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Oh, Jeong, and Ko: Experimental Study for Wave Energy Convertor using Floating Light Buoy

Abstract

In this paper, wave energy convertors which convert incident wave energy into electric power using floating light buoy are investigated. One-tenth models of a floating light buoy, straight line and seesaw type electric power plant are manufactured and tested in wave flume. In these systems, we measure the horizontal and vertical slope, generated current and power of buoy with different wave heights and periods. This was confirmed the capability of getting electric power, then we suggest further works to get more efficiency.

Abstract

본 연구에서는 등부표를 이용하여 외해에서 입사되는 파랑에너지를 전기에너지로 변환시키는 파력발전 방식에 대하여 연구하였다. 등부표와 직선형과 시소형 자가 발전체를 1/10 축소 모형으로 제작하고, 파랑수조에서 실험을 실시하였다. 이러한 시스템에서 서로 다른 파고와 주기를 갖는 파랑을 대상으로 등부표의 수평 및 수직 경사, 발생 전류와 에너지를 측정하였다. 이를 통하여 전기 에너지 획득 가능성을 확인하였고, 차후 연구 과제를 제안하였다.

1. 서 론

미래의 불투명한 에너지 정세에 대처하기 위해서는 기존 에너지자원의 효율적인 이용은 물론, 새로운 에너지 개발 또는 자연에너지를 활용하는 등 에너지원의 다양화 및 절대량을 확보할 필요가 있다. 특히 전세계적으로 기후변화협약에 따라 지구온난화를 유발하는 온실가스에 대한 배출 규제가 점차 강화됨에 따라 공해문제가 없는 청정에너지원 확보의 필요성이 커지고 있어, 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 무공해 에너지원으로 태양열, 지열, 풍력, 해양 같은 천연 에너지 분야가 연구·검토되고 있다(KORDI, 2001).
해양에너지 자원은 고갈될 염려가 전혀 없고, 일단 개발이 되면 태양계가 존속하는 한 이용이 가능하고 오염문제가 없는 무공해 청정에너지라는 장점을 가지고 있다. 그러나 해양에너지는 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에 현재 개발되어 있는 기존의 타 에너지원에 비해 상대적으로 큰 규모의 에너지 추출장치가 필요하고, 전력을 추출할 경우 출력 변동과 육상으로의 송전문제가 발생한다. 따라서, 해양에너지를 실용화함에 있어서 개발비용의 저렴화와 안정성과 신뢰성의 확보가 우리가 앞으로 계속 풀어나가야 할 숙제이다.
전 지구표면의 70% 이상을 차지하는 해양으로 흡수된 태양에너지는 다양한 형태로 변환되어 해양에 존재하며 이와 같은 해양에너지의 종류에는 파랑(波浪)에너지를 이용한 파력발전, 조석(潮汐)간만의 차를 이용한 조력발전, 조류나 해류가 가지고 있는 운동에너지를 활용하는 해류발전 기술 등이 대표적으로 실용화 가능한 대상이며, 심해수와 표층수간의 온도차를 이용한 온도차 에너지를 이용한 온도차발전(OTEC) 등도 가능성 있는 대상이다(Ministry of Science and Technology, 2001).
태양, 지구, 달의 규칙적인 운동으로 발생하는 조석현상을 이용하는 조력발전은 장기 발전량 예측이 가능하나, 거대한 방조제와 케이슨 건설에 따른 환경문제가 발생하는 반면, 바람에 의하여 불규칙적으로 발생하는 파랑을 이용하는 파력발전은 발전량 예측이 어려운 반면 상대적으로 환경에 미치는 악영향이 작다.
파력발전은 물입자의 상하운동과 수평운동 또는 파랑에 의한 수중압력변화를 이용하여 발전하며, 설치방식에 따라 부체식과 고정식으로 구분된다. 입력에너지의 크기나 운동효율, 시설주변 환경 측면에서는 부체식이 유리하고 고정식은 설계시공이 유리함과 아울러 방파제 같은 연안구조물로 겸용할 수 있으며 추출된 에너지의 수송이 용이하다. 파랑에 의한 장치운동 기준으로는 가동물체형, 진동수주형, 수압면형으로 분류된다.
파력발전에 관한 국외 연구는 영국 Aquamarine Power사에서 ‘Oyster’를 설치하였다. 이 장치는 파랑운동에 의하여 거동하는 힌지를 이용하여 발전하는 방식으로, 수심 10~16 m, 에너지 밀도가 15 kW/m 이상인 연안역에 설치하고 발전장치는 육상에 설치하였다(Fig. 1, 2 참조).
Fig. 1.

Oyster 1 concept design.

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Fig. 2.

Oyster 2 concept design.

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호주의 Carnegie Wave Energy사는 표면 파랑 거동하의 수입자의 운동을 이용하여 유체가 채워진 파이프의 압력을 증가시켜 pelton 수차를 이용하여 발전하는 방식인 Cylindrical Energy Transfer Oscillating(CETO) 개념을 도입하였다(Fig. 3, 4 참조).
Fig. 3.

CETO concept.

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Fig. 4.

Trials of CETO 1 and 2 in 2007 and 2008.

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이 외에도 영국 Green Ocean사의 ‘Wave Treader’, 미국 Ocean Power Technologies사의 ‘PowerBuoy’, 영국 Pelamis Wave Power사의 ‘Pelamis Wave Energy Convertor’등이 있다(Douglas-Westwood, 2011).
파력발전에 관한 국내 연구는 비교적 수심이 얕은 연안에서 규모가 작고 효율이 높은 다수의 발전장치를 조합하는 해양파력발전단지를 구축하는 연구가 활발하게 진행되고 있다(Hong et al., 2004; Shin et al., 2005; Kyoung et al., 2006; Ryu et al., 2007; Hong et al., 2007; Nam et al., 2011; Park et al., 2011).
본 연구에서는 차후 등부표 및 항로 인식용으로 활용할 목적으로 파랑에너지를 이용한 모형 등부표의 발전시스템에 대한 수리모형 실험 연구를 수행하였다. 세부 연구 내용으로는 파랑에 의한 해상 부유체의 거동, 부유체의 운동을 전력으로 변환하는 솔레노이드 형태의 자가발전 구조체 거동 및 발전량 측정 등이다.

2. 실험장치

2.1 조파수로

실험에 사용된 수조는 Fig. 5에 보인 바와 같이 길이 53.15 m, 높이 1.25 m, 폭 1.0 m의 크기로서, 수조의 상류쪽 13 m와 하류쪽 7 m 구간은 양측벽이 철제로 되어 있으며, 나머지 중앙 부분 33.15 m의 양측벽은 강화유리로 되어 있어 거의 모든 실험구간의 관찰이 가능하다. 조파기는 유압펌프에 의해 작동되는 피스톤형으로 최대 이격거리가 50 cm이며 조파기의 후면과 수조의 하류쪽 끝에는 경사식 소파장치가 설치되어 있다.
Fig. 5.

Two dimensional wave-current generating flume.

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본 수조는 파랑과 흐름을 동시에 발생시킬 수 있는 복합수조로서, Fig. 5에 보인 바와 같이 수조 저면에 설치된 흐름상자 (Current Box)의 입구를 열고 펌프를 작동시킴으로써 필요시에는 흐름을 발생시킬 수 있다. 이 흐름상자들은 수조의 하부에서 파이프를 통하여 서로 연결되어 있다. 본 실험에서는 펌프는 작동시키지 않은 상태에서 중앙 흐름상자의 입구는 닫고, 상하류쪽 흐름상자의 입구를 약간 열어놓은 상태에서 실험을 실시하였다.
본 수조의 조파 제어시스템 내부에는 수치적인 반사파 흡수필터가 내장되어 있다. 조파판 전면에 부착된 파고계로부터 입력된 수위변동기록을 이용하여 조파판의 거동을 계속적으로 보정하면서 조파함으로써 반사파를 조파판 후면으로 통과시키게 된다. 따라서, 불규칙실험시 이를 이용하면 수조 내에 에너지의 누적현상이 거의 없이 장시간 원하는 파랑을 발생시키며 실험을 수행할 수 있다. 통상 규칙파 실험인 경우는 이를 가동하지 않고 불규칙파 실험인 경우만 가동한다.

2.2 모형 등부표

실험에 사용된 모형 등부표의 주요 제원은 Table 1과 같으며, Fig. 6에 보인 바와 같이 표준형 등부표(LL-24)의 약 1/10 축소형으로 설계하여 제작하였다.
Table 1.

Specifications of floating light buoy model

Length(cm) Width(cm) Weight(kgf) Material
78 55 26 Acrylic
Fig. 6.

Floating light buoy model.

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2.3 자가 발전체 모형

파랑에너지 획득을 위한 발전장치 설계 및 제작을 위하여 발전장치의 시소구조 검토, 하중이동 가속화 및 마찰에 의한 마모를 최소화하기 위한 유체 활용 여부, 압전소자를 이용한 충격완화 및 발전성능 증대, 전자기장 시뮬레이션 Tool을 이용한 코일의 두께/권선수의 최적화를 검토하였다.
자가 발전체 모형은 직선형과 시소형 2종류를 제작하였다.

2.3.1 직선형

실험에 사용된 직선형 자가 발전체는 외경 28 mm, 길이 25 cm의 아크릴 원형관 내에 코일을 동일한 간격으로 각각 3개, 5개씩 배치하여 Fig. 7과 같이 제작하였다. 직선형 자가발전체의 제원은 Table 2와 같다.
Fig. 7.

Straight line type electric power plant.

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Table 2.

Specifications of a straight line type electric power plant

Power plant no. Coil diameter (mm) The rolling number of coils. Coil assembly diameter (mm) Dimension of magnet Coil-magnet interval The number of coils
1 0.08 800 19 15 mm, 20 mm 2 mm 3
2 0.08 800 19 15 mm, 20 mm 2 mm 5

2.3.2 시소형

최대 파랑에너지 획득을 위한 발전장치 설계를 위하여 직선형 자가 발전체를 Fig. 8과 같은 시소형으로 조립하여 실험을 실시하였다.
Fig. 8.

Seesaw type electric power plant.

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3. 실험 조건과 방법

3.1 실험 파랑

수심은 80 cm로 유지하여, 동해상에서 최근 발생한 파고 및 주기 자료를 활용하여 발생빈도수가 높은 파를 대표 실험파로 선정하였다. 구체적으로는 포항부이(포항시 북동쪽 55 km지점)와 이덕서 등표(울산시 동북동쪽 15 km 지점)에서 관측한 기상청 자료를 활용하였다. 등부표와 동일한 1/10 축척을 사용하였으며, 실험파의 제원은 Table 3과 같다.
Table 3.

Conditions of wave data

Cases Wave period(sec) Wave height(cm)
W1 1.35 12.3
W2 1.88 14.7
W3 2.44 16.1
W4 2.71 17.8

3.2 실험 방법

등부표 및 자가 발전체 모형은 Fig. 9와 같이 통합하여 조립한 후, 계측 장비를 셋업하고, 조파 수조에 설치하여 실험준비를 완료하였다. 계류 시스템은 Fig. 9에 도시된 바와 같이 등부표 좌우 측면에 각각 와이어를 연결하여 바닥에 계류시켰다.
Fig. 9.

Installation of floating buoy, measuring equipment.

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각각의 실험 파랑에 대하여 1분간 실험을 실시하였으며, 계측 항목은 모형등부표의 수평 및 연직 기울기, 자가 발전체 전력량이다. 계측 장비는 DAS사 MSENS-IN의 2축 경사계와 NI 데이터로거를 사용하였다.

4. 실험결과

4.1 직선형

전술한 파랑조건 4가지 경우에 대하여 직선형 자가 발전체 모형을 이용하여 실험을 실시하였다. 이 중 파랑조건 W2에 대한 발전체의 수평 및 연직 방향 경사는 Fig. 10에 도시하였으며, 발전량을 도시한 결과는 Fig. 11과 같다.
Fig. 10.

Motion of straight line type buoy(case W2).

JKSCOE_2015_v27n1_50_f010.jpg
Fig. 11.

Generated power of straight line type buoy for 4 different cases.

JKSCOE_2015_v27n1_50_f011.jpg
실험 결과를 정리하면 Table 4와 같다. 그 결과 파랑 주기가 길어짐에 따라 등부표의 주기도 길어지는 반면, 발전체의 수평 및 연직 방향 경사는 작아진다. 4가지 파랑조건 및 2가지 직선형 자가 발전체 종류별로 발전량의 큰 차이는 없으나, 시간이 경과하면서 발전량이 증가하는 경향은 모든 경우에 발견되었다.
Table 4.

Experimental results of straight line type buoy

Cases Wave period
(sec)
Wave height
(cm)
Light buoy
period (sec)
Slope Maximum generated power(mW)
Horizontal( o ) Vertical( o ) Power plant 1 Power plant 2
W1 1.35 12.3 1.08 18.55~-8.54 8.05~-5.36 3.656 3.694
W2 1.88 14.7 1.49 14.30~-11.16 6.35~-4.74 3.654 3.693
W3 2.44 16.1 2.00 6.88~-6.57 3.70~-2.16 3.653 3.692
W4 2.71 17.8 2.18 6.35~-5.62 1.75~-1.57 3.651 3.690

4.2 시소형

전술한 Table 3의 파랑조건 중 W1, W3에 대하여 시소형 자가 발전체 모형을 이용하여 실험을 실시하였다. 실험 결과는 Fig. 12에 도시하였으며, 실험 결과를 정리하면 Table 5와 같다.
Fig. 12.

Measured slopes, generated current and power of seesaw type buoy for 2 different cases.

JKSCOE_2015_v27n1_50_f012.jpg
Table 5.

Experimental results of seesaw type buoy

Cases Wave period
(sec)
Wave height
(cm)
Maximum generated current(mA) Maximum generated ower(mW)
Power plant 1 Power plant 2 Power plant 1 Power plant 2
W1 1.35 12.3 9.62 8.54 3 1.5
W3 2.44 16.1 7.38 4.92 5 4
파랑 W3의 파랑에너지가 W1의 파랑에너지에 비하여 크기 때문에, 파랑조건 W3에 의한 실험결과가 더 크게 측정되는 타당한 결과를 얻을 수 있다.
일반적으로 1) 코일의 두께가 두껍고, 2) 자석의 크기(세기)가 강할수록, 3) 동일한 자석의 경우 자석 개수가 많을수록 전력량이 증가되어야 한다. 직선형의 경우 이 원칙을 따르고 있으나(Table 4 참조), 시소형의 경우 이 원칙을 따르지 않는다(Table 5 참조). 이는 파랑이 가지고 있는 파랑에너지를 변환하는 과정에서 시소형 발전체는 효과적으로 파랑에너지를 전기에너지로 변환하지 못하는 구조형식이라는 것을 알 수 있다.

5. 결론 및 토의

파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로써 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지이다. 본 연구에서는 모형 등부표를 이용하여 파랑에너지를 얻는 발전시스템을 개발하였다.
4종류의 파랑조건, 2종류의 자가 발전체 모형, 2종류 코일 개수 모형을 이용하여 수리모형 실험을 수행하였으며, 그 결과 시소형의 경우 최대 출력 5 mW 발전시스템 모형을 개발하였다(Table 45 참조). 그러나, 직선형과 시소형의 자가 발전체는 코일 개수 변화에 따른 발전량을 비교한 결과 서로 상반되는 결과를 얻고 있다. 차후 직선형 또는 시소형 자가 발전체의 구조 양식을 파랑에너지를 효과적으로 전기에너지로 변환할 수 있도록 정교한 형태를 도입하여야 할 필요성이 있다는 것을 알 수 있다.
최적 파랑에너지 획득을 위한 발전장치 설계 및 제작을 위해서는 하중이동 가속화 및 마찰에 의한 마모를 최소화하기 위한 유체 활용 여부, 압전소자를 이용한 충격완화 및 발전성능 증대 등에 대한 추가 검토가 필요하다. 또한 파랑발전 장치의 다양한 구조변경을 통하여 효율이 높은 발전시스템을 우선 개발하고, 순차적으로 현장 적용성을 위한 실해역 검증 실험을 수행하는 것이 필요하다.
이를 위해서는 현장에 설치되어 운영되고 있는 부이의 운동을 장기간 계측하여, 부이의 모션을 모니터링하고, 이러한 실 계측데이터로부터 부이의 운동에 대한 시뮬레이션을 통해서, 실 해역과 유사한 파랑 입력조건을 재현하여 파랑발전 장치의 다양한 구조변경을 통한 발전효율의 개선이 필요하다.

ACKNOWLEDGEMENTS

본 논문은 “산학협동재단” 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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