2.1 축소모형 형상비

원형 발전장치의 공간 및 비용적인 측면을 고려하여 상사법칙을 따르는 축소모형을 제작하여 실험에 이용한다. 이를 위해 중력에 의한 자유수면을 포함한 개수로의 흐름에 대해 Froude 상사법칙을 사용하여 원형과 모형 사이에 다음과 같은 식(1)이 적용된다.

여기서 m과 p는 각각 모형과 원형을 나타내며, v[m/s]는 유체의 속도, L[m]은 발전장치의 축 방향 길이, 그리고 g[m/s²]는 중력 가속도이다. 따라서 축소모형의 분석 대상을 3/100 정도의 형상비로 제작하여 실험에 사용하였다.

2.2 쉬라우드 조류발전시스템

3D CAD 프로그램인 SolidWorks(2018)를 이용하여 쉬라우드를 포함한 조류발전 구조체와 터빈 블레이드 형상을 모델링하였다. Fig. 1은 실험에 사용된 터빈 블레이드 형상을 나타내었고 (a)와 (b)는 터빈의 정면과 측면이며, Table 1에 터빈 블레이드의 제원을 제시하였다. 쉬라우드 형상체는 유속이 증가할 수 있도록 노즐-실린더-디퓨저의 내부형상을 포함하고 있다. Fig. 2(a)는 쉬라우드 구조체의 정면, (b)는 쉬라우드 내부에 터빈 블레이드가 포함된 등각도이다. Table 2는 쉬라우드의 기하학적 형상 제원을 각각 나타낸 것으로 쉬라우드 중심부의 입구 대비 직경비와 면적비는 약 1.5와 약 2.3이다(Lee et al., 2019). 이와 함께 터빈 블레이드와 발전기를 연결하는 회전축의 지지를 위해 쉬라우드 내부에 삼각대 형태의 구조물을 추가하였다. Fig. 3(a)와 (b)는 실험에 사용된 조류발전장치의 정면과 등각도를 나타낸 것이며 모델링한 쉬라우드와 터빈 블레이드를 통해 ABS Like 레진 재질을 사용하는 SLA 방식의 정밀 3D 프린터(Shining 3D iSLA-650)를 이용하여 제작하였다.

Fig. 1.

3D CAD model for the turbine blade.

Table 1.

Turbine geometry

Fig. 2.

3D CAD model for the shroud system.

Table 2.

Specification of shroud system

Fig. 3.

Shroud tidal current power generation system.

2.3 회류 수조 구성

축소모형실험을 통해 시험부 입구 유속에 따른 쉬라우드 조류발전시스템 내 터빈 블레이드의 분당 회전수와 전기적 출력을 분석하기 위하여 회류수조를 구성하였다. 수조의 총 길이는 9 m이며 시험부 입구에서 유동이 완전 발달된 유동(Fully Developed Flow)이 되도록 하기 위하여 약 4 m까지는 입구 및 안정화 영역, 이후 4~6 m는 시험부, 그리고 6~9 m는 배출구로 각각 구성하였다. 또한 시험부 유동 방향으로 균일한 유속을 만들기 위해서 안정화 영역에 허니콤장치(Honeycomb)를 설치하였다. 허니콤 영역을 지난 후 쉬라우드 구조체 전방 약 0.2 m에 위치한 면에서 쉬라우드 입구 중심을 기준으로 15개 지점에 대해 유속을 측정하였다. 이를 통해 면 평균속도를 기준으로 유속 균일도를 확인하였다(약 ±4.91% 이내). 그 외 폭과 높이는 약 0.4 m이다. 수조는 투명 아크릴판(5 t)으로 구성되어 있으며, 배관은 SUS304와 PVC 재질의 파이프를 이용하여 연결되었다. 회류수조의 흐름을 발생시키는 펌프의 용량은 20마력이며, 유량은 배관에 연결된 글로브밸브(직경 125 mm)를 통하여 조절하였다. 다음 Fig. 4는 수조 내 유동 흐름도를 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Simplified flow diagram.

2.4 측정 장치 구성

2.4.1 유속 측정

시험부 내 유속 분포 분석을 위한 장치 구성으로 프로펠러 타입의 측정센서(Schiltknecht MiniWater 64 Micro)를 통해 유속을 측정하고, 데이터 로거(Graphtec GL240)를 이용해 시간에 따른 데이터를 샘플링, 수록하여 연결된 PC를 통해 모니터링과 분석을 수행하였다. 유속 센서의 정확도는 약 ±5%이며, 데이터 로거의 경우 약 ±0.1%이다. 다음 Fig. 5는 유속측정 장치 구성을 간단히 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Flow velocity measuring device configuration.

2.4.2 터빈의 분당 회전수 및 발전량 측정

Fig. 6(a)는 전기 부하에 따른 터빈 블레이드 회전수와 발전량 측정을 위한 장치를 나타낸 것으로 디스플레이 판넬(C)에는 회전수 측정 장치(A), 발전기(B), 그리고 부하모듈(D) 등으로 연결되어 있으며, PC를 통해 시간에 따른 데이터를 표시할 수 있다. 여기서 분당 회전수는 Fig. 6(b)와 같이 발전기에 연결된 스피드 엔코더의 슬릿이 투과형 센서(포토 인터럽터) 사이를 지날 때 마다 발생된 펄스를 사용해 회전을 감지하여 측정된다. 또한 터빈으로 유입되는 유속과 블레이드의 끝 선속도의 비로 무차원한 주속비를 발전효율 변수로 사용하였다. 발전기로서 소형 모터(MB2430)를 이용했으며 여기서 생산되는 발전 전력은 디지털 멀티미터(UNI-T UT136B)를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 디지털 멀티미터를 부하 모듈에 연결하여 캠코더를 이용해 전압과 전류에 대한 영상을 촬영 후 데이터를 기록하였으며, 전압과 전류의 측정 정확도는 약 ±0.8%, ±1.0%이다.

Fig. 6.

Configuration of power generation measuring device.

2.5 실험방법 및 조건

Fig. 7은 회류수조의 시험부 영역을 나타낸 그림이며 시험부 중심 바닥에 쉬라우드 조류발전장치를 위치시키고, 회전축을 이용해 터빈 블레이드와 발전기를 연결하였다. 수면 위에 위치한 발전기와 수중에 있는 터빈을 연결하기 위해서 유니버셜 조인트를 사용하였으며, 회전축 간의 각도는 약 13^o이다.

Fig. 7.

Test section of circulating water tank.

우리나라에서 조류발전이 적합한 해안지역의 평균 유속이 약 1~2 m/s 정도이며, 상사법칙(형상비 3:100)을 적용하여 실제 해역의 유속 범위에 따른 실험의 유속조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 회류수조 시험부 입구에서 일정한 유속에 대한 실험을 수행하였으며(약 0.31~0.39 m/s), 전기 부하량에 따른 터빈의 분당 회전수, 전압, 그리고 전류 등을 측정하여 각 전력량을 계산하였다. 이와 함께 Fig. 8은 시험부 입구에서 측정된 유속의 시간에 따른 변화(2분)를 나타낸 것이다. 펌프의 특성상 시간에 따라 유량이 일정하지 않고 변하게 되므로 평균 약 ±9.52%의 범위 내에서 시험을 수행하였다. 각 작동 조건에서 유속별 전기 부하(저항) 19개에 대해 2분씩 측정하였고 이들의 평균값을 계산하여 데이터를 분석하였다. 여기서 저항을 달지 않으면 부하가 없는 것을 의미하며, 저항을 낮출수록 회전축을 돌지 못하도록 막는 부하가 증가하게 된다. Table 3에는 수행한 실험 조건에 대한 내용을 제시하였다.

Fig. 8.

Transient inlet flow velocity in front of the test section.

Table 3.

Hydraulic experimental conditions

3.1 쉬라우드 전방 축 방향 유속 분포

쉬라우드 조류발전 구조체가 유동장에 미치는 영향을 분석하기 위하여 발전 구조체 중심축을 기준으로 전방 0.3 m에서 쉬라우드 입구까지 축 방향 유속을 측정하였다. Fig. 9는 실험 유속에 대한 시험부 축 방향 유속 분포를 나타낸 것이다. 전체적으로 쉬라우드 전방 0.2 m 부근까지 유속의 변화가 거의 나타나지 않으며 0.1 m부터 유속이 급격히 감소하였고 쉬라우드 전방에서 평균 약 50% 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 유속분포는 한정된 수조 공간 내에서 쉬라우드 구조물이 저항체 역할을 하며 유속이 낮아지는 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Flow velocity distributions along the flow direction.

3.2 전기 부하에 대한 터빈 분당 회전수 변화

Fig. 10은 실험 유속에 대해 전기 부하에 따른 터빈 블레이드의 분당 회전수를 나타낸 그림이다. 저항을 이용한 전기 부하에 따라서 터빈의 분당 회전수는 약 66~261로 크게 차이를 보였다. 전체적으로 약 0.2~400 Ω까지 급격히 상승하였으며, 부하량이 감소함에 따라서 터빈 블레이드의 회전수가 평균 약 2.0배 증가하였다. 상대적으로 400 Ω 이후에는 회전수의 증가율이 낮게 나타나며 거의 일정하게 유지된다.

Fig. 10.

Effect of electrical resistance out turbine rotational velocity.

3.3 전기 부하에 따른 전력 변화

전기 부하량에 따른 발전 출력을 Fig. 11에 나타내었다. 각점은 실험 유속과 전기저항에 대하여 캠코더를 이용해 2분간 기록한 전압과 전류의 곱을 발전 출력으로 표시한 것이다. Fig. 10에서는 부하량의 감소와 함께 터빈의 회전수가 증가하지만 전력의 경우는 특정 구간에서 최대 전력 지점을 나타낸 후 낮아지는 경향을 보였다. 전체적으로 최대 전력 지점은 약 50~150 Ω 구간에서 나타났으며, 유속이 높아짐에 따라 큰 전기 부하에서 최대 전력이 발생하는 경향이 나타났다. 해수의 유속이 증가함에 따라 평균 약 2.0배씩 증가하였으며, 시험부 입구유속 0.36 m/s에서 0.39 m/s로 유속이 빨라졌을 때 가장 높은 전력 증가율이 나타났다. 또한 가장 낮은 유속과 가장 높은 실험 유속에서 최대 전력은 약 7.05배 차이가 나타났다. 약 400 Ω 이상의 저항은 실험에 사용된 발전기(소형 모터)의 전기 부하에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타나며 발전 출력도 낮아지게 된다.

Fig. 11.

Generation output variation.

3.4 터빈 주속비 변화에 대한 효율 특성 분석

Fig. 12는 측정된 터빈의 분당 회전수에 따른 발전 효율을 나타낸 그림이며, 회전수는 다음 식(2)과 같이 주속비로 무차원화하여 표현된다. 유속, 터빈의 직경, 회전속도 등 많은 변수들에 의해 터빈의 출력 특성은 달라지나 출력특성을 주속비에 대해 표현하면 다양한 터빈들의 성능을 비교할 수 있다(Jo et al., 2012).

Fig. 12.

Power efficiency variation with turbine blade tip speed ratio.

여기서, U_∞[m/s]는 시험부 입구 유속, w_t[rad/s]와 R[m]은 터빈 블레이드의 각속도와 반경이다. 발전 효율은 다음 식(3)과 같이 유체의 운동에너지와 전기적 출력의 비로 표현된다.

여기서, ρ[kg/m³]와 U[m/s]는 유체의 밀도와 평균 속도, A_c[m²]는 쉬라우드 입구의 단면적이며 V[V]와 I[A]는 발전기에서 측정된 전압과 전류이다. 전체적으로 효율은 터빈의 주속비 증가와 함께 상승하다가 최대 효율 지점을 나타낸 후 낮아지는 특성을 볼 수 있다. 시험부 입구 유속 조건별 최고 효율은 각각 주속비 약 1.15일 때 약 4.19%, 주속비 1.38에 7.58%, 주속비 1.43에 7.92%, 주속비 1.68에 15.90%로 나타난다. 평균 유속이 0.34 m/s에서 0.36 m/s로 증가할 때 가장 낮은 효율 증가율이 나타난 반면 0.36 m/s에서 0.39 m/s로 증가할 때 주속비와 효율이 급격히 증가하였다.