최근 화석에너지연료의 빠른 소모와 환경오염에 대한 규제 강화로 인하여 신·재생에너지 개발에 대한 필요성이 점차 증가하고 있다. 이에 따른 다양한 신·재생에너지 중 해양에너지는 계절의 변화에 크게 의존하지 않고, 청정도 및 경제성이 우수하여 국내·외에서 지속적으로 관심이 증가하고 있다. 해양 자원을 이용하여 해수의 흐름을 통해 자연적으로 발전이 가능한 조류발전은 흐름이 갖는 해수 운동에너지를 전기적 에너지로 변환하며 발전하는 방식으로 기대되는 미래의 에너지 자원이다(Lee et al., 2019). 이러한 신·재생에너지의 다양한 응용과 함께 조류발전 장치와 터빈 블레이드에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 주요 연구로서 터빈 블레이드의 발전성능 연구와 관련하여 Jo et al.(2012)은 블레이드 요소 이론을 바탕으로 수평축 조류발전 터빈의 전산해석과 함께 가변 부하에 대한 터빈 성능실험을 수행하여 비교하였다. 그 결과로 터빈의 성능곡선이 도출되었으며, 조류발전장치의 설계 과정을 제시하였다. Tian et al.(2018)은 저유속에서 사용가능한 수평축 조류발전기에 대하여 수조실험과 수치해석을 수행하였고 전기적 부하에 대한 수평축 터빈의 최대 전력과 효율을 분석하여 실제 해역에서 사용 가능성을 예측하였다. Lee et al.(2016)은 수치해석을 이용하여 인접한 조류발전 수직축 터빈의 회전방향 및 거리를 주요 변수로 하여 성능변화를 분석하였다. 수직축은 터빈이 인접할 때 성능이 향상되는 면이 있으며 이를 고려한 배치가 반드시 필요하다고 제안하였다. 또한 Lee et al.(2015)은 조류발전용 이중반전 터빈에 대해 수치해석과 실험적 방법을 사용하여 이중 로터 사이의 거리가 터빈의 성능과 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 이중 터빈이 단일 터빈보다 더 많은 전력을 생산한 것으로 나타났으며, 블레이드 간격 거리가 터빈의 출력 및 효율에 영향을 미치는 것으로 보여주었다. 이와 함께 시스템의 발전 성능을 증가하기 위하여 터빈으로 유입되는 해수의 유속을 증가시킬 수 있는 형상 설계가 요구된다. 이와 관련하여 Jo et al.(2009)은 덕트형 구조체를 수반할 경우 유속증폭을 예측하였으며 덕트 내에 발전터빈이 위치했을 때 성능계수가 증가할 것으로 제안하였다. Fleming et al.(2016)은 양방향 조류발전 덕트의 단면 형상에 대해 CFD 해석을 수행하여 덕트 곡률 및 두께가 터빈 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 두꺼운 덕트의 경우 내부 흐름을 증가할 수는 있지만 더 큰 점성 손실 때문에 발생 전력에는 손해를 보는 결과를 나타내었다. Kim et al.(2012)은 조류발전용 쉬라우드의 기하학적 형상각도 변화에 따른 CFD 해석으로 내부의 해수 유동장을 분석하여 유속 증폭 특성을 비교하였다. 그 결과로 실린더-디퓨저 형태에서 노즐-디퓨저보다 내부 유속이 조류속도에 비해 크게 증가함을 제안하였다. Lee et al.(2018)은 수치해석을 이용해 쉬라우드의 구조 내 유속분포에 대해 상부 높이가 상승할수록 쉬라우드 중심부의 해수 속도가 현저하게 증가하는 경향을 예측하였다.

조류발전 시스템은 고정 방식에 따라 파일 고정식, 착저식, 계류식, 자중고정식 등으로 구분되며 설치 대상의 환경 특성에 따라 결정된다. 이들 중에서 자중고정식은 다른 고정 방식과 다르게 별도의 지지구조물이 불필요하고 발전시스템 자체의 자중으로 고정하므로 비용이 감소하고, 설치가 간단하다는 장점이 있다. 앞선 연구들은 대부분 계류식 및 착저식에 대한 연구 결과를 나타내며, 자중고정식 덕트형 조류발전시스템의 성능 분석에 대한 연구가 부족한 실정이다. 실제 해역에서 조류발전장치를 사용하기 위해서는 설치 대상의 평균 유속과 여러 가지 환경을 고려해야한다. 특히 터빈 블레이드와 연결되는 발전기의 전기적 출력을 측정하여 실질적인 발전 성능 분석에 대한 체계적인 분석이 필요하다. 본 연구에서는 해수의 유속에 따른 유동장 내 쉬라우드 조류발전시스템의 성능분석을 위하여 회류수조를 이용한 축소모형실험을 수행하였다. 이를 위해 수조 내 발전장치에 연결되는 전기 부하량에 따라 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 측정하였으며, 전기적 부하의 변화에 따른 축 회전 및 발전 특성을 분석하였다. 이러한 해수 유속에 따른 발전 성능 분석에 대한 결과는 효율적인 자중고정식 쉬라우드 조류 발전 시스템 개발에 필요한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 쉬라우드 내부형상을 수반한 조류발전장치의 축소모형실험을 통해 시험 유속과 전기 부하의 변화에 따른 터빈 블레이드의 분당 회전수와 발전기의 출력을 측정하여 발전 성능을 분석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

1. 시험부 입구에서 쉬라우드 전방으로 근접할수록 유속이 감소하였으며, 일정한 유속에서 전기 부하량이 감소함과 동시에 터빈의 분당 회전수가 함께 증가하였다.

2. 발전기에서 측정된 최대 전력 지점은 유속 별로 저항을 이용한 전기 부하가 약 50~150 Ω 구간에서 나타났으며, 높은 유속일수록 상대적으로 큰 부하에서 최대전력이 생산된다. 실험 유속이 높아짐에 따라 전압은 평균 약 1.20배, 전류는 약 1.74배 증가하여 전압보다 전류의 상승률이 높게 나타났으며 따라서 전력이 크게 증가하였다.

3. 유속의 증가와 함께 터빈 블레이드의 주속비가 증가하였고 이에 따라 발전 효율은 약 4.2%에서 15.9%까지 증가하였다.

본 연구의 결과는 자중고정식 쉬라우드 조류발전장치의 개발에 필요한 기초적인 설계데이터로 활용이 가능할 것으로 기대되며 추후 전산해석을 통한 기계적- 전기적 효율 분석이 필요할 것으로 판단된다.