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(한국해양대학교, 한국해양대학교 해양과학기술전문대학원)

지도교수
신승호, 이중우
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한국해양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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본 논문에서는 파도에서 전력까지 진동수주형 파력발전장치의 에너지변환 문제를 해결하기 위해 포텐셜 유동 기반의 통합 연성 해석 수치 기법을 개발하고, 이를 활용하여 에너지변환 과정에서 파도에 기인한 발전장치의 동작 특성에 관한 수치해석 연구를 수행하였다.
진동수주형 파력발전장치는 수실, 공기터빈, 발전기 및 제어 시스템으로 구성된다. 에너지변환 문제에서 파도에 의해 가진된 진동수주의 운동은 수실 내부 공기 체적의 변화를 발생시키고, 이 흐름에 의해 유도된 터빈의 회전운동은 함께 연결된 발전기를 구동하여 전력생산에 기여 한다. 변동하는 파랑에너지를 이용해 발전장치가 최적의 성능으로 동작하고 안전성을 확보하기 위해 도입된 제어시스템은 지속적으로 공기 터빈의 회전운동에 영향을 미친다. 터빈의 회전속도에 따른 공기역학적 특성의 변화는 수실 내에 작용하는 압력강하에 영향을 미친다. 이처럼 파도에서 전력까지 전체 에너지변환 과정에서 진동수주형 파력발전장치의 각 모듈은 상호 작용하고 연성된 거동특성을 갖는다.
진동수주형 파력발전장치의 복잡한 에너지변환 특성을 논하기 위해 전체 시스템의 에너지변환 문제를 진동수주의 유체동역학적 에너지변환 문제 및 PTO 시스템의 동역학적 에너지변환 문제를 구분하여 수치해석 결과를 분석하였다. 그리고 본 연구에서 개발한 통합 연성해석 모델을 이용하여 규칙파 및 불규칙 파랑 중에서 전체 시스템이 연성된 진동수주형 파력발전장치의 동작 특성을 분석하였고, 에너지 변환 시스템 간의 연성효과에 조사하였다.
본 연구에서 파랑 중 유체영역의 포텐셜 유동을 풀기 위해 유한요소법과 선형 자유표면 경계조건을 도입하였다. PTO 시스템의 회전 모듈인 터빈과 발전기는 이상화된 단자유도시스템에 기초하여 운동방정식으로 정식화하였다. 입력흐름과 회전속도에 대한 터빈의 무차원 토크 계수로부터 도출된 기계적 토크와 제어를 위해 인가된 전자기력 토크를 회전운동방정식의 외력 항으로 고려하였다. 터빈의 작동조건에 대한 압력강하는 터빈의 무차원 입력 계수로부터 계산되었고, 이를 실시간 수주실 내 동역학적 자유표면 경계조건 상에 인가하여 터빈-수실간 상호작용을 모의하였다. 선형 자유표면 경계조건과 터빈의 회전운동은 4차의 Adams-Bashforth-Moulton방법으로 시적분하여 자유표면에서의 속도 포텐셜, 수면 변위, 그리고 터빈의 회전속도를 구하였다.
제주해역에 설치된 용수 OWC 시험 파력발전소의 대표 제원을 적용하여 개발된 수치해석 방법을 통해 불규칙 파랑 중에서의 발전 운용 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 제주서해의 파랑관측자료에 기초하여 다양한 불규칙파 조건에 대하여 PTO 시스템과 연성된 진동수주실의 유동해석을 통해 불규칙한 파랑에너지 하에서의 진동수주형 파력발전장치 전체 시스템의 동작 특성과 에너지 변환 성능에 대해 분석하였다. 또한 계산된 불규칙 파랑 중의 진동수주형 파력발전장치의 발전성능과 실해역 관측 파랑산포도를 바탕으로 제주해역에서 용수 OWC 시험 파력발전소의 연간 에너지 생산량 추정에 적용하였다.

목차

  1. I. Introduction 1
    1.1 Energy conversion problem in OWC-WECs 7
    1.2 State of the art 11
    1.2.1 Hydrodynamic energy conversion problem in OWC chamber 11
    1.2.2 Aerodynamic, mechanical, and electric energy conversion problem in PTO system 15
    1.2.3 Coupled energy conversion problem in OWC-WECs 17
    1.3 Research objectives and scope 20
    1.4 Outline of the thesis 22
    II. Theoretical Formulation 24
    2.1 Boundary value problem for fluid domain 24
    2.2 Hydrodynamic problem of oscillating-water-column 26
    2.2.1 Linear mass-spring-damper system 26
    2.2.2 Hydrodynamic coefficients 30
    2.3 Hydrodynamic energy conversion problem with pressure drop 31
    2.3.1 Linear decomposition method 32
    2.3.2 Direct coupling method 36
    2.4 Energy conversion problem in the PTO system 37
    2.4.1 Aerodynamics 37
    2.4.2 Mechanics 38
    2.4.3 Electronics 39
    2.5 Control system 40
    2.5.1 MPPT control 40
    2.5.2 Speed limit control 41
    2.5.3 Airflow discharge control 42
    III. Numerical method 43
    3.1 Finite element method 43
    3.2 Time integration method 45
    3.3 Solution procedure 46
    3.4 Validation of the numerical method 49
    3.4.1 Wave-induced response of OWC chamber 49
    3.4.2 Flow-induced response of impulse turbine 56
    3.4.3 Generator electronics 60
    IV. Hydrodynamic Problem in Oscillating-Water-Column 61
    4.1 Problem definition 61
    4.2 Linear mass-spring-damper system of oscillating-water-column 63
    4.3 Piston and sloshing mode of oscillating-water-column motion 69
    4.4 Hydrodynamic coefficients and resonance frequency 80
    4.5 Dimensional effect of fluid domain 85
    4.6 Concluding remarks 97
    V. Hydrodynamic Energy Conversion Problem in OWC Chamber 98
    5.1 Problem definition 98
    5.2 Linear decomposition approach 99
    5.3 Direct interaction approach 108
    5.4 Response spectrum method 113
    5.5 Effect of nonlinear pressure drop 120
    5.6 Concluding remarks 127
    VI. Aerodynamic, Mechanical, and Electrical Energy Conversion Problem in PTO System 129
    6.1 Problem definition 129
    6.2 Aerodynamics and mechanics of impulse turbine 130
    6.2.1 Air turbine model 130
    6.2.2 Effect of airflow characteristics 130
    6.2.3 Effect of airflow’s oscillation period 136
    6.2.4 Effect of airflow’s amplitude 139
    6.2.5 Effect of rotational inertia 143
    6.2.6 Self-starting characteristics 147
    6.3 Operation and Control of PTO system 152
    6.3.1 MPPT control 156
    6.3.2 Speed limit control 161
    6.3.3 Airflow bypass control 165
    6.4 Concluding remarks 176
    VII. Fully Coupled Energy Conversion Problem in OWC-WEC (Wave-to-Power) 177
    7.1 Problem definition 177
    7.2 Analysis of coupling effect in OWC-WEC 178
    7.2.1 Coupling effect (1): transient interaction due to rotor dynamics 185
    7.2.2 Coupling effect (2): variation of converged response 196
    7.3 Wave effect analysis on OWC-WEC operation using W2P model 203
    7.3.1 Effect of wave height 203
    7.3.2 Effect of wave period 212
    7.4 Application of W2P model to AEP estimation 217
    7.5 Concluding remarks 226
    VIII. Conclusions 228
    Appendix Fully coupled W2P simulation of OWC-WEC under irregular waves 232
    A.1 Operation case 232
    A.2 Shut-down case 237
    References 242
    Abstract (Korean) 252

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