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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.18 No.2 pp.145-152
DOI :

100 kW급 조류발전용 터빈의 성능에 관한 연구

김부기*, 양창조**†, 최민선***
* 목포해양대학교 대학원, **, *** 목포해양대학교 기관시스템공학부

A Study on the Performance of an 100 kW Class Tidal Current Turbine

Chang-Jo Yang**†, Bu-Gi Kim*, Min-Seon Choi***
**, *** Division of Marine Engineering System, Mokpo National Maritime University
* Graduate School, Mokpo National Maritime University

Abstract

As the problems of global warming are brought up recently, many skillful solutions for developing new renewable energy aresuggested. One of the most remarkable things is ocean energy. Korea has abundant ocean energy resources owing to geographicalcharacteristics surrounded by sea on three sides, thus the technology of commercialization about tidal current power, wave power isdemanded. Especially, Tidal energy conversion system is a means of maintaining environment naturally. Tidal current generation is aform to produce electricity by installing rotors, generators to convert a horizontal flow generated by tidal current into rotating movement.According to rotor direction, a tidal current turbine is largely distinguished between horizontal and vertical axis shape. Power capacitydepends on the section size crossing a rotor and tidal current speed. We therefore investigated three dimensional flow analysis andperformance evaluation using commercial ANSYS-CFX code for an 100 kW class horizontal axis turbine for low water level. Then Wealso studied three dimensional flow characteristics of a rotating rotor and blade surface streamlines around a rotor. As a result, We foundthat torque increased with TSR, the maximum torque occurred at TSR 3.77 and torque decreased even though TSR increased. Moreoverwe could get power coefficient 0.38 at designed flow velocity.

1. 서 론

 전 지구적으로 진행되고 있는 기온상승 현상으로 고위도 지방에 분포하는 빙하가 녹게 됨으로써 해수면이 상승하고 동식물 분포가 달라지며 이상기후 등 지구환경에 재앙적 변화가 초래될 것이라는 우려가 대두되고 있다. 지구온난화의 원인은 여러가지가 있으나 산업화와 도시화의 진전으로 석탄, 석유, 등의 화석연료 소비가 늘어 대기 중의 CO2 의 농도를 급증시키는 원인이 되고 있다. 2009년 12월 덴마크 코펜하겐에서 개최된 유엔의 기후변화회의를 계기로 지구온난화에 대처하기 위해 전세계적으로 저탄소 정책과 기술, 신재생에너지를 기반으로 하는 녹색성장이 핵심 과제로 떠오르고 있다.

 특히, 최근 산유국의 유가가 불안정한 현시점에서 우리나라와 같은 비산유국에서는 에너지 공급의 해외의존을 탈피하고 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 폐기물에너지, 해양에너지와 같은 재생에너지를 활용하여 미래의 에너지자원으로 동력화하는 것이 21세기 에너지수요를 충족시키기 위한 개발의 목표가 될 것이다. 세계 각국은 기후변화 문제에 대응하면서 이를 새로운 성장의 기회로 활용하기 위해서는 녹색기술의 확보가 관건임을 인식하고 국가차원의 체계적인 기술개발을 추진하고 있다. 우리나라의 2007년 국가 온실가스 총 배출량은 6억 2천만 TCO2 로 1990년(선진국 의무감축 기준년도) 배출량 대비 2007년 배출량은 103% 증가한 규모로서 연평균 4.3% 증가세를 보이고 있다. 이에 정부는 국가비전으로 ‘저탄소․녹색성장’을 선포하고 일관된 녹색성장 정책을 추진하기 위해 2009년 녹색성장위원회를 출범시켜 녹색성장 국가전략 및 5개년 계획과 녹색기술 연구개발 종합대책을 수립하고 핵심기술 확보를 위한 전략을 구체화하고 있다(김, 2011).

 친환경 재생에너지는 전세계에 걸쳐 화석연료의 유한성 및 경제성 악화로 그 필요성이 점차 커지게 되었다. 그 중 바닷물 그 자체가 에너지인 해양에너지는 크게 파력, 조류, 해수온도차 및 조력으로 대별할 수 있다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해양에너지 부존자원이 풍부하며 대체에너지로서의 개발가치가 높다. 해양에너지는 대규모로 개발이 가능한 무한한 재생에너지 자원으로 오염문제가 없는 무공해 자원이며 미래의 유망에너지 자원이다. 특히, 국내 연안에는 조력 650만kW, 조류 100만kW, 파력 650만kW를 포함하여 총 1,400만kW의 해양에너지자원이 부존되어 있는 것으로 추정되고 있으며, 서남해안은 세계적으로 보기 드문 조류발전의 적지이다(오, 2009).

 조류발전은 지구의 자전 및 태양과 달의 인력에 기인하는 해수면의 상승/하강 운동인 조석현상에 의하여 발생하는 해수의 유동에너지를 조류터빈을 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 조류에너지를 회수하여 전기에너지로 변환하는 핵심장치인 터빈 블레이드, Gear box 및 발전기로 구분할 수 있다. 특히, 블레이드는 시스템 안전성, 출력, 에너지 변환효율, 연간 발전량에 직접적인 영향을 주므로 형상/구조 및 최적설계가 요구된다. 조류발전은 풍력발전의 풍속 및 풍향의 불확실성과 태양광에너지의 날씨에 대한 불확실성의 단점을 극복할 수 있는 신뢰성 있는 에너지로서 조석은 예측가능한 현상으로 정확한 발전량 예측이 가능하며 댐을 건설할 필요가 없으므로 해수유동이 자유롭기 때문에 선박의 운항과 생태계에 미치는 영향이 적다. 조류발전은 유향과 회전축의 방향에 따라 유향과 로터 회전축의 방향이 평행한 HAT(Horizontal Axis Turbine)방식과, 직각을 이루는 VAT(Vertical Axis Turbine)방식으로 구별할 수 있다.

 조류발전의 국내동향은 수차의 기술개발 수준이 아직 소규모 개발단계에 머물러 있으며, 각 해역에 적합한 여러 가지 수차의 개발과 향후 실용화 기술개발 과정이 매우 필요한 실정이다. 또한 선진국 중심의 기술개발 경쟁 및 기술 보호주의는 더욱 더 심화될 전망이다. 최근 육·해상용 풍력발전용 터빈의 설계 동향은 발전단지의 경제성을 확보하고자 국·내외적으로 대형화 추세에 있다. 그러나 국내 조류발전의 경우 조류가 빠른지역은 주로 서남해안에 위치하고 있으며, 특히 해상 케이블 신설 등 계통연계에 소요되는 고비용을 감안하면, 비교적 연안에 가까운 지역에 발전단지를 구성하는 것이 바람직하며, 실해역에 설치되는 조류발전용 터빈의 경우 풍력터빈과는 달리 로터의 회전반경이 해수면과 해저면과의 간격(Top and bottom clearance)에 제한을 받으므로 저수심형에 적합한 조류터빈용 로터 블레이드의 형상 설계 및 성능해석이 매우 중요하다.

 한편, 양(2011)은 Prandtl의 날개 끝 손실모델을 적용하여 로터 블레이드의 기초 설계변수를 구하고, 반복법을 이용하여 간섭계수 등을 수렴시켜 최적 로터 블레이드 형상을 구하여 조류발전용 로터 블레이드의 최적형상 기법을 제안하고, 정격유속에서 NACA63812의 익형을 사용하여 조류발전용 수평축 로터 블레이드를 이론적으로 설계하였다.

 또한, 김 등(2010)은 CFD에 의한 조류터빈의 성능평가에서 낮은 유입속도에서는 받음각의 변화 폭이 적기 때문에 블레이드 단면에 부착류가 잘 형성되고, 유속이 증가할수록 후연 부분에서 와류가 발생된다고 보고하였다. 조 등(2010)은 실시간 변화하는 조류 흐름의 유향 변화에 따른 로터 성능 연구에서 유입각 30˚까지는 이론값과 유사하였으나, 그 이후부터는 후방에서의 와류가 비선형적으로 증가하다가 45˚부터 크게 증가하고 와류로 인하여 로터의 성능이 추가적으로 크게 저하 된다고 하였다. 한편, 중·소형 조류발전 및 해양 소수력용 터빈은 주로 수직축 터빈 관한 연구(한국에너지기술평가원, 2010; 이, 2009)가 대부분으로, 이러한 터빈은 설치 및 관리는 용이하나 낮은 효율특성을 보인다. 따라서 저수심에서도 고효율 특성을 보이는 로터 직경이 10m이내의 수평축 터빈에 대한 추가적 연구가 필요하다.

 따라서 본 연구에서는 부남군도 등과 같은 서남해안 저수심해역에 발전단지 구성이 가능한 100 kW급 소형 수평축 터빈에 대해 다양한 성능해석을 수행하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 선행연구에서 날개요소운동량 이론으로 개발된 설계기법을 이용하여 설계된 조류발전 단지용 100 kW급 소형 수평축터빈의 성능 평가를 목적으로 상용 ANSYS-CFX를 이용한 수치해석적 결과를 바탕으로 로터 블레이드 표면유선 및 로터 주변 3차원 유동특성을 비교, 고찰하고 TSR에 따른 다양한 터빈의 성능해석을 수행하고자 한다.

2. 수치해석

2.1 수치해석

 최근 전산해석 기술의 눈부신 발달에 힘입어 선진 연구기관을 중심에서는 이론적으로 명확한 해석이 가능하고 다양한 물지적 변수를 포함할 수 있다는 장점이 있는 CFD에 의한 로터 블레이드 2차원 및 3차원 수치해석과 다양한 로터 블레이드용 익형에 대한 수치해석적 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 유체기계 해석에 탁월한 성능을 보이는 CFX-TASC flow의 솔버 기술과 다양한 물리 모델을 결합하여 새롭게 개발된 Fully implicit pressure based AMG coupled solver인 CFX를 사용하였다. 수치해석은 유량을 초기조건 및 경계조건으로 입력하여 계산을 수행하는 것으로, ANSYS 사에서 제작한 유체유동 상용프로그램인 ANSYS ICEM CFD와 ANSYS CFX 두 가지 프로그램을 사용하였다. 본 연구에서는 3차원 정상상태 유동장의 해석을 위해 범용 CFD 해석 툴인 CFX를 이용하였으며 입구조건으로 균일 속도유입조건을 적용하였으며 다양한 운전 상태에서 해석조건의 반영을 위하여 TSR의 변화에 따른 계산조건을 설정하였다. TSR의 변화를 반영하기 위해 일정한 입구측 유입속도를 유지하고 TSR 0.42~8.79까지 변화시키며 계산을 수행하였다. Table 1에 조류터빈의 제원을 나타내었다.

Table 1. Main design parameters

2.2 계산격자 및 경계조건

 수치해석을 하는데 있어서 해의 정확도를 좌우하는 가장 중요한 부분의 하나가 계산격자이며, 우수한 품질의 격자를 생성하기는 쉽지가 않다. 격자를 생성하는 과정에서 복잡한 형상에 대하여 상당히 우수한 3차원 정렬격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 이용하였다. 설계된 터빈의 전산유동해석을 위해 회전하는 로터 영역과 로터 주위의 유체 영역에 대해 해의 정확도와 해의 수렴성을 고려하여 로터영역에 1,021,451개의 노드와 3,602,790개의 엘리먼트로 구성된 비정렬 격자이며, 로터를 둘러싸고 있는 유체 영역은 로터와 마찬가지로 비정렬격자이며 61,493개의 노드와 316,119개의 엘리먼트로 구성되어 있다. 격자를 생성하는 과정에서 블레이드 주위에서 우수한 격자를 확보하기 위하여 전체 격자계는 정렬 다중 블록격자계(Structured multi-block grid)로 구성하였다. 또한, 유동해석을 수행할 때 가장 큰 에러의 원인 중의 하나는 난류모델의 부적절한 사용이라 할 수 있으며, 계산격자의 생성은 적용 난류모델의 특성에 따라 원활한 수렴 및 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해 y+  , 경계층 격자 밀집도, 격자형태, Aspect ratio 등을 신중히 고려해야 한다. 따라서, 우수한 품질의 계산격자의 확보가 CFD에서 첫 번째 필수적인 요소라 할 수 있다. 그러나, 단일 CPU에 의한 계산환경에서는 하드웨어의 제한에 의한 충분한 격자 공간해상도를 확보하기가 까다롭다.

 본 논문에서는 수평축 조류발전의 성능향상에 기여하고자 상용코드 CFD를 이용하여 수평축 조류발전용 터빈을 Fig. 1에 보이고 있다. 터빈의 직경은 8미터, 터빈의 깃 수는 3매이다. 블레이드 주위 영역과 블레이드 주위를 제외한 외부 영역으로 구성된 이중분할 격자계를 구성하였으며, 내부 회전영역과 외부영역의 맞닿는 부분의 Interface 조건으로 General connect -Frozen rotor 조건을 적용하였고, Mesh connect method는 GGI(General Grid Interface) 조건을 사용하였다. 블레이드에서 발생하는 토크의 정확한 예측을 위해 블레이드 주변영역을 tetrahedra 격자계로 구성하였고, 나머지 영역은 Wedge 격자계로 구성하였으며 두 영역의 경계면은 Pyramids 격자로 처리하였다.

Fig. 1. Grid formation of rotor blade.

 수평축 조류발전의 유동해석을 위한 계산 격자는 Fig. 1 에 보이는 것처럼 Triangle, Quad 격자계로 로터 블레이드 주위격자수는 102만 노드이며, 외부 도메인의 격자수는 61,000 노드이다. 전체 계산격자 수는 108만 노드이다. 구성된 격자계와 수량은 Tetrahedra 31만개, Triangle 280만개, Pentgon 105만개, Quad 2,400개, Pyramid 7,000여개로 전체 엘리먼트 수는 약 418만개 이다. 계산격자는 ICEM CFD를 이용하여 생성하였다.

 Fig. 1, Fig. 2는 계산격자의 다양한 형태를 나타내었다. 경계조건으로 외부도메인 출구영역에 Averaged static pressure 조건을 부여하였고, 단일 블레이드 계산을 위하여 양쪽 주기 경계면에 Periodic 조건을 부여하였다.

Fig. 2. Computational domain for rotor.

 설계된 로터의 CFD 해석을 위해 회전하는 로터 영역과 로터 주위의 유체 영역에 대해 Fig. 2와 같이 모델링 하였다. 로터 블레이드로부터 입구까지의 거리는 로터 직경의 3배, 상하부면으로 3배, 후방으로 7.5배를 확보하였으며, 로터 블레이드 벽면은 No-slip 조건으로 처리되었고, 상대회전 조건을 부여하였다.

 계산에 사용된 컴퓨터는 5대의 병렬 컴퓨터로 구성되어 있으며 CPU는 Intel x 64bit, 2.66GHz, Quard-Core Processor이며 RAM은 8 GB이다. 모든 계산은 1,000회 반복계산 이전에 수렴되었으며, 수행시간은 최적화된 상태로부터 대략 1 case 당 5시간 정도 소요 되었다. 계산격자의 난류모델 의존성에 대해서 검토하였으며, 일반적으로 k-ε모델은 유동박리 현상이 지배적인 유동장의 예측에 있어 해석결과의 정도가 낮다고 평가되고 있으므로, 로터 블레이드 표면으로부터 발생되는 실속현상 등을 포함하는 복잡한 3차원 유동현상을 파악하기 위한 적용 난류모델로서 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 복잡한 내부 유동장에 대해서 상대적으로 우수한 터빈해석결과를 얻을 수 있는 것으로 알려진 k-ω SST 난류모델을 적용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 블레이드 표면 유선

 로터 블레이드 주위에 발생하는 복잡한 3차원 유동현상의 정확한 이해를 위해 TSR의 변화에 따른 표면 압력분포와 표면유선의 다양한 중첩된 가시화 결과를 조사하였다.

 Fig. 3과 Fig. 4는 TSR 2.09, 3.77, 5.44, 7.12에서 로터 블레이드 흡입면(Suction surface)과 압력면(Pressure surface)의 표면유선(Streamlines)을 나타낸다.

Fig. 3. Streamlines in suction surface.

Fig. 4. Streamlines in pressure surface.

 Fig. 3, Fig. 4의 (a), (b)와 같이 낮은 TSR에서는 받음각의 변화폭이 크기 때문에 블레이드 흡입면에서는 와류가 발생하기 시작하며, 압력면에 부착류가 형성되는 것을 볼 수 있다. 또한 TSR가 변화함에 따라 흡입면에서는 허브 중심으로 와류가 이동하고, 압력면에서는 부착류가 분리되어 반경방향으로 흐르고 있음을 나타낸다.

 이는 로터 블레이드의 허브 쪽에서 발생하는 박리 현상에 의해 분리된 유체는 로터 블레이드의 원심 가속력과 반경방향으로의 압력분포에 의하여, 블레이드의 허브 쪽에서 팁 부분으로 이동하기 때문이다. 또한, 원심 가속력은 반경방향으로의 압력구배는 임의의 위치에서 익형이 받는 영각의 변화와 국부 속도비의 변화에 따라 변화하게 된다. 허브쪽에서 분리된 블레이드의 반경방향으로 진행하는 흐름은 블레이드 표면에 부착되어 흐르는 흐름을 통과하게 되면서 강제로 블레이드 표면에서 3차원 박리를 발생시키며, 결국 임의의 지점에서 접선방향으로 분리된다.

 Fig. 3(b)의 경우 허브 근방 영역을 제외하고는 반경류(Radial flow)의 형성에 의한 실속현상이 나타나고 있지 않다. 그러나, 실제 로터 블레이드의 출력 대부분을 발생시키는 허브로부터 70% 부근의 영역에 대해서는 큰 영향을 미치질 못하고 있다. Fig. 4의 압력면 유선의 경우 TSR이 변화할수록 허브를 중심으로 반경류가 형성되고 있으며, 이러한 반경류에 의해 블레이드 전 영역에 걸쳐 후연 박리가 진행되고 있음을 알 수 있다.

 Fig. 3, Fig. 4의 (c), (d)와 같이 블레이드 흡입면에서의 받음각(Angle of attack)의 변화폭이 작기 때문에 TSR가 증가할수록 허브 방향으로 와류(Vortex)가 형성되었고, 낮은 TSR의 압력면에서는 부착류(Attached flow)가 분리되어 반경방향으로 흐르다가 완만한 흐름을 보이고 있다. 로터 블레이드의 회전방향 속도성분과 유입방향 속도성분의 합이 블레이드 전연과 이루는 상대유입 각도의 변화에 따라 TSR 5.44에서 출력이 최대로 되었다가 양력(Lift)의 증가보다 항력(Drag)의 증가 폭이 급격히 상승하기 때문에 공력 특성은 현저히 저하되고, 이는 결국 전체 시스템의 출력저하로 확장됨을 예상할 수 있다.

3.2 블레이드 국부단면 흐름특성

 로터 블레이드로 유입되는 흐름은 회전하는 블레이드에 대한 영향으로 하류쪽으로 발달되는 후류를 발생시키게 된다. 이때 발생하는 후류는 허브와 가까운 위치에서 발달하는 중심와류와 팁 부분에서 발생하는 팁 와류로 구분 된다(Burton et. al., 2003; Doherty, 2009). 일반적으로 로터 블레이드 후방으로 발달되는 후류구조는 로터의 TSR이 빨라질수록 팁 와류의 간격이 점점 좁아지게 되며, 상당히 복잡한 구조의 3차원 와류를 발생시키게 된다.

 Fig. 5, Fig. 6에 로터 블레이드 국부단면에서의 흐름변화 상태를 로터의 TSR에 따라 나타내었다. 절단 단면은 허브로부터 각각 0.3R, 0.7R 이다. Fig. 5의 (a)에서 보는 바와 같이 허브 근방의 낮은 TSR에서는 블레이드 후방에 중심와류가 형성됨을 알 수 있고, 이로 인해 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행한 반경류(Radial flow)는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시켜 실속(Stall)의 원인이 된다. 또한, 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행하는 반경류의 형성을 표면유선(Surface streamline)으로부터 확인 할 수 있으며, 이반경류는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시키는 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 특히, Fig. 6의 (a)는 블레이드 후류에서 와류가 형성됨을 보이고 있다. 낮은 TSR에서 발생하는 와류보다 Fig. 5와 6의 (c)는 블레이드 후류에서 발생하는 중심 와류와 팁 와류의 영향을 받지 않고 있음을 볼수 있고, 이로 인해 TSR 5.44에서 최대 출력계수가 발생하였다.

Fig. 5. Sectional streamlines at 0.3 R from hub.

Fig. 6. Sectional streamlines at 0.7 R from hub.

3.3 블레이드 후방에서의 흐름특성

 로터 블레이드의 흡입면과 압력면 이외에 로터 블레이드를 통과한 유체의 후류의 흐름으로부터 블레이드 후방에서의 와류나 교란작용이 조류발전 터빈의 출력에 미치는 영향과 캐비테이션을 방지하기 위한 블레이드 형상 설계 등에 반영할 수 있다. 이를 위해 블레이드 후방에서의 흐름 특성을 Fig. 7과 같이 나타내었다. 블레이드를 통과한 유체의 흐름 특성을 파악하고자 허브(H : 1.6m)를 기준으로 후방 0.13H, 0.38H, 0.63H, 0.88H에서 TSR별로 비교하였으며, 최대 출력계수가 나타난 TSR 5.44를 기준으로 출력에 큰 영향을 미치는 블레이드의 70% 부근에서 완만히 분포한 후류 흐름을 보인 0.63H에서의 유선을 나타내었다.

Fig. 7. Streamlines from hub : 0.63 H.

 최대 출력계수가 발생하는 TSR 5.44의 후방 0.625 H에서는 블레이드 후방에서 와류를 형성하는 다른 조건에서 보다 유선의 흐름이 완만하고, 특히 블레이드 제작 용이성 및 제작비용 절감을 위해 성능에 큰 영향을 미치는 영역인 허브로 부터 70%∼90% 사이의 영역에서 유선의 흐름이 고르게 분포되었고, TSR 2.09, 3.77보다 상대적으로 와류에 의한 손실이 적게 나타났다. TSR 7.12에서는 성능에 큰 영향을 미치는 영역보다 허브근방에서 유체의 흐름이 집중되는 경향을 보이고 있기 때문에 TSR이 증가하더라도 토크가 감소하고 출력계수가 작아진다고 사료된다.

3.4 출력곡선

 출력계수(Power coefficient) Cp와 날개끝 속도비(Tip-speed ratio) λ는 각각 식(1), (2)와 같다.

 

 

 여기에서 Tq [N․m]는 로터에 걸리는 토크, Ω[rad/s]는 로터의 각속도, ρ[kg/㎥]는 유체의 밀도, A[㎡]는 로터의 유입면적(A=πR2 ), R[m]은 로터의 반지름(R = D/2)이며, U∞[m/s]는 로터 유입속도이다.

 출력계수(Cp)와 토크 계수(Cq)는 TSR(λ)에 따라 달라지는데 최대의 출력이 나타나는 최적의 TSR가 존재한다. 임의의 유속에서 로터에 의하여 발생하는 출력은 블레이드 끝단과 유체의 상대속도에 의해 크게 좌우된다. 본 연구에서는 TSR 1.26~6.28의 범위에서 얻어진 토크 값을 측정하여 조류터빈의 효율을 계산하여 Fig. 8과 같이 TSR과 토크 및 출력계수 변화를 나타내었다. 토크는 조류의 일정유입속도에 대해 터빈의 회전속도가 증가함에 따라 비례적으로 증가하다가 TSR 3.77에서 최대 토크가 발생하였다. 그 이후에는 TSR이 증가하더라도 토크는 감소함을 알 수 있었다. 이는 양력의 증가보다 항력의 증가폭이 급격히 상승하기 때문이다. 또한, 출력계수의 경우 TSR이 증가함에 따라 증가하다가 TSR 5.44에서 최대출력이 발생하였고 이후에는 출력계수가 감소하였다.

Fig. 8. TSR-Cp, Cq performance.

 한편 유(2009)는 블레이드 요소이론을 이용하여 정격유속 2.5m/s에서 NACA-6자 계열 에어포일을 사용한 500 kW급 조류발전 터빈 형상에 대한 성능해석에서 출력계수 0.38에 이르는 결과를 보여주고 있다. 이는 본 연구 결과와 비교하여 유사한 성능분포를 나태내고 있음을 알 수 있다.

4. 결 론

 본 연구에서는 저수심 해역에 발전단지 구성이 가능한 100kW급 소형 조류발전용 수평축 터빈에 대해 유체유동 상용 프로그램인 CFX를 이용하여 TSR의 변화에 따른 3차원 유동특성 고찰 및 성능평가를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

 1. CFD 유동해석을 통하여 터빈의 로터 로터 블레이드 주위에 발생하는 복잡한 3차원 유동현상의 정확한 이해를 위해 TSR의 변화에 따른 표면 압력분포와 표면유선의 다양한 중첩된 가시화 결과를 조사하였다.

 2. 블레이드 국부단면 흐름특성으로부터 블레이드 표면을 따라 반경방향으로 진행하는 반경류(Radial flow)의 형성을 표면 유선으로부터 확인 할 수 있으며, 이 반경류는 블레이드 표면을 파고들면서 표면으로부터 흐름을 이탈시키는 역할을 하였다.

 3. 소형 조류발전용 수평축 터빈에 대한 성능해석 결과, 토크는 일정 유입속도에 대해 터빈의 회전속도가 증가함에 따라 증가하며, TSR 3.77에서 최대 토크가 발생하였고, TSR 5.44에서 최대 성능계수 0.38을 얻었다.

 끝으로 조류발전은 여타의 신재생에너지에 비해 자연환경의 훼손이 적은 친환경에너지일 뿐 아니라 예측이 가능하여 기저부하에 도움을 줄 수 있는 것으로 알려져 있으나, 현재까지 기술개발이 미진하여 상용화에 어려움이 많다. 따라서, 본 연구를 통하여 국내 상용 조류발전이 조기 실현되기를 기대한다.

후 기

 본 연구는 지식경제부 지역연고산업육성사업 “신성장을 위한 녹색해양기자재 산업기반 활성화” 및 지식경제부 신재생에너지 기술개발사업의 일환(20093021070010)으로 수행되었습니다.

Reference

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