Department of Energy Grid
Fall 2013 Dr. Jin Hur
신재생 에너지 응용
(GE0038)
- Chapter 8 Wave Energy -
본 자료는 주 수업교재“지속가능한 신재생에너지 (김원정 외4)”
출판사(한티미티어)에서 제공한 강의자료를 참조하여 작성되었습니다.
8.1 Introduction
• 파력 에너지의 활용 개념은 200년 전 시작되었으나 1970년대에 들어 실 질적인 기획이 시작됨.
• 노르웨이: 1985년 TAPCHAN 건설. 수력발전량이 풍부하여 수요는 없으 나 수출목적으로 파력개발.
• 영국: 1982년 ACORD(Advisory Committee on R&D for Fuel and Power) 의 권고로 산업자원부가 지원하여 1989년 스코틀랜드 Islay에 75kW 파력 시험설비 설치함. Oscillating Water Column(OWC)형.
• 유럽: 1993년 파력에너지의 잠재력을 인식하고 European Wave Energy Thematic Network 설립, 소수의 프로젝트 지원.
• 이외에 일본, 호주, 미국 등에서 시범설비 제작.
• 1992년 영국 Energy Technology Support Unit의 보고서에서 잠재량은 풍부하나 실제 개발가능 잠재량은 작으며 당시 기술력으로 가격 경쟁력 없음으로 판단함.
• 이후 1998년 영국 DTI(Department of Trade and Industry) 보고서는 긍 정적으로 평가하여 파력의 전력가 전망치를 5 p/kWh 이하로 평가함.
• 최근 경향은 2008년 제작 동영상 강의 참조.
http://www.youtube.com/watch?v=-9LxPfCbrwA
8.2 Case study
• 저류방식(그림): 1985년 노르웨이 Norwave사가 350kW 시범설비 건설.
TAPCHAN이라는 이름은 Tapered Channel에서 유래. 너비 40m 길이
170m 나팔형상의 좁아지는 유로와 높이 10m (수중높이 7m, 수면 위 3m) 의 벽으로 이루어진 저류조 사용. 위치에너지 사용 발전 무작위로 발생하 는 해양에너지를 거의 정상상태로 활용함. 2000년 경제성 부족의 이유로 가동 중단함.
• 저류방식 건설의 필요조건: 1. 충분한 파고, 2. 큰 연안수심, 3. 작은 조수 간만 차이, 4. 저류조를 건설하는 천연조건.
• 저류방식 개선점: 1. 파고를 예측하여 큰 파도가 오기 전 발전량을 증가
수면을 낮춤. 2. 채널의 길이 축소.
8.2 Case study
• OWC 방식: Queen’s University이 1985 년 이래 연구. 1989년 스코틀랜드 Islay 에 설치. 1999년까지 가동. 웰즈 터빈.
• 이후 설계 개선: 1. 건설방식의 개선(그 림), 2. 바닥을 경사지게 변경함.
• 2000년 LIMPET 건설. 250kW 웰즈터빈 2기가 반대 방향으로 회전함.
• 이외에 부유방식.
• 전반적으로 On shore 설비에 비해 해안에서 수 km 떨어진 Off shore 설비 는 건설과 유지가 어렵고 해저케이블이 필요하나 발전량이 다소 증가함.
8.3 파력 에너지의 물리이론
• 파도: 바람과 해수의 상호작용. 근원적으로 태양에너지.
• 파도발생의 단계: 1. 바람이 수면에 전단력 작용 파도의 생성, 2. 공기의 난류에 의해 불규칙한 압력 분포 작용, 3. 일정 진폭 이상에 대해 바람이 작용하여 성장함. 풍속과 같아질 때까지 성장 가능함.
• 파도는 다양한 진동의 중첩. 고진폭의 파도는 이동속도가 빠름. 발생지역 에 머무는 경우 Storm wave, 지역 밖으로 전파되는 경우 Swell wave.
• 태양복사에너지의 평균밀도는 100 w/m2, 파도로 집중되면 100kW/m (파 도 길이 당)
8.3 파도 특성과 파력
• 사인파의 특성은 파고(H), 파장( ), 속도(v), 주기(T), 진동수( )로 표현됨.
• 이상적인 단일 사인파의 에너지(kW/m):
• 파도 이동 속도.
λ /T v
, /
1 λν λ
ν = T = =
T H g
P 2 2
32
= 1
gd d
=
<
<
=
=
v :
4 : 2
2 gT
2 , v gT :
2
얕은바다 중간바다 깊은바다
π λ π
λ λ π
π
ν
8.3 파도 특성과 파력
• 실제 파도는 다양한 특성의 복수 사인파의 중첩.
• 특정 위치에서 특정기간 동안 부표(Buoy) 사용하여 파도의 특성 중 파고(H), 주기(T) 측정 가능.(그림)
• 유의 파고 이런 계산식 ,
그러나 실제로는 진폭이 큰 상위 1/3 파고의 평균으로 평가.
• 유의 주기: zero-up-crossing period 샘플 10회 이상의 평균.
• 파력의 평가식
ν
4 H 2
Hs =
e s T H
P 2
2
= 1
8.3 파도 특성의 시간적 변화
• 같은 장소에서도 측정시간에 따라 변화를 보임. 실제 자료(그림).
• 유의파고와 유의주기 빈도분포표를 통하여 분석함.
• 연안 및 해상에서 파력의 분포: 전반적으로 대륙 서안에서 강함.
8.3 파력의 방향 변화 및 심해 운동
• 파도는 현저한 에너지 손실 없이 장거리 진행 가능함.
• 여러 발생지역으로부터 도달한 파도가 방향에 따른 파력 분포를 보임. 연평 균 파력의 분포(그림).
• 물 입자의 수면 하 운동. 95% 이상의 파력이 파장의 ¼에 해당하는 깊이에 집 중됨.
8.3 파력의 방향 변화 및 심해 운동
• 파도가 해안으로 다가오면서 수심이 감소함. 해양에서 50kW/m 파력의 파도 가 해안에서 20kW/m 이하의 파력으로 감소함.
• 해안에서 수심이 깊은 구조가 선호되지만 해안절벽을 제외하면 흔하지 않음.
• 파도가 부서지며 에너지의 추가 손실이 있음.
• 에너지의 전환과 함께 강한 파도를 견디도록 내구 설계 필요.
• 파도의 굴절: 해안으로 다가오며 해안과 직각방향으로 굴절됨.
• 수심의 변화가 급한 곳으로 파력이 집중됨. (곶)
8.4 파력 잠재량
• 파력의 측정: 구역별 지점별로 지도를 작성함.
• 이를 근거로 파력 잠재량을 평가함.
• 연안 파력과 해양 파력 자원, 기술 잠재량, 경제 잠 재량 평가.
• 영국의 경우 100-140 TWh/year의 연안 및 600- 700 TWh/yerar의 자원이 존재하며 적정한 개발 수 준은 연안과 해상에서 2.5 및 50 TWh/yerar로 평가.
8.5 파력 에너지 기술
• 파력은 기계적 일로 다시 전기로 변환됨. 파도를 따라 움직이는 부분과 안정 적인 부분이 필요. (대형의 경우 관성을 이용하기도 함)
• 구조의 크기는 중요한 인자. 파력이 집중된 물 입자의 궤도와 관련됨.
• 단위 길이당 수십 m3의 Swept volume이 적절함.
8.5 파력 에너지 기술
• 파력 발전기의 분류
• 상대적 위치에 따라:고정식(저수심용), 계류식(중수심용), 부유식(고수심용).
• 형상과 방향에 따라: 종결자, 완화자, 점흡수자.
• 종결자(terminator) 주축방향이 입사파면과 평행. 파도를 가로막음.
• 완화자(attenuator) 주축방향이 입사파면과 직각. 파도를 점진적으로 약화.
• 점흡수자(point absorber) 입사파면과 수직으로 만남. 계류식 부표 등.
• 연구 목적을 위한 실내 수조의 모습.
8.5 웰즈 터빈
• Alan Wells교수 발명.
• 대칭익을 사용 유동의 방 향에 관계없이 동일 방향 으로 회전함.
• 작동 원리는 풍력과 동일.
• 일정 회전속도에서 유량은 압력차와 선형관계. 일정 부하로 작동함.
• 전통 에어포일이 고정 유 량과 유동방향에서 높은 효율을 가지지만 유량이 범위를 갖는 경우 웰즈터 빈의 유리함.
• 고회전(1500-3000rpm)으 로 변속기 없이 발전 가능.
8.5 고정식 장치
• 해저 및 연안에 고정. 통상 종결자. 전통적으로 가장 널리 보급됨.
• 단점: 저수심에 설치되어 파력이 약화됨. 조수간만의 차이가 작은 곳에 제한 적으로 설치 가능. 조건에 따라 설계요구가 달라 대량생산 불가능.
• 장점: 전력망에 접근이 용이하고, 파도의 약화로 파괴 가능성이 낮음.
• OWC방식 웰즈터빈 사용. 노르웨이, 일본, 포르투갈, 스코틀랜드 등 설치.
- 일본: 1977년 시험. 1989년 사카다지역에 20m 길이 60kW 용량의 방파제 겸용 설비 운영.
- 노르웨이: TAPCHAN과 같은 섬에 MOWC(Multi resonant) 설치. 수심 60m 절벽에 기대어 설치.
직경 2미터 600kW 회전수 1000-1500 rpm의 웰즈 터빈 구동. 예상보다 우수한 성능을 보였으나 1988 년 태풍으로 파괴됨. 향후 절벽 안으로 설치 권장.
• Pendular(비OWC방식): hinged flap과 파장의 ¼ 길이의 수조를 사용. 일정 파장에만 효과적으로 작동.
1980년대 초 일본 호카이도에 5kW 설치. 스리랑카로 확장(250 kW). 발전가 7p/kWh 평가.
8.5 부유식 장치
• Whale(일본): OWC 종결식. 모델 시험1998년 고카소만에서 시작. 유의파고 1m 유의주기 5-8초 평균파력 4kW/m 조건에서 효율 15%로 평균 6-7 kW 생산. 실증 스케일은 길이 50m 무게 1000톤 출력 110kW 필요. 방파와 레저 의 다목적으로 제작.
• BBDB(Backward Bent Duct Buoy, 일본): 중국에서 모델 스케일 실험, 발전 단가 6p/kWh 예상. 아일랜드에서 수치해석 연구 수행.
8.5 부유식 장치
• Floating Wave Power Vessel(FWPV): 스웨덴의 Sea Power Int’l사가 수심 500m의 스코틀랜드 근해에 제작 설치한 부유식 TAPCHAN. 최대출력 1.5 MW 발전단가 7p/kWh. 경사면을 넘은 해수가 수력발전용 카플란 수차를 지 나며 발전.
• Clam: 영국의 Conventry 대학에서 1980년대 개발. 서로 연결된 12개의 공 기 밀실은 강화 고무막으로 둘러싸여 파도에 의한 변형으로 밀실간 공기가 이동하며 웰즈터빈을 구동함. 실제 사이즈는 직경 60m이며 수심 40-100m 에 사용됨.
8.5 부유식 장치
• Duck: 영국 에딘버러대학에서 1970년 대 고안한 종결자. 캠모양의 부유물이 스파인으로 연결되고 입사파의 모양대 로 수 km에 걸쳐 설치되는 제안. 물입 자의 운동에 거의 완벽하게 연동하여 높은 효율이 기대되지만 무작위 운동으 로부터 에너지를 추출하는 등 공학적 문제해결 필요.
• Pelamis(Sea snake): 영국의 Ocean Power Delivery사가 개발. 원통 실린더 가 힌지로 연결된 완화자. 연결부의 유 압장치로 고압유를 펌핑하여 수력모터 를 구동 발전함. 강한 파도가 생성하는 부하의 분계 효과가 있어 태풍에 견딤.
대신 장치보다 긴 파도의 에너지는 추 출하지 못함. 750kW 장치는 5개의 직 경 3.5m 모듈로 구성되고 길이가 150 m에 이름. 발전단가 7p/kWh 이며 향 후 2p/kWh까지 감소 가능 주장.
8.5 계류식 장치
• 부유물과 해저가 펌프로 연결된 점흡수자. 이론적으로 의 길이에 해당하 는 에너지 흡수가 가능함. 주기 6초의 파도는 대략 파장이 56-72m 정도이 므로 약 10m 너비를 감당함. 실제로는 훨씬 작음. Capture width ratio.
• Latching: 최적의 성능을 위해 상하 운동 전환 시 1초 정도 운동을 잠금.
• 호스펌프: 스웨덴의 Technocean. 강화고무 수직원통을 나선형으로 감아 펌 프 역할을 함. 상승 시 해수를 가압하여 저류지로 보내고 펠톤 수차를 구동.
• IPS: 스웨덴. 튜브 내부의 피스톤과 긴 부표가 연동. 저장조 사용.
• Aquabuoy: IPS와 호스펌프 결합.
π λ 2
8.5 각국의 파력 연구개발
• 일본: Whale, BBDB, Pendulor.
• 노르웨이: TAPCHAN, MOWC, ConWEC(buoy+piston+latching+storage).
풍부한 수력발전으로 파력에 관심이 없었으나 수출시장을 겨냥하여 개발.
최근에는 전력수요 증가에 따른 추가 수력발전의 건설을 국민이 반대하여 덴미크와 스웨덴으로부터 전력 수입하여 관심 증가.
• 영국: Brystol cylinder(수평 잠수 원통의 운동으로 펌프 구동.
실현의 문제). Pitching and Surging FROG(관성을 이용하여 상대 운동을 유도함.OSPREY(bottom mounted OWC, 그림) 1995년 설치장치는 허리케인 Felix로
파괴. 2000년 아일랜드 근해에 설치.
• 중국: 일본과 아이디어와 연구진 교류.
다수의 항해부표, 다완산섬에 3kW OWC. BBDB 시험 광조우 에너지변환 연구소.
8.5 각국의 파력 연구개발
• 인도: (그림)방파제와 연계한 MOWC. 직경 2m의 웰즈터빈을 사용하는
150kW 용량의 발전기를 1991년 Trivandrum 해안에 설치. 항구 보호용 방파 제의 목적을 겸하여 토목공사비용 부담 없음. 우기에 75kw 건기에 25kW 생 산. 인도의 파력 밀도는 작으나 항만 공사계획이 많음.
• 덴마크: 야심찬 계획을 세웠으나 정권교체 후 변화함. 계류 부표 장치(그림) 부표가 해저구조물 내부의 피스톤을 구동.
다수의 장치를 배열하여 설치. Waveplane (입사파를 증 폭하여 나선형 수로에 유입하고 vortex로 터빈구동. Wave Dragon(floating
TAPCHAN 2003 년 설치. Swan DK3 (BBDB)
8.5 각국의 파력 연구개발
• 스웨덴: 자국의 잠재량과 인근 노르웨이 해안의 잠재량이 개발대상. 호스펌 프식을 개선하여 계류와 펌핑기능을 동시에 수행하는 고무호스관 개발.
1992년 Sea Power INT’L사가 Floating Wave Power Vessel 개발 무게추를 조절하여 파고에 적응함. 2002년 Ahetland 해상 500m 지점에 1500kW 파 일롯 설치. FWPVHY(hydrogen gas) 개발하여 발생에너지를 수소로 저장.
• 포르투갈: 아조레스군도 피코섬에 500kW OWC 설치. 연평균 출력은
124kW이며 최대 순간출력 525kW. 제1 웰즈터빈에 이어 이후 터빈에는 피 치제어방식 도입.
• 네덜란드: Archimedes Wave Swing사의 Techniek팀의 설계력이 우수함.
• 한국: 백재엔지니어링의 플라스틱 복합재료 사용 서유럽 설치제안을 소개함.
• 인도네시아: 1996년 노르웨이 수상의 인도네시아 방문을 계기로 Indonor사 가 1.1MW TAPCHAN 건설함. 길이 60m 폭은 7m에서 25cm까지 좁아지는 채널 사용. 집필당시 운전결과는 없음. 발전단가 5.5p/kWh로 예상.
• 미국: 정부의 관심이 상대적으로 작았으나 사기업 주도로 OWC방식 위주 추 진. Ocean Power Technology사의 Wave Energy Converter는 다수의 모듈 방식을 채택 수명 30년, 발전단가 2-3p/kWh (100MW의 경우) or 5-7
p/kWh(1MW의 경우) 예상. SCRIPPS 연구소에서 캘리포니아 포함 서해안 전체를 대상으로 연구 수행 중이며 해저 압축공기 탱크 저장방식 고려함.
8.5 각국의 파력 연구개발
• 아일랜드: 서해안이 해안/해상 파력 이용에 매우 적합한 환경을 가짐. 잠재 량 25GW로 평가. 웰즈터빈을 대체할 자기 적응 공기터빈 연구. (그림) 40m 길이의 McCabe Wave Pump를 킬바하해안에 발전 및 담수용으로 설치.
• 호주: 개선된 OWC 방식으로 가변 피치 터빈과 파력 증폭구조(그림, 포물선 의 초점에 OWC입구설치)을 사용한 500kW설비를 켐블라항에 건설중. 발전 단가 약 2p/kWh 예상함.
8.6 경제성 / 8.7 환경영향
• 파력 발전의 발전용량당 초기투자비는 기존 화석연료 발전의 2배 이상이며 파도의 특성상 load factor가 낮아 운전비가 현저하게 싸고 수명이 길지 않 으면 가격 경쟁력 확보가 어려움. 견고하고 태풍과 같은 혹독한 조건에 파손 되지 않는 설계와 제작 기술이 필요함.
• 평균 효율은 30%정도이며 건설비는 대략 2백만원/kW 정도임.
• 파력발전에서 2GW 설비는 초기 항공기술 개발단계에서 보잉747을 설계하 라는 주문과 비교됨. 소규모 발전설비의 경우 기술적으로 쉽고 투자의 위험 도가 낮아 유리함. 점진적으로 경험을 축적하며 대형화하는 전략이 필요함.
• 발전단가 변동 추이를 보면 다양한 기술이 개발되며 경쟁력을 갖추고 있음.
• 긍정적 환경 영향: 화학오염이 없음. 소음과 시각 방해가 없음.
선박과 어류 등 해안 생태계에 미 치는 영향은 심각하지 않음.
방파 효과가 있으며 kWh당 11g 정도의 이산화탄소만 발생하는 것 으로 평가됨.
8.8 계통연계
• 도서지역등 고립 소규모 수요의 경우 - 파력의 특성상 출력 변동이 심함.
- Dump load 이용: 빙축열/축열 및 수소 등
• 대규모 전력망과 연계
- 다수의 파력설비를 연계 할수록 출력은 균일함.
- 서유럽의 경우 계절별 수요 곡선과 출력 변화가 잘 일치함. 날씨가 혹독할 수록 출 력이 증가하기 때문.
8.9 전망
• 파력발전 기술은 개발 초기단계에 있으며 다양한 새로운 아이디어가 도출되고 검증되어야 함.
• 자원의 잠재량이 크고, 발전 외에도 담수화, 항만 보호, 양수, 해양 경작, 해수로부터 자원 추출, 수소 생산 등 응용 범위가 다양함.
• 기술개발을 통한 수명의 장기화와 제작/설치비의 감축으로 경제성을 확보하면 매우 현실적인 자원임.
