수류형 파력발전시스템의 수리학적 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 수류형 파력발전시스템 내부에서 일어나는 기초적인 수리학적 파라메터들에 대한 연구가 필요하다고 판단되어 파랑장하의 수류터널 내부에서 발생하는 수리학적 현상에 관한 외력인자의 영향에 대한 분석을 실시하고자 하였다. 수리모형실험을 통하여 수류형 파력발전 장치의 내부에서 발생하는 대표적인 수리학적 현상인 유속 및 수위변화에 대해 이들에 영향을 주는 외력인자들을 파고, 주기, 수류터널의 길이, 내부형상으로 판단하여 각각의 영향도를 분석하는 연구를 수행하였다. 2차원 단면 수리모형실험을 실시하여 유속 및 수위변화에 대한 기본적인 파라메터들의 변화패턴을 분석하였으며, 수치해석을 통한 외력인자들의 영향을 알아보았다. 수치모델은 기존의 연구결과와 비교하여 검증을 실시하여 결과의 타당성을 확보하였다. 수치해석을 통해 수류형 발전장치의 형상적인 조건과 파랑조건에 따른 유속과 수위변화에 분석하였으며, 수리모형실험과 수치해석을 통한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 규칙파를 적용한 2차원 단면수리모형실험을 통하여 나타난 모형 발전장치의 수류터널 내부에서의 유속과 수위변화의 증감패턴은 수치해석을 통해 나타난 것과 유사한 패턴을 보인다. 2. 파력발전장치의 유입구의 연직높이(h2)를 변화시킨 것에 따른 U_(max)/√(gh_(d))값은 파랑조건에 따라 큰 차이를 보이지 않으며, 전체 h_(d)/L_(i)값에서 유사한 값이 나타났다. 이같은 패턴은 적용된 유입구의 위치가 수립자의 속도변화가 일정한 영역에 위치한 것으로 인해 나타난 것으로 사료된다. 따라서 차후에 유입구의 위치 설정에서 위의 사항을 참고한 설계가 이루어져야할 것으로 판단된다. 3. 수리학적 파라메터인 유속과 수위변화에 영향을 주는 외력인자인 파고, 주기, 수류터널 길이 및 내부의 형상에 대하여 검토한 결과, 동일한 파랑조건하에서 수류터널의 길이 B1을 조정한 결과는 B1값이 감소할수록 상대적으로 유속 및 수위변화가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 직각형태의 내부형상을 가진 조건보다 smoothing을 한 내부의 형상은 결과적으로 에너지 손실을 줄여 유속을 증가를 나타냈었다. 수류터널 내부의 수위변화에서 터널의 길이를 변화시킨 효과는 유속과 같은 증감패턴을 보이지만, 내부의 형상을 변화시킨 효과는 비교적 크지 않음을 알 수 있었다. 동일한 수류터널길이에서 다양한 파랑조건을 적용하였을 때 파고의 증가가 유속 파라메터에 상대적으로 주기와 내부의 형상을 변화시킨 것보다 높은 유속의 증가를 나타내었다. 동일한 조건에서의 수위변화를 분석한 결과에서는 파고와 내부형상에 의한 것보다 주기의 변화에 수위가 민감하게 변화하였다. 따라서 주기는 다른 요인들에 비하여 내부의 수위를 변화시키는 지배적인 요인인 것으로 판단된다. 수류형 파력발전시스템은 기존 형식의 파력발전방식과는 다른 수류형 터널을 회수기술에 적용한 유형이다. 차후 수류형 파력발전시스템의 실용화에 앞서 조사기술, 변환기술 및 운영·유지기술등의 다양한 분야의 기술이 접목되어야 할 것으로 판단된다. 또한 파력발전장치의 출력향상 방안 등의 보완기술이 필요할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구는 내부의 유속을 직접적으로 이용한 방식과 배후면의 수면변동을 적용한 방식 등의 다양한 형식의 적용에 앞서 내부에서 발생하는 수리학적 파라메터에 관한 기초적인 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 앞으로 실용적인 파력발전시스템개발에 있어 많은 보완연구가 필요할 것이라 예상된다.

This study was investigated hydraulic characteristics of system in two dimensional hydraulic experiments and numerical modeling as Flow-3D, we designed wave power generation system with wave duct type which can use wave power in ocean energy sources. The main results from study are summarized as following. 1) The results of numerical analysis were indicated similar pattern that the variation pattern of velocity and surface elevation under hydraulic experiments. 2) Under changing vertical heights of inlet conditions, the variation of internal velocity did not show on various wave conditions. It caused inlet position was located in the region, velocity of water particles are steady conditions. 3) To investigate the main factors that will affect the variation velocity and changing elevation include the length of wave duct, wave heights, wave length and shape of wave duct. The variation internal velocity and water level increased significantly under constant wave heights, as length of wave duct decreasing. Smooth shape of internal wave duct has shown more increased on internal velocity, compared to existing shape that was a right angled form. The velocity increase of the smooth type due to reduce energy loss. However, it was indicated relative low efficiency for the variation of internal water level. When we used various wave conditions under constant length of duct, the increase of wave heights indicated higher internal velocity value than effect on deformed the shape of wave duct. According to results that study to variation of internal water level under the same conditions, effect of increasing wave period came out to be higher than the other factors.