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Numerical Investigation on the Applicability of Wave-Induced Swirl Water Chamber for Wave Power Generation in Coastal Water of Korea
Numerical Investigation on the Applicability of Wave-Induced Swirl Water Chamber for Wave Power Generation in Coastal Water of Korea
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2013. Dec, 27(6): 32-42
Copyright © 2013, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : February 27, 2013
  • Accepted : December 18, 2013
  • Published : December 31, 2013
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정규 최
형태 김

Abstract
In this paper, a wave-induced swirl water chamber (SWC) for breakwater and wave power generation is introduced and its applicability to wave power generation in the coastal waters of Korea is investigated. The SWC type of wave power generation is a way to drive a turbine using the unidirectional swirl flow that is induced in the back of a curtain wall of a breakwater due to incident waves. The typical wave characteristics are obtained by analyzing the annual statistical wave data from KHOA (Korea Hydrographic and Oceanographic Administration). A numerical analysis is carried out on the variations in the SWC entrance height, wave height, and different installation conditions. For the numerical analysis, a commercial code, Fluent based on FVM, is used. As the entrance height decreases, the mass flow rate through the entrance is rarely changed, whereas the magnitude of the flow velocity of the smaller entrance height is greater than the other ones, which is better for the formation of an SWC swirl flow inside and the flow kinetic energy at the entrance. In cases of installation conditions where a wall is place behind and under SWC, it has been shown that the mass flow rate through the entrance is greater than that in the open condition, and sufficient flow kinetic energy is generated in the entrance for wave power generation. However, the swirl flow kinetic energy is relatively small. Thus, in the future, it is necessary to study the swirl flow generation, which is affected by the SWC shape.
Keywords
1. 서 론
해양은 인류가 마지막으로 확보할 수 있는 지구 자원의 보고로서 그 가치가 점차로 높아지고 있다. 해양으로부터 얻을 수 있는 에너지원은 종류가 다양하고 풍부한 양을 보유하고 있어서 화석에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 중요한 방안으로 각광 받고 있다. 해양 신재생에너지 중에서 파도 에너지는 바다 라면 어디서나 흔히 나타나므로 바다가 인접한 세계 어느 곳에서나 적용 가능한 높은 접근성을 가지고 있으며, 우리나라 연근해에서도 약 3KW/m의 부존 파에너지(Wave energy)가 있는 것으로 파악되고 있다( Song et al., 2004 ). 상대적으로 파장이 짧고 파고가 높은 곳에서 파에너지 확보가 용이하기 때문에 주로 연근해에서의 파력발전이 이루어지고 있으며, 이는 에너지의 육상 이동이 용이하고 소규모 발전 및 방파제 기능을 포함하여 복합적으로 활용이 가능한 장점을 가지고 있다.
파도 에너지를 전기 에너지로 변환하는 파력발전은 발생된 파의 운동에너지와 포텐셜에너지를 이용하여 터빈의 회전 또는 물체의 굽힘 등의 기계에너지로 변환한 다음 발전기를 이용하여 전기를 얻는 방식이다.
최근 실용화가 가능해진 것으로는 가동물체형(Movable body)과 월파수류형(Wave overtopping), 진동수주형(Oscillating water column) 등이 있는데, 국내에서는 진동수주형 파력발전에 대한 연구 등이 수행된 바 있다. 특히 우리나라 연안에 적용 가능성이 높은 것으로 알려져 있는 진동수주형 발전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다( Koo et al., 2012 ; Kim et al., 2012 ; Koo et al., 2010 ). 진동수주형 발전은 유수실 내의 해수가 상하로 진동함으로써 공기터빈이 설치되어있는 덕트 사이로의 공기 왕복 운동에 의해 공기터빈을 구동하여 발전한다. 이 방식은 해수에 간접적으로 노출되고, 터빈 등의 유지보수가 쉽다는 장점이 있으나 압축공기의 유출입에 따른 소음과 발전 효율이 낮은 것 그리고 에너지의 변환이 상대적으로 많은 단계를 거치는 것이 단점으로 지적되고 있다. 또한 방파제에 설치할 경우에는 방파제 내외의 해수 유동이 차단되기 때문에 방파제 안의 생태계나 수질악화 등의 단점이 있어서 주로 연안 암벽 등에 설치되고 있다.
한편, 최근 들어 Nakamura et al.(2005) 에 의해 방파제 항외 측에 설치된 차단벽(Curtain wall)과 배후벽 사이에 유수실을 설치하고, 유수실 밑에 통수로를 확보한 형상의 해수교환식 반사파 저감공법이 제안되었는데, 이 시스템의 유수실 내부에서 회전수류(Swirl flow)가 발생하는 것을 발견하게 되면서 파력발전에의 활용 가능성이 제기되었다. 이처럼 유수실 내부의 회전수류를 이용한 파력발전을 회전수류형 파력발전(Wave power generator using wave-induced swirl)이라 한다. 파에 의해 유수실 내부로 해수가 유입되어 회전운동을 하게 되면 유수실 안에 설치되어 있는 수력터빈을 구동시켜 발전하는 방식이다. Fig. 1 과 같이 직립 유수실에 파가 유입되면, 차단벽과 하부 수평판 사이의 공간을 통해 해수가 유수실로 유입된다. 유입된 해수는 내부에서 회전을 하게 되며, 이 회전수류를 이용하여 수력터빈을 구동하게 된다. 회전수류형의 설치 지형이나 위치는 진동수주형과 유사하지만 상대적으로 해수의 회전유동에 의해 직접 터빈을 구동하므로 에너지 변환 단계가 줄어든 더 직접적인 발전방식이어서 진동수주형 발전보다 높은 에너지 변환 효율을 기대할 수 있다. 또한 방파제 적용 시에는 해수가 유입되는 유수실과 바다 바닥 사이에 공간이 존재하기 때문에 방파제 내외부의 해수흐름이 발생하게 되어 방파제 내부의 해수 오염을 방지하고 생태계에도 좋은 영향을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다. Nakamura et al.(2005) 은 실해역에 설치되는 방파제 크기에 대해 1/20의 축적비를 갖는 모형을 대상으로 실험을 수행하였으며, 실험은 25m 길이에 0.4m 깊이를 갖는 조파수조에서 수행하고, 유수실 내부회전 유동 현상을 확인한 바 있다. 또한 Cho and Kim(2007) 은 SPH (Smooth particle hydrodynamics)기법의 수치해석을 이용하여 파를 구현하고, 유수실 내 회전 유동을 시뮬레이션 하여 파주기에 따른 유동 특성을 분석하여 파력발전이 충분히 가능함을 언급한 바 있다. 그러나 국내 연안에 적용 가능성을 고려하거나 이에 주목하여 파와 유수실 간의 상관관계 등을 연구한 경우는 부족한 실정이다.
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Concept of wave-induced swirl water chamber(SWC)
본 논문에서는 회전수류형 파력발전 시스템에 대해 소개하고, 파에 의한 회전수류 유수실 내부 회전유동을 수치해석을 통해 살펴보았다. 회전수류형 파력발전의 형상을 정의하고, 국내 연안의 대표적인 파도 특성을 도출하여 파 특성과 유수실의 형상 변화에 따라 수치해석을 수행하여 유수실 내부 회전유동 특성에 대해 조사하였다. 또한 회전수류 유수실의 설치 여건을 고려한 가능성도 검토하였다.
2. 회전수류 유수실의 형상정의
본 논문에서는 Fig. 2 와 같이 회전수류 유수실의 형상을 정의 하였다. 유수실의 형상은 차단벽(Curtain wall)과 후면 수직판(Back plate) 그리고 하부 수평판(Lower plate)으로 이루어져 있고, 유수실 내외부로 유체가 출입할 수 있도록 차단벽과 하부 수평판 사이의 입구(Entrance)가 있다. 형상에 대한 초기 제원은 향후 조파수조에서의 모형시험을 전제로 실제 크기의 1/20 축척비를 갖도록 도출하였으며, Table 1 에 나타내었다.
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Definition of SWC shape parameters
Principle dimension of water chamber model
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Principle dimension of water chamber model
3. 주요 요소의 도출
- 3.1 파도 특성도출 및 상사
회전수류형 파력발전 시스템의 국내 연안 적용 가능성 검토를 위해서는 국내 연안의 파 특성을 파악하고 적용하는 것이 중요하다. 우리나라 해역의 평균 유의파고는 0.5~2.0m, 유의 파주기는 4~6초 정도이다. 국내에서는 제주도가 파력발전의 적지로 알려져 있으나( Song, 2004 ; Hong et al., 2004 ), 본 논문에서는 서해와 남해의 파 특성을 기준으로 하였는데, 회전수류형 파력발전 시스템의 국내 연안 적용 가능성을 살펴보기 위해서는 보다 다양한 환경에 적용해 볼 필요가 있고, 서·남해의 방파제 및 안벽 등에도 설치 가능하므로 서·남해의 파도에 의한 발전 가능성에 대해 검토하고자 하였다. 이를 위해서는 우리나라 서·남해에 발생하는 파도에 대한 특성을 파악하는 것이 필요하다. 서·남해의 파도 정보는 국립해양조사원에서 얻을 수 있는데, 우리나라 전 해역에 대한 자료는 아직까지 부족한 실정이다. 따라서 일부 지역에 대해 공개하고 있는 파도의 유의파고( Hs , Significant wave height)와 유의파주기( Ts , Significant wave period)에 대해 자료를 확보하고 이를 바탕으로 대표적인 파고 및 파주기를 선정하였다. 여기서 유의 파고 및 파주기는 전측정치를 크기순으로 정렬하였을 때 큰 쪽에서 1/3 범위에 속하는 파고 및 파주기의 평균이다. 2011년 서·남해 지역의 자료( KHOA, 2011 )를 바탕으로 Table 2 와 같이 유의파고 및 유의파주기에 따른 빈도수를 조사하였다. 대상 지역은 서해의 경우 대청도, 인천(송도), 굴업도, 영흥도, 태안, 서천(마량) 등이며, 남해의 경우 교본초, 복사초이다.
Total wave occurrence percentages(%) data ofHs, Tsfor west and south coast
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Total wave occurrence percentages(%) data of Hs , Ts for west and south coast
한편, 파 동력(Wave power)은 다음의 식으로 추정할 수 있다 ( Josset and Clément, 2007 ).
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여기서 𝜌는 물의 밀도, g 는 중력가속도, Ts 는 peak energy wave period이며, Ts 는 영점상향통과주기(Mean zero up-crossing wave period)이다. 식 (1)로부터 파고와 파주기에 대한 파동력을 구한 후 Table 2 의 빈도수(%)를 곱하여 서남해의 연간 평균 단위길이당 파동력을 얻을 수 있다. Fig. 3 은 파고(a) 및 파주기(b)에 따른 파동력을 나타낸 것이다. Fig. 3 으로부터 파동력이 많이 분포되어 있는 파고는 0.3~1.2m, 파주기는 3~7초 정도임을 알수 있다. 앞서 우리나라 해역의 파도(파고 0.5~2.0m, 파주기 4~6초)와 비교하면 파주기는 거의 유사하나 파고는 낮게 나타나고 있는데, 이는 동해 및 제주 해역에 대한 고려가 없는 것과 비교적 해안 가까이에 있는 조위 관측소의 자료를 활용했기 때문으로 보인다.
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Annualized wave power distribution according to wave height and period
파고와 파주기의 범위는 향후 모형시험에도 적용할 수 있도록 하기 위해서는 상사(Similarity)를 해야 하며, 파의 상사는 기하학적 상사뿐 아니라 Froude 수에 의한 역학적 상사도 고려해야한다. 기하학적 상사는 파고에 대해 축척비 λ로 가능하며, 파주기( T )는 Froude 수 상사에 의해
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가 된다. 앞서 유수실 형상 정의와 주요제원 도출로부터 축척비는 1/20이며, 이를 이용하여 파고와 파주기의 범위를 상사하면 파고는 0.015~0.06m, 파주기는 0.671~1.565초이다. 이를 정리하면 Table 3 과 같다. 여기서 파장(wave length)은 분산관계식(Dispersion relation)에 의해 도출한 것이다. 본 논문에서는 수치해석을 이용한 파력발전 적용 가능성 타진을 위해 대표적인 파고와 파주기에 대해 수치해석을 수행하였으며, 모형 스케일의 파고와 파주기 범위에서 파고는 0.04, 0.06m, 파주기는 0.75초를 기준으로 하였다.
Wave characteristics
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Wave characteristics
- 3.2 형상 및 설치 조건
회전수류형 파력발전 시스템의 국내 연안 적용 가능성을 알아보기 위해서는 우선 파와 유수실 형상 간의 특성뿐 아니라 설치 장소에 따른 고려도 필요하다. 이를 위해 대표적인 형상 변수인 유수실 입구 높이 변화와 더불어 유수실 주변 형상 변화에 대해도 수치해석을 수행하였다.
유수실의 입구 폭은 유수실 내 회전유동과의 연관성이 매우 크다. 특히 입구를 통해 들고 나는 유량에 따라 유수실 내부에서의 회전 유동의 세기도 달라질 것이기 때문에 Fig. 4 와 같이 입구 크기에 따른 특성을 확인하고자 앞서 정의한 주요제원을 기준으로 입구 높이를 0.08m에서 25%감소된 0.06m와 37.5% 감소된 0.05m로 선정하였다.
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Variation of entrance height
한편 유수실이 설치될 수 있는 방파제나 안벽 등 유수실 설치 환경에 대한 영향을 알아보기 위해서 Fig. 5 와 같이 유수실 뒤편에 벽이 있는 경우(b)와 유수실 하부 해수통로를 막은 경우(c)에 대해 수치해석을 수행하였다. Table 4 에는 각 해석 조건을 정리하여 나타내었다.
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Installation conditions of wave-induced water chamber
Calculation conditions
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Calculation conditions
4. 수치해석 방법
본 연구에서의 좌표계는 조파기 초기 위치와 조파수조 바닥이 만나는 점을 원점으로 하는 직교좌표계이며, 파가 전파되어 가는 방향을 양의 x 방향, 연직 상방을 양의 y 방향으로 하였다( Fig. 6 ). 수치해석을 위한 계산 영역은 길이 4m, 높이 0.345m이며, 파 생성 위치에서 x 방향으로 2.25m위치에 유수실이 있다. 격자계는 2차원 정렬격자계를 사용하였으며, 유수실 내부와 외부 2개의 블록으로 이루어진 다중블록격자계를 사용하였다. 경계조건은 조파를 위해 좌측 경계에서 움직이는 벽(Moving wall)경계조건을 사용하였고, 수치조파수조의 상면은 대칭(Symmetry)조건을 사용하였으며, 하류 경계 및 바닥은 벽 경계조건을 사용하였다. 하류 경계 근처에서는 길이방향 격자 간격을 상대적으로 상당히 크게 하여 유수실 하부 해수통로로 전파된 파가 수치적으로 감쇄되어 하류 경계에 의한 반사파에 의한 영향이 적도록 하였다. 격자생성은 상용 S/W인 Gridgen을 사용하였으며, 격자수는 96,000개, 조파기 근처 격자간격은 0.01m이다. 자유수면해석을 위해서 자유수면 부근에 격자를 집중하여 분포시켰으며, 파장에 대해 약 100개, 파고에 대해 약 20개의 격자를 사용하여 계산될 수 있도록 하였다.
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2-D structured grid system and boundary conditions for wave-induced water chamber
수치해석은 유한체적법 기반의 상용코드인 Fluent(V6.3)을 사용 하였다. 2차원 비압축성 유동에 대해 연속방정식과 운동량 방정식인 RANS 방정식을 지배방정식으로 하며, 유한체적법 기반의 이산화 과정을 거쳐 대수방정식을 푼다. 지배방정식의 확산항은 2차 중심차분, 대류항은 QUICK(Quardratic upwind interpolation for convective kinematics)방법을 사용하여 이산화 하였다. 난류모형은 와도를 고려하여 선박의 선미 와유동 해석에 많이 활용되고 있는 Realizable k – 𝜖 모형을 사용하였고, 표준벽함수(Standard wall function)을 사용하였다. 속도-압력 연성은 SIMPLEC알고리듬을 사용하였고, 자유수면 해상을 위해 VOF (Volume of fluid) 모델을사용하였다. 시간항은 1차 Implicit 방법을 사용하였고, 시간간격은 Δ t =0.001s이다.
한편 수치해석을 통한 수치조파수조 시뮬레이션은 계산 영역의 외부경계를 움직이는 벽으로 구현하고, Re-meshing 기법을 사용한다. 이때 움직이는 벽의 구현은 UDF(User define function)을 이용하며, 움직이는 벽의 속도조건은 조화함수형태로 주어지고, Re-meshing layering 기법을 사용하였다( Fluent, 2006 ). 파도를 생성하기 위한 조파 방법은 다양하지만 가장 일반적으로 피스톤 방식과 플랩 방식을 들 수 있으며, 조파기가 밀어내는 물의 양과 조파기의 주기에 의해 원하는 파고와 파주기의 파도를 생성할 수 있다( Dean and Dalrymple, 1991 ). 본 논문에서는 Fig. 7 과 같이 수치적으로 쉽게 조파기를 구현할 수 있는 피스톤형을 사용하였으며, 계산 초기에 조파기의 변위가 크게 되면 수렴성이 떨어지는 문제가 있으므로 조파기의 속도 및 변위가 서서히 변화하도록 하기 위해 피스톤형 조파기의 변위를 다음 식 (5)와 같이 변화하도록 하였다. 또한 조파기의 속도조건을 식 (6)과 같이 구현하였다( Gomes et al., 2009 ). 여기서 S 는 조파기의 스트로크(Stroke), t 는 시간, T 는 주기, w 는 각진동수이다.
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Piston type wave maker for wave channel
5. 수치해석 결과
유수실 형상 변화에 대한 검토를 위해 유수실 입구의 높이를 변화시켜 가면서 해석을 수행하였다(case 1~3). 입구 높이는 기본값인 He =0.08m를 기준으로 25%(0.06m), 37.5%(0.05m) 감소시켜 해석한 결과의 자유수면 형상과 및 속도벡터 및 유수실 중앙을 기준으로 한 회전 속도의 크기에 유수실 중심으로부터 떨어진 거리만큼 가중치를 준 uθr 을 등고선으로 Fig. 8 ~ 10 에 나타내었다. 회전방향 속도는 Fig. 7 우측 그림에 나타낸 바와 같으며, 등고선으로 나타내었다. 파도가 유수실에 유입하여 수면이 가장 높이 위치(파정)한 경우(a)에서 수면이 가장 낮은 위치(파저)까지 낮아지다가(d, e) 다시 높아지는 상황(h)에 대해 나타내었는데, 파저로 가면서 유수실로 물이 유입되고, 파정으로 가면서 유수실 외부로 물이 빠져나가는 것을 볼 수 있다.
입구 높이가 작아질수록 유수실로 유입되는 속도가 점점 커짐을 알 수 있으며, 큰 속도를 가지는 유동이 더 큰 회전 강도를 보이고 있다. 또한 입구가 넓은 경우에는 비교적 차단벽 뒷면 근처와 후면판 상부 근처에 회전 유동의 중심이 생기지만( Fig. 8 , c ~ f ), 입구가 좁아질수록 후면판 근처의 회전 유동은 유수실 중앙 근처에서 발생하며, 차단벽 뒷면 근처의 회전 유동은 유사함을 볼 수 있다( Fig. 9 , 10 b ~ f ). 입구 높이 0.06, 0.05m는 유수실 내 회전 유동은 거의 유사하지만 유입 유속이나 회전 강도는 높이가 더 작은 0.05m가 크게 나타나고 있다.
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.08m, period 0.75s, open condition
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.06m, period 0.75s, open condition
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.05m, period 0.75s, open condition
Fig. 11 에는 유수실 입구 높이에 따른 유수실 내로 유출입되는 유량(Mass flow rate)를 나타낸 것이다. 입구 높이에 관계없이 거의 유사한 유량을 보이고 있으나 입구 높이가 다르기 때문에 입구로 유입되는 유속은 입구 높이가 낮을수록 더 크다. 이는 앞서의 속도벡터로도 확인가능하며, 입구 유출입 유속의 증가가 내부 회전수류에 좋은 영향을 줌을 알 수 있다.
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Comparison of mass flow rate according to entrance height : period 0.75s, open conditions
다음으로 파고가 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 입구 높이 0.05m, 파고 0.04m(case 4)에 대해 수치해석을 수행하고, 그 결과를 Fig. 12 에 나타내었다. Fig. 10 과 비교하여보면, 파고가 작아지면 유수실 내 회전유동이 유수실 뒤쪽에서 비교적 작은 범위에서 형성되고 있으며, 입구 근처의 유수실 내외에서 회전유동의 세기도 파고가 작아짐에 따라 동일하게 작아짐을 볼 수있다. 입구를 통과하는 유량을 비교한 Fig. 13 을 보면 파고가 2/3으로 작아지면서 유량이 약 40% 감소함을 볼 수 있으며, 파에너지는 파고의 제곱에 비례하므로 파고가 클수록 유수실로 유입되는 에너지의 양이 증가하고, 이에 따라 유수실 내 회전유동에 높은 파고가 효과적인 것으로 사료된다.
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.05m, wave height 0.04m, open condition
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Comparison of mass flow rate according to wave height : entrance height 0.05m, open condition
다음으로 유수실 설치 조건 변화에 의한 유동 변화를 살펴보았다. 유수실 주변에 아무것도 없이 파도가 들어오는 경우(case 3)와 유수 실 바로 뒤 0.14m 떨어진 곳에 벽이 있는 경우(case 5), 그리고 유수실 아래 통수로가 벽으로 막혀 있는 경우(case 6)에 대해 수치해석을 수행하였다. Fig. 14 , 15 에 자유수면 형상과 속도벡터를 도시하였다. case 5와 case 6 모두 case 3에 비해 유수실 내로 유입되는 유속이 상당히 강해짐을 볼 수 있다. 이는 유수실 하부 통수로로 유동이 거의 없거나 전혀 없는 것에 기인한 것으로 분석된다. case5는 유수실 중앙 근처에서 회전유동이 일어나고 있는( Fig. 14, b,e ) 반면 case 6의 경우 차단벽 뒤쪽으로 매우 강한 회전 유동이 나타남을 볼 수 있다( Fig. 15, d, e ).
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.05m, period 0.75s, wall behind water chamber
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Velocity vector and free surface shape : entrance height 0.05m, period 0.75s, wall under water chamber
Fig. 16 에는 유수실 주변에 벽이 없는 경우(case 3)과 비교하여 입구 유출입 유량을 도시하였다. 유수실 뒤에 벽이 있는 경우는 주변에 벽이 없을 때와 매우 유사하게 나타나고 있으며, 유수실 아래에 벽이 있는 경우에는 다른 경우에 비해 약 10%정도 더 큰 유출입 유량을 보이고 있다.
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Comparison of mass flow rate according to installation conditions : period 0.75s, entrance height 0.05ms
한편, 유입되는 파는 주기적으로 파정과 파저가 SWC(Swirl water chamber)로 유입되며, 입구에서 들어오고 나가는 유동 또한 파주기에 따라 주기적으로 나타나지만 SWC 내부에서는 한 방향 회전유동이 계속된다. 이러한 유수실의 내외부 파 및 유동 특성을 고려하여 에너지 보존을 적용하면 다음 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.
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여기서 EI (= 1/8 pgH 2 λ b )는 유입되는 파 에너지, ER 은 유수실에 의한 반사파 에너지, ET 는 유수실 아래 통수로에 기인한 유수실 뒤쪽 전달파 에너지, Eenterance (=1/2 m V 2 )는 유수실 입구에서의 유동 운동 에너지, Eunder_flow 는 유수실 아래 통수로에서의 유동 운동 에너지, Eswirl (=1/2 Iw 2 = 1/2 m ( rw ) 2 )은 유수실 내부에서 회전수류의 회전운동 에너지, Eloss Eloss_chamber 는 각각 유수실 외부 및 내부에서 마찰 등에 의한 손실이다. 이러한 유수실의 입구와 내부에서의 유동 에너지 생성 정도를 비교하기 위해 유입파 에너지에 대한 유수실 입구유동 에너지 및 유수실 내부 회전수류 유동 에너지의 비를 다음 식 (8), (9)와 같이 정의하였다.
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Table 5 에는 유입파 에너지에 대한 유수실 입구 유동 운동 에너지 및 내부 회전수류의 회전 운동 에너지의 비를 나타내었다. 유수실 입구 높이가 작아질수록 입구 유입 에너지는 최대46.52%까지 증가하며, 유수실 뒤쪽과 아래쪽인 막힌 case 5, 6의 경우에도 비교적 높은 에너지 흡수율을 보이고 있다. 따라서 본 SWC의 입구에서의 유동 운동 에너지를 활용한 발전이 가능할 것이며, 이러한 유동 운동 에너지는 직접적인 발전이나 회전유동으로의 변환을 통한 발전 등 다양한 방식으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 한편 유수실 중앙( Fig. 7 )을 기준으로 한 내부 회전운동에너지의 경우 최대 11.72%로 나타나고 있는데, 이는 유수실 입구 유입 에너지의 1/4수준으로서 유수실 내부로 유입 되는 에너지를 충분히 활용하기 위한 형상 최적화 및 터빈 설치위치에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Energy conversion efficiency
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Energy conversion efficiency
6. 결 론
논문에서는 방파제로서 활용 가능하며, 파에 의해 야기되는 유수실내 회전유동을 이용한 신개념 파력발전 시스템인 회전수류형 파력발전 시스템에 대해서 소개하고, 국내 연안 적용 가능성에 대해 수치해석을 이용하여 조사하였다. 회전수류 파력 발전 시스템의 유수실 형상에 대해 정의하고, 주요제원을 도출 하였다. 국내 연안에의 적용 가능성 확인을 위해 국립해양조사원에서 제공하는 서남해 파 정보를 바탕으로 대표적인 파 특성을 도출하고, 향후 모형시험을 고려하여 유수실의 축척비를 1/20으로 상사하여 수치해석에 사용될 파 특성을 결정하였다. 유수실 형상에 따른 영향을 살펴보기 위해 유수실 입구 높이 변화에 대해 조사하였으며, 유수실의 설치조건에 따라 유수실 뒤에 벽이 있는 경우와 유수실 하부에 통수로를 막은 경우에 대해서 수치해석을 수행하였다. 입구 높이에 상관없이 유출입 유량은 유사하나 입구 높이가 작아질수록 유입 유속은 증가하며, 이에 따라 유수실의 파에너지 흡수율도 높게 나타나고 있으며, 회전수류도 더 잘 발생함을 확인하였다. 유수실 뒤쪽 또는 아래쪽에 벽을 설치한 경우 유수실 입구에서의 유동 운동 에너지는 비교적 크게 나타나고 있으며, 설치 조건에 따라서 유수실 내부 회전수류에 상당한 영향을 미침을 알 수 있다. 따라서 본 회전 수류 유수실은 방파제로서의 역할 뿐 아니라 유수실에 의해 비교적 크게 생성되는 입구 유동 운동 에너지를 이용하여 직접 발전하거나 최적의 유수실 형상설계를 통한 회전수류로의 변환을 통한 발전이 실현 가능할 것으로 사료된다. 향후 모형 시험을 통한 유수실 내부 회전유동에 대한 정량적 검증과 더불어 국내 연안에 적용 가능한 유수실 및 터빈의 형상설계가 요구된다.
Acknowledgements
이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2011-0016077).
References
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