진동수주형 파력발전장치의 유체역학적 에너지변환에 미치는 챔버 형상의 영향에 관한 수치해석 연구

Abstract

최근 전세계적으로 지구온난화에 따른 기후변화로 인한 피해의 빈도가 증가하고 있다. 이에 따라 탄소배출을 저감하기 위한 다양한 노력들이 시도되고 있으며, 그 중 하나는 신재생에너지를 활용한 청정에너지원의 생산이다. 해양에는 바람, 파도, 조류, 조석, 해수온도차와 같은 풍부한 에너지원이 존재한다. 풍부한 해양의 신재생에너지원을 이용하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있으며, 이를 촉진하기 위하여 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA) 및 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)를 중심으로 다수의 국제공동연구들이 수행되고 있다. 해양에서 풍부한 파도에너지를 활용하기 위하여 다양한 형태의 파력에너지변환기(Wave Energy Converter, WEC)를 개발이 진행되고 있다. 그 중 진동수주형 파력발전장치(Oscillating-water-column type WEC, OWC-WEC)는 구조적, 기계적 단순성과 다양한 실증시험을 통해 검증된 신뢰성을 바탕으로 가장 성공적이고 유망한 파력발전기술로 간주되고 있다.(1) OWC-WEC은 공기를 가두기 위한 챔버 구조물, 공기 터빈, 발전기, 그리고 전력 제어 시스템으로 구성된다. 챔버 구조물은 파도의 유체역학적 운동에너지를 흡수하여 내부 유체, 즉 수주(水住)의 상하운동을 유도하여 ‘진동수주실’이라 칭하고, 수주의 상하운동으로 생성된 왕복기류는 챔버에 연계된 공기 터빈과 발전기를 구동하여 전력을 생산한다. 파도의 운동에너지를 1차적으로 흡수하는 진동수주실의 에너지변환 성능은 진동수주형 파력발전장치의 전체 발전성능에 지배적인 영향을 미치며, 입사 파도의 주기와 진동수주의 고유주기가 유사한 경우 높은 에너지변환 효율을 나타낸다. 그러나 진동수주와 함께 거동하여 진동수주의 유체동역학적 특성에 유효한 영향을 미치는 주변 유체의 특성은 진동수주실 구조물의 형상에 의존적이며, 이의 영향을 평가하기 위해서는 입사 파도에 의한 주변 유동장의 회절(diffraction) 및 챔버 내부의 압력 변동에 기인된 진동수주운동의 방사(radiation) 문제를 풀기위한 수치해석적 접근이 필요하다.(2,3) 또한 진동수주실 구조물이 방파제에 연계된 경우, 방파제 구조물로 인한 주변 파동장의 발달 특성이 진동수주실의 에너지변환 특성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다.(4,5) 본 연구에서는 포텐셜 유동이론에 기반한 수치해석을 통하여 진동수주실의 에너지변환 성능에 미치는 기본 형상설계 인자들의 영향에 대하여 검토하고자 한다.