, 수치적으로 분석하였고(신과 홍[2006], 류 등[2008], 김 등[2008]) 파력 발전 구조물의 하부 구조에 따른 모드를 분석하여 수심에 따른 성능을 산출하였다(김 등[2010]). 또한 저낙차를 이 용한 수차 터빈의 발전 기술 등이 월류형 파력 발전 시스템을 위
†
Corresponding author: [email protected]
해 연구 되었는데 기존연구에서 전체 시스템을 개별적으로 분리 해 연구하였기에 각 요소들을 하나로 연계하여 통합 시스템을 구 성하였을 때 최적화를 이루는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서 는 1/7 축소 모형을 제작하고 수차 터빈 및 발전 시스템, 전력제 어시스템, 운전제어 및 모니터링 시스템을 연계하여 축소 통합 모 형 시스템을 구성하고 실험을 수행 하였다. 실험을 통해 설계 시 계획된 모형의 월류 성능에 대해 검증하였고 전체 시스템을 통해 발전 성능을 향상 시키는 제어방안에 대해 제안하였다.
2. 최적 월류 파력 발전 시스템을 위한 축소 통합모형시험
2.1 실험 설비
암초형 월류 파력 발전 구조물의 모형은 Fig. 1과 같은 형상으로 제작하였으며 기존 연구(신과 홍[2006], 류 등[2008], 김 등[2008]) 에서 실험적 및 수치적으로 분석 된 결과를 통해 최적화 된 구조 물을 1/7의 스케일로 축소시켜 제작하였다. 구조물은 직경이 약 4 m 이고 사면 경사는 33도, 가이드 베인은 직선 형태로 제작 되었다.
실험은 조파가 가능한 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 해양공학수조에서 수행하였다. Fig. 2의 해양공학 수조는 56 m(L)
×30(B)×4.5 m(D) 의 크기로 사용된 1/7 축소 모형을 중앙에 배치 하여 반사파의 영향을 최대한 줄이고자 하였다.
축소 통합모형시험에서는 특정 방향에서 들어오는 파가 경사면을 따라 월류 되어 모형의 중앙부로 유입되는데, 월류량을 증가시키 기 위한 가이드 베인이 사면에 수직 방향으로 배치되어 있다. 중 앙부에 두개의 터빈이 센터와 사이드에 각각 위치하고 있으며 유 입된 파에 의해 수위가 특정 높이까지 증가하면 터빈이 열려 발 전을 시작한다. 모형의 하부 구조물은 무겁게 제작하여 강한 파에 도 움직이지 않도록 고정하였으며 내부와 외부에 파고계가 설치 되어 실시간으로 수위를 측정할 수 있도록 했다.
암초형 모형은 Fig. 3과 같이 터빈 제어기, 전력 계통 제어기, 축전지, 모니터링 시스템이 연결 되어 전체 축소 통합 모형을 구 성한다. 전체 작동 과정을 살펴보면 해양공학수조 한쪽 벽면에 설 치된 조파계가 움직여 파를 발생시키고 암초 모형의 사면을 따라 파가 월류하여 내부 수위가 증가한다. 증가한 내부 수위는 파고계 를 통해 실시간으로 계측되어 터빈 제어기에 전달된다. 터빈 제어 기는 수위에 따라 특정 터빈을 공기압을 통해 개폐하는 역할을 한 다. 터빈을 작동 시킨다는 것은 터빈 상부에 입구를 열면 물이 유 입되어 터빈을 돌려 발전하는 것을 의미한다. 터빈의 작동으로 발 생한 전기는 전력 계통 제어기로 들어가 축전지에 저장될 수 있 는 형태로 변환 된 후 축전지에 저장된다. 전체 작동 상황과 데이 Fig. 1. Overtopping wave power generation model.
Fig. 2. Ocean Engineering Tank.
Fig. 3. Installation of turbine controller, electric controller and stor-
age battery.
터는 컴퓨터의 모니터링 시스템을 통해 나타나며, 분석을 위해 별 도로 저장된다.
실제 모델에 사용한 터빈은 2 m의 구조물에서 수위가 1.75 m일 경우 최고의 에너지 변환 효율을 보이도록 설계 되었다. 본 연구의 축소 모형 시험에 사용된 터빈은 크기는 축소되었으나 축소비에 맞은 수위에서 실제 모델과 같이 최고 효율을 보이도록 제작하지 못하였다. 따라서 터빈과 관련하여서는 전체 시스템에서 그 역할 을 확인하고 경향성을 분석하는 정도로 연구를 수행 하였다.
2.2 실험 내용
실험 내용은 크게 세 가지로 볼 수 있다.
- 20 가지 서로 다른 파고와 주기를 갖는 규칙파의 입사에 의한 월류량 계측
- 터빈의 열린 상태에 따른 수위 하강 속도 측정
- 규칙파 입사시 터빈 자동 제어 상태에서 전체 시스템의 운용 특성 분석
전체 시스템의 운용은 입사 파랑의 월류에 의한 저수, 형성된 낙차에 의한 터빈의 회전과 발전 과정이 동시에 일어난다. 따라서 각 부분의 성능을 검증하기 위해 전체 시스템을 월류에 의한 저 수 성능 확인과 터빈에 의한 발전량 확인으로 나누어 일차 실험 을 진행하였다. 그 다음 통합 시스템을 구성하여 통합시험을 수행 하였으며, 각 과정의 유기적인 연계를 확인하였다.
3. 입사파에 따른 월류량 계측 및 성능 분석
파의 종류에 따라 암초형 파력 발전 모형에 월류 되는 물의 양을 확인하기 위해 파고와 주기가 서로 다른 20개의 규칙파를 발생시 켜 수위 변화를 측정해 보았다. 실험에 사용된 규칙파의 파고 및 주기는 Table 1과 같다. 사용 된 파의 파고와 주기는 우리나라 제 주도와 그 주변 해역에서 주로 발생하는 파의 특성을 분석한 후
모형의 기하학적 축소비를 고려해 파고는 1/7, 주기는 1/ 로 줄 여 실험에 사용했다.
모형 내부에 설치된 파고계들의 측정값을 평균해 시간에 따른 수위의 변화를 그래프로 그려 보면 Fig. 5와 같다. Fig. 5는 20가 지 서로 다른 파의 결과 중 RW06파에 의한 결과를 나타낸 그래 프로 구조물 내부 수위가 시간의 1차 함수 형태로 증가하는 것을 볼 수 있다. 1차 함수의 기울기를 통해 시간에 따른 수위 변화를 계산하면 Fig. 6과 같은 값들이 나온다. 이 값들에 2429 mm로 일
7 Fig. 4. Total composition of the test model.
Table 1. Regular Waves Wave
Name 실험 번호 파고
(m) 주기 (초)
Wave Name 실험
번호 파고 (m) 주기
(초) RW01 101 0.21 1.7 RW11 111 0.36 1.7 RW02 102 0.21 1.89 RW12 112 0.36 1.89 RW03 103 0.21 2.08 RW13 113 0.36 2.08 RW04 104 0.21 2.27 RW14 114 0.36 2.27 RW05 105 0.21 2.83 RW15 115 0.36 2.83 RW06 106 0.29 1.7 RW16 116 0.43 1.7 RW07 107 0.29 1.89 RW17 117 0.43 1.89 RW08 108 0.29 2.08 RW18 118 0.43 2.08 RW09 109 0.29 2.27 RW19 119 0.43 2.27 RW10 110 0.29 2.83 RW20 120 0.43 2.83
Fig. 5. Rising of Water Level by RW06 wave.
Fig. 6. Comparison of Rising Velocity (m/s) of Water Level among
Experiments.
정한 원통형 저수 부분의 단면적을 고려하면 단위 시간당 월류량 을 알 수 있다. Fig. 6에서 전체적으로 수위 증가 속도는 파고 증 가에 따라 높아지는 형태를 보이며 같은 파고 실험 중 실해역 주 기 5.5초(모형시험 2.08초)인 실험결과가 최고값을 보인다. 이것은 기존의 동일한 모형 형태에서의 연구 결과와(류 등[2008]) 일치하 기에 본 월류 파력 발전 시스템이 해당 파주기 조건에서 최적화 되어 있음을 검증하는 결과이다.
4. 터빈별 유출 유량 변화의 계측과 정식화
월류를 통해 저수지에 형성된 수위는 복수개로 설치된 터빈의 개폐상황에 따라 변화하게 되며, 변화된 저수지의 수위는 각 터빈 에서의 단위시간당 유출 유량에 직접적인 영향을 끼친다. 본 실험 에서는 입사파가 존재하지 않는 상황에서 만수위 상태로부터 복 수의 터빈을 독립 및 동시에 개폐함으로써 각 경우에 대해 수위 의 하강, 유출 유량의 변화 및 터빈 회전수 그리고 발전량의 상호 관계를 파악하고자 하였다.
터빈은 모형의 센터와 사이드 위치에 두 개가 설치되어 복수의 터빈이 독립적으로 작동하는 두 경우와 동시에 작동하는 경우, 총 세 경우에 대해 수위, 발전량의 변화를 관찰했다. 각 경우에 따라 세 차례 실험을 수행하여 실험의 반복성을 검증하였다. Fig. 7은 세 경 우 중 센터에 위치한 터빈은 열려 물이 빠져나갈 수 있고 사이드에 위치한 터빈은 닫힌 상태에서 시간에 따른 수위 변화를 살펴 본 것이다.
시간에 따른 수위변화를 관련 이론을 통해 분석해보자.
(1) (2)
(3) (4) A 를 저수지에서 터빈으로 물이 유입되는 터빈 입구의 단면적, B 를 탱크의 저수지 단면적이라 하면 식 (1)~(4)의 관계식을 얻을 수 있다. 구멍을 통해 빠져나간 물의 양만큼 수조를 차지하는 물 의 양이 줄어들기에 식 (1)과 같은 관계가 성립한다. 식 (3)은 수 조 바닥의 구멍을 통해 유출되는 물의 속도에 관한 토리첼리의 정 리이며 베르누이 방정식으로 유도가 가능하다. 식 (3)에서 g는 중 력 가속도를, h(t)는 시간에 따라 구멍과 탱크내 물이 채워진 곳까 지의 높이차를 의미한다. 터빈으로 물이 유입 되는 구멍 주변의 형상에 따라 유속계수 C가 결정되는데 빠져나가는 물의 유동이 이상적인 상황에서 값은 1이 된다. 토리첼리의 정리를 식 (2)에 넣 고 정리하면 식 (4)가 유도 되는데 k는 중력가속도와 유속계수 및 각종 상수 값에 따라 결정되므로 수위 변화 속도가 수위에 의한 함수로 표현되는 것을 알 수 있다. 이제 식 (4)를 변수 분리하여 풀면 수위를 시간에 대한 이차 함수로 표현할 수 있다. 이러한 수 학적 접근을 기반으로 각 실험 결과 그래프에 가장 근사한 이차 식을 찾아보면 Table 2와 같다.
이론적인 접근과 실험 결과의 분석을 통한 근사 이차식과 유속 계수 계산의 필요성은 이를 통해 수위변화를 시뮬레이션 하고 최 적 효율을 지닌 수위에서 발전하도록 제어하기 위해서이다.
본 발전 시스템에서 물의 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 중요한 역할을 하는 것이 터빈 발전기다. 터빈 발전기는 시 간당 유입되는 유량이 많을수록 많은 전기에너지를 내는데 이것 보다 중요한 것이 최고 효율을 내는 유량을 유지하는 것이다. 유 입되는 파도의 에너지가 일정하기에 제어 시스템을 최고 효율을 내는 유량으로 유지시켜 최대의 전기 에너지를 얻을 수 있다. 따 라서 터빈에 따른 최고 효율을 내는 유량을 알면 이러한 유량이 유입 되는 수위를 식 (3)을 통해 계산하여 그 수위로 제어해 주면 된다.
탱크를 빠져나가는 물의 유동이 아무런 제약을 받지 않는 이상 적인 상태라면 식 (3)은 이론적인 유도와 기존의 연구 결과를 통 해 쉽게 결정되지만 본 연구에서는 여러 요소를 고려해야 한다.
터빈으로 물이 유입되는 과정에서 물이 터빈을 돌린다는 점을 고 려해보면 터빈을 돌리며 빠져 나가는 물의 양이 유입되는 물의 양 보다 많으면 상관없으나 그렇지 않을 경우 유입되는 물을 방해하 며 유속계수 C값을 작게 만든다. 또한 터빈을 빠져나가는 배출구 의 형상도 배출되는 물의 양에 영향을 미친다. 여러 요소들을 고 려해 유속계수를 이론적으로 구하는 것이 매우 복잡하고 어렵기 때문에 본 연구에서는 실험을 통해 결정된 유속계수 C를 얻어내 원하는 유량을 형성하는 수위를 모델링 할 수 있다.
Av ∆t = – B ∆h
∆h ∆t --- A
B ---v –
=
v = C 2gh t() dh
--- dt = – k h
Fig. 7. Water Level Change when the center turbine is opening.
Table 2. Approximation of a Quadratic Function as Turbine Opening Condition
열린 상태 근사 이차식 유속계수(C)
센터 터빈만 열렸을 때 h(t) = 0.000036702t
2−0.0061t + 0.2646 0.087
사이드 터빈만 열렸을 때 h(t) = 0.000043003t
2−0.0066t + 0.2704 0.091
터빈이 모두 열렸을 때 h(t) = 0.000013231t
2−0.0117t + 0.2625 0.092
시간에 따른 수위의 근사이차식을 통해 빠져나가는 물의 양을 시간의 변화 및 수위에 따라 모델링 할 수 있다. 본 연구의 목적 이 파력 발전 시스템에서 다수의 터빈의 구동에 의한 운영이기에 하나의 터빈 모델링 결과를 확장할 수 있어야 한다. 확장 방법은 정해진 수위에서 설치 된 여러 터빈에 작용하는 수압이 터빈의 수 에 관계없이 각 터빈 위치마다 일정하기에 하나 일 때의 모델링 결과를 다수의 터빈에서 독립적으로 적용할 수 있는 것이다.
다수 터빈 운용시 서로 독립적으로 작동한다는 가정의 검증은 앞서 언급한 서로 다른 세 가지 실험에서 유사한 유속계수가 나 온 것을 통해 확인 할 수 있다. 실제 실험값을 통해서 확인해보면 센터와 사이드 터빈이 각각 열렸을 때 수위에 따른 수위의 하강 속도와 터빈이 둘 다 열렸을 때 하강 속도를 Fig. 8에서 비교해 보 았다. 둘 다 열렸을 때 그래프와 각 터빈 하나만 열렸을 때 수위 하강 속도의 합을 비교했는데 약간의 차이는 있으나 각 결과를 합 한 속도와 둘 다 열렸을 때 하강 속도가 유사한 결과를 보인다. 여 기서 발생하는 차이는 둘 다 열렸을 때 수위가 더 빨리 낮아지므 로 수치적 모델링 과정에서 짧은 시간 간격의 수위 변화를 통해 수위 변화 속도를 구하기에 발생하는 오차의 영향과 서로 다른 터빈으로 빠져 나가는 유동이 서로 미치는 영향 등으로 원인을 살펴 볼 수 있다. 그러나 그 차이가 모델링 결과에 영향을 미칠 정 도는 아닌 것으로 판단되어 여러 대의 터빈이 설치되었을 때 모 델링은 현재의 실험에 사용된 터빈의 수위에 따른 수위 하강 속 도를 개수만큼 배하여 수행 할 수 있다.
5. 자동 제어 시스템에 의한 작동 및 시뮬레이션
앞서 월류에 의한 수위 상승과 열린 터빈을 통한 수위 하강을 각각 나누어 고려해 보았고 이번에는 수위에 따라 터빈이 자동으 로 작동하게 하여 수위의 상승과 하강을 실시간으로 계측하며 실
험하였다. 터빈이 열리는 수위를 Table 3에 나와 있듯이 사이드 터빈은 0.02 m 이상의 수위에서 작동하게 하여 파가 모형에 들어 오자마자 작동하게 하였고 센터 터빈은 0.214 m로 설정하여 들어 오는 물의 양이 나가는 물의 양보다 많아 수위가 이 값 이상이 되 면 두 터빈이 모두 작동하게 했다.
수위에 따라 열리는 터빈의 수를 다르게 하는 것은 어느 정도 수위가 높아진 상태에서 터빈을 구동시켜 에너지 효율을 높이는 것이다. 낮은 수위에서 모든 터빈이 열린 상태면 물이 빠져 나가 는 속도가 빠르기에 수위가 낮게 유지 되고 낮은 수위에서는 그 만큼 수압이 낮기에 터빈의 회전수도 높지 않고 발전 효율이 작 기 때문이다.
앞서 수위 상승을 확인하기 위해 사용한 20개의 규칙파를 통해 자동제어로 시간에 따른 수위 변화와 발전량을 계측하였다. 그 중 대표적인 하나의 규칙파에 대한 결과가 Fig. 9와 같다. 저수지에 서 물이 빠져나가지 않게 한 실험과 달리 터빈의 작동시 터빈을 통해 물이 빠져나가기 때문에 수위는 계속 증가하지 않고 변화 한 다. 제시된 실험 결과는 수위가 0.02 m 이상이고 0.214 m 이하인 상황에서 수행한 실험으로 센터에 위치한 터빈은 닫혀있고 사이 드 터빈은 열려 물이 빠져나가며 터빈을 돌려 발전시킨다. Fig. 9 를 보면 알 수 있듯이 사이드 터빈에서 전력이 생산 되고 그 생산 전력이 수위 그래프와 비례하는 형상이 나오는 것을 알 수 있다.
이것은 높은 수위에서 그만큼 물높이에 해당하는 수압이 터빈에 작용하고 그 것이 터빈의 회전력으로 전환되어 전력이 생산되기 때문이다.
전제 규칙파에 따른 수위 변화를 확인해 보면 낮은 파고에서는 특정 수위로 수렴하는 모습을 보이며 일정 파고 이상의 파가 입 사할 경우 두 터빈을 통해 최고로 빠져 나가는 물의 양보다 입사 파에 의해 들어오는 물의 양이 많기에 만수위가 유지 된다. 발전 되는 전력량은 수위가 높으면 큰 수압에 의해 터빈을 돌리는 힘 이 커지기 때문에 수위 곡선과 유사하게 비례하는 형태로 나온다.
앞서 입사파에 따른 수위 증가 속도와 터빈이 열렸을 때 수위 에 따른 수위 변화 속도 측정 실험 결과를 통해 수위 변화를 시뮬 레이션 할 수 있다. 시뮬레이션 알고리즘은 다음과 같이 수행된다.
1. 정해진 짧은 시간 동안 규칙파에 따른 수위 변화량 계산 2. 기존 수위에 수위 변화량을 더하여 새로운 수위를 구한 후, 새로운 수위에서 각 터빈의 열림 상태 확인
3. 각 터빈의 열림 상태에 따라 새로운 수위에서 앞선 실험에서 얻어낸 시간에 따른 수위 근사식을 통해 특정 수위에서 일정 동 안 수위 감소 반영
4. 다시 1번 과정의 수위 증가부터 반복
위의 알고리즘을 통해 시뮬레이션 한 결과와 실험 결과를 Fig.
Fig. 8. Comparison of each turbine’s Water level(m) Changing Velocity (m/s).
Table 3. Operating Water Level of each Turbine
센터 터빈 사이드 터빈
열리는 수위(m) 0.214 0.02
닫히는 수위(m) 0.214 0.02
Fig. 9. Water Level and Power Product according to Time.
Fig. 10. Comparison between Experimental Result (thick) and Simulation (thin).
10 에서 비교해 나타내 보았다.
결과 그래프를 통한 비교에서 확인할 수 있듯이 초기 및 최종 적인 수위의 수렴 위치는 실험과 시뮬레이션 결과가 거의 일치하 는 것을 볼 수 있다. 일부 규칙파에서 실험과 시뮬레이션 결과가 잘 일치하다가 약 100초 후부터 서로 다른 결과가 나오는데 이것 은 실험 공간의 제약에 의해 무한 영역 수조가 아닌 유한 수조이 기에 한쪽 벽에서 생성된 파가 반대쪽 벽에 부딪혀 반사파가 생 성되어 입사파에 영향을 미쳐 초기와 같은 규칙파가 형성되지 않 기 때문으로 분석된다. 그러나 전체적으로 대부분 실험에서 수위 변동의 경향성과 수렴 수위가 일치하기에 시뮬레이션 결과를 신 뢰할 수 있다.
6. 최적 제어 시스템
월류 파력 발전 시스템의 큰 장점이 다수의 터빈을 설치하여 작 동 상태를 제어하여 전체 시스템을 구성할 수 있다는 점이다. 따 라서 앞서 검증한 터빈의 작동 수위에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 다수의 터빈이 설치된 상황에서 최적의 제어시스템을 설계 할 수 있다.
최적의 제어시스템의 목적은 주어진 파랑의 입사 조건에서 다 수 터빈의 작동을 온/오프 시키며 최대 전기 에너지를 얻는 것이 다. 전체 에너지 변환 과정은 다음과 같다.
1. 정해진 파고와 주기를 갖는 파랑 에너지 2. 구조물에 월류하여 저장 된 물의 위치 에너지 3. 터빈의 입구로 유입되는 물의 운동 에너지 4. 터빈 발전기를 통해 얻어지는 전기 에너지
입사되는 파랑 에너지가 일정하므로 각 단계별로 변환되는 과 정에서 손실을 최소화하고 효율을 높임으로써 최대 전기 에너지 를 얻는다. 파도가 월류하여 저장 되는 과정에서 천단고 위치에서 수면까지 낮아지며 물의 위치 에너지가 손실 된다. 그리고 저수된 물이 터빈을 통해 빠져 나가며 유출 과정에서 운동 에너지가 손 실 되고 다시 터빈을 돌려 전기 에너지로 전환되며 에너지가 손 실된다. 전체 과정 중 형상에 의해 발생하는 손실을 제외하면 제 어 가능한 부분은 저장된 수위에 따른 위치 에너지 손실 과정과 터빈의 변환 효율에 따른 에너지 손실 과정이다. 그런데 위치에너 지는 수위에 따라 선형적으로 변하고 터빈 효율은 특정 수위에서 최고값을 나타내고 급격히 감소하는 경향을 보인다. 따라서 최고 효율을 위한 결정적인 요소는 터빈효율이기에 터빈의 에너지 변 환 효율이 최고인 수위를 유지하는 것이 전체 시스템을 최적화하 는 것이다.
터빈의 변환 효율은 터빈별 유출 유량 계측 부분에서 연구 되 었듯이 유량에 따라 설계 과정에서 결정된다. 본 연구의 통합 축 소 모형시험에 사용된 터빈은 실험 결과 분석을 통해 수위에 따 른 효율을 알 수 있다. 센터와 사이드 터빈을 각각 열어 빠져나가 는 속도와 발전량을 측정한 실험 결과를 수위에 따른 전력 발전 그래프로 그려보았다. Fig. 11은 센터 터빈과 사이드 터빈에서 수
위에 따른 전력 발전 그래프인데 두 값의 관계는 x축의 수위로 표 현되는 위치 에너지가 y축의 발전된 전력의 전기 에너지로 변환 되는 것이다. 따라서 그래프의 기울기가 수위의 변화량에 따라 전 기 에너지로 변환 되는 양이므로 에너지 변환 효율로 볼 수 있으 며 기울기가 급할수록 효율이 높다. 따라서 본 실험 결과에서는 에너지 보존의 관점과 높은 에너지 변환 효율의 관점에서 만수위 의 경우 입사되는 파의 에너지가 저장되지 못하고 손실되어 비효 율적이므로 만수위에 도달하지 않는 한 최대한 만수위에 근접한 수위에서 시스템을 운용하는 것이 터빈 효율 관점에서 최적화된 운용 시스템인 것이다.
본 실험에서 사용한 터빈은 축소하여 만들어 수위가 높을수록 높은 에너지 효율을 나타내나 실제 터빈의 설계시 특정 유량에서 최고 효율을 내도록 터빈이 설계 된다. 최고 효율 유량이 나오면 터빈별 유출 유량 계측 부분에서 연구와 같이 유속계수를 구해 유 량을 얻을 수 있는 수위를 계산한다. 그리고 다수 터빈 작동 제어 를 통해 결정된 수위가 유지 되도록 한다.
축소 모형의 실제 모델은 천단고 높이가 2 m이며 1.75 m 수위
에서 위치 에너지를 전기 에너지로 변환되는 효율이 최대가 되도
록 설계 되었다. 따라서 본 실험에서 사용된 천단고 높이가 0.286 m
인 1/7스케일 모형에서 터빈이 계획대로 설계 되었을 경우 0.25 m
의 수위에서 최고 효율을 보인다. 터빈이 여러 개일 때 최고 효율
을 내는 수위에서 시스템을 작동시키기 위해 시뮬레이션을 통해
제어 시스템을 구성 한다. 본 연구에서 사용한 20개의 서로 다른
규칙파 입사 조건에서 다수의 터빈이 존재할 때, 터빈의 열린 상
태에 따른 수위 수렴 시뮬레이션을 해보면 특정수 이상의 터빈이
열려 있으면 들어오는 물의 양 보다 나가는 물의 양이 많아 수렴
수심이 0이 되어 발전하지 않는다. 또한 터빈이 적게 열려 있으면
들어오는 물의 양이 많아 만수위를 넘게 된다. 그러나 이 두 값 사
이에 터빈이 열려 있을 때의 결과를 시뮬레이션 해보면 특정 수
위로 수렴한다. 열린 터빈의 수가 늘어날수록 수렴 수심은 낮아지
Fig. 11. Relation between Water Level and Power Generation.
게 된다. 수렴 이유는 적당수의 터빈이 열려 있을 때 월류량이 증 가해 수위가 높아지면 수압이 높아져 빠져나가는 물의 양이 열려 있는 터빈을 통해 빠져나가는 물의 양과 월류량이 같을 때까지 증 가하기 때문이다.
열린 터빈의 수에 따른 수렴 수심을 시뮬레이션 할 수 있고 이를 통해 터빈의 작동 상태를 제어하며 수위를 조절 할 수 있다. 우선 n+1 개 터빈이 열렸을 때 수렴 수심 0.25 m보다 크고 n개 터빈이 열렸을 때 수렴 수심이 0.25 m보다 작아지는 열린 터빈 수 n를 찾 는다. 그 다음 n개의 터빈을 열어 수심을 높이다가 0.25 m가 넘으 면 n+1개의 터빈을 열어 수위를 낮춰 주고 0.25 m보다 낮아지면 다시 하나의 터빈을 닫고 n개 터빈이 열린 상태로 하여 수위를 높 여 줌으로써 최고 효율 수위 0.25 m로 수위를 유지 시켜 주는 것 이다. 이렇게 최고 효율에 맞추는 제어 방법은 입사파에 의한 에 너지가 일정하므로 변환 시키는 효율이 높은 상태로 제어하는 것 이 전체 시스템이 효율적이라는 가정 하에 성립된다.
이러한 분석을 통해 얻은 특정파가 입사파인 경우 월류 파력 발 전 구조물의 최고 효율 수위 운용 방법은 다음과 같다.
1. 입사파에 따른 월류량 계측하여 시간에 따른 수위 변화를 일 차 함수로 표현한다.
2. 터빈 발전기가 설치된 상태에서 시간에 따른 수위 하강 속도 와 발전량을 측정한다. 이를 통해 유속 계수를 구하고 최고 효율 유량에 따른 최고 효율 수위를 계산한다.
3. 월류량과 하강 속도의 시뮬레이션을 통해 수렴 수심이 터빈 의 최고 효율을 보이는 수위에 근접한 열린 터빈의 수를 구한다.
4. 수위가 증가하면 터빈을 추가로 열고 수위가 감소하면 터빈 을 닫아서 최고 효율 수위를 유지한다.
7. 결 론
암초형 월류파력발전 기술 개발을 위해 축소 통합모형 실험을 수행하여 그 성능을 검증하고 실험 결과의 분석을 통해 파력 발 전 시스템의 효율적인 운용 방안에 대한 연구를 수행하였다. 이러 한 연구 결과 월류 파력 발전시스템과 관련하여 다음 사항들을 확 인할 수 있었다.
(1) 암초형 월류 파력 발전 시스템에 파를 입사시켜 원하는 양 의 물이 형상을 따라 월류 되어 파도의 에너지를 효율적으로 흡 수하는 것을 확인하여 형상에 대한 기존의 이론, 수치 연구에 대 한 검증을 하였다.
(2) 전체 파력 발전 시스템의 과정을 축소하여 시험하였기에 파 의 생성부터 시작해 월류, 터빈의 작동 및 제어, 전력 생산, 모니 터링 까지 확인함으로써 실해역 설치시 현실적인 실현 가능성을
확인하고 그에 대한 기반을 구축하였다.
(3) 규칙파 실험과 파에 따른 시뮬레이션을 통한 터빈 제어 수 위의 최적화를 통해 암초형 월류파력발전 기술의 장점을 활용한 효율적인 파력 발전 시스템의 운용 방법을 제안하였다.
이와 같이 통합 모형시험을 통해 이론, 수치적인 예상에 대한 검증뿐만 아니라 향후 운용 방안에 대한 제시를 하는 등 모형시 험의 목적을 달성하였다. 실제 월류 파력발전시스템의 구현 후 운 용 과정에서 설계시 계획한 값과 그 성능이 차이가 날 수 있다. 그 러한 상황에서 본 연구에서 수행한 과정을 통해 다수의 터빈이 설 치된 실제 파력 발전 시스템의 운용시 설치된 시스템에 맞는 최 적화된 운용 방법을 찾을 수 있다. 본 연구에 추가적으로 여러 대 의 터빈이 설치된 월류 파력 발전 구조물에서 빠져나가는 유동의 상호 영향에 의해 발전량이 어떻게 변하는 지와 실제 해역과 같 은 불규칙파의 발생시 최적화된 제어 방법에 대한 연구를 통해 실 증 플랜트의 건설을 통한 성공적인 파력발전이 가능할 것으로 본다.
후 기
본 연구는 지식경제부 신재생에너지센터가 지원하는 ‘나선암초 형 월류파력발전 기술 개발’ 및 국토해양부가 지원하는 ‘파력에너 지 실용화 기술개발’의 일부로 수행되었음을 밝혀둔다.
참고문헌
