(그림) 변경 전(녹색, 황색)과 변경 후(파란색)의 CFD 메쉬의 모습

(2) 부체식 플랫폼의 개발

부체식 플랫폼으로서 경량의 골조식 부체구조를 제안하였다. 유체저항을 경감시키기 위해 유체의 기본부재는 타원주로 하였다. 그리고, 그 부체의 시간영역 동적응답 해석법을 개발하였다. 또한, 플랫폼을 구성하는 타원주 부재에 작용하는 유체력에 관하여 항력, 양력의 계측실험을 실시하고, 해석법에 입력하여 기초적인 자료를 수집하였다. 로터와 부체의 상호간섭효과에 관하여 실험을 실시하여 기초적인 정보를 얻었다. 수조에서는 해석법의 기본성능을 검증하는 모형실험을 실시하고 개발한 해석법을 이용하여 실제 장치의 응답특성을 밝혀내었다.

(그림) 직경 25cm 모형 플레이트 형상

(그림) 실제 장치 모델의 플레이트 형상

(3) 흐름상황 예측법의 개발

기존 해류자료의 수집과 검증을 실시하고, 발전 잠재력을 추정하여 적합지에 관해 검토하였다. 또한, 다움스케일링을 목적으로 한 태평양 지역 조류 및 해류모델을 위한 준비연구, 적합지를 도출하기 위한 고해상도 영역모델 고정도화의 기초적인 연구를 실시하였다.

2010년 8월 30일부터 9월 3일까지, 미야케지마에서 흐름상황 관측을 실시하였다. 주로 미야케지마 서해지역을 중심으로 ADCP(음향 도플러 유속 프로파일러)을 이용하여 어선에 의한 이동계측을 실시하였다. 섬 북서, 수심 90m 정도의 해역에서 약 5노트(2.5m/s)의 강한 흐름지역이 발견되었다. 흑조는 서북부터 약 1.5m/s로 유입되고 있었기 때문에 해저 및 연안지형의 영향으로 국소적인 흐름이 가속되었다고 생각된다.

이 해역을 발전 적합지로 가정하고, 15년간의 흐름상황 재해석 자료로부터, 해류파워의 추정 및 발전시스템의 강도설계에 도움이 되는 유속의 빈도분포 및 극치통계를 수행하였다. 여기서는 경험적인 유속의 보정계수를 관측치로부터 추정하고 있다. 이 보정계수를 곡형적인 흑조 유로의 패턴에 관하여 양호한 정도로 추정하기 위해서 영역 해양모델의 개발과 흑조 유로의 분류를 실시하였다.

(그림) 구조격자로 Nesting를 검토한 지역

(4) 환경영향평가시스템의 개발

해양의 생태계를 크게 좌우하는 연직혼합에 관하여 터빈의 동작에 의한 혼합이 해양의 성층구조에 미치는 영향의 계산방법을 개발하였다. 모형실험에 의한 터빈 뒤쪽 흐름의 계측을 실시하고, 그것에 기초한 터빈에 의한 흐름의 방해효과, 회전류 효과, 연직확산계수의 변화를 모델화하여 해양모델을 수정하였다. 또한, 실제 크기의 계산 예로서 직경 24m의 터빈의 혼합효과를 계산하였다.

(5) 프로토 타입 시스템의 설계 및 실증 플랜트 설계

조류 및 해류발전시스템의 설계를 위한 설계 및 평가시스템을 개발하였다. 수심, 이안(離岸)거리, 정격출력, 정격유속, 플랫폼 주요 방법을 입력함으로써 부력, 정적(静的)경사의 판정, 상하동요(heave)의 고유주기, 수면관통 부재 응력 및 나셀지지구조 부재 응력의 개략치를 평가하는 것이다. 이것을 이용하여 프로토 타입 시스템의 설계를 수행하고 최종적으로 실증 플랜트의 초기계획을 수행하였다. 성과는 해상기술안전연구소에서 실시한 해당 연구에 합병되어, 비용평가 시스템과 프로토 타입 시스템 설계, 실증 플랜트 설계의 고도화에 도움에 되었다.

3. 시스템 성능평가 시험방법의 확립, 비용평가 시스템의 개발, 프로토 타입 시스템 설계 및 실증 플랜트 설계

(1) 시스템 성능평가 시험방법의 개발

탄성터빈의 기본특성 파악을 위해 캐비테이션 수조시험, 탄성변형계산 제도 검증을 목적으로 대형 터빈 날개에 의한 얘항수조시험 및 심해수조에서 부체 플랫폼 모형의 종합시험을 실시하였다. 캐비테이션 수조에서는 탄성터빈의 성능평가가 가능한 시스템을 개발하였다. 예항수조 시험에서는 탄성변형을 계측할 수 있는 변위계측 시스템을 개발하고, 계측결과와 비교함으로써 CFD-FEM에 의한 유체구존 연성계산 도구의 정도를 검증하고, 그 유효성을 확인하였다. 심해수조에서 종합시험의 경우, 계류시스템에서 발생하는 장력의 최대치를 계측하고, 안전성 평가에서 기초자료를 수집하였다. 또한, 파랑 중의 부체동요에서 터빈의 토크변동을 계측하고, 발전시스템의 정격출력의 선정에 유익한 자료가 얻어졌다.

(그림) 터빈의 모형시험 모습

(2) 비용평가 시스템의 개발

조류발전용 비용평가 시스템의 개발에서는 발전량을 평가하기 위해 터빈 모형시험 자료를 정리하고, 터빈 성능 데이터베이스를 개발하였으며, 제조사에 대한 의견청취를 실시하여 건설비용의 평가법을 구축함으로써 시스템 전체의 프레임 워크를 구축하였다. 본 시스템을 이용하여 해외에서 실적이 있는 조류발전시스템의 설계자료를 기초로 계산한 건설비용의 추정치와 공표되어 있는 자료가 동등한 수준이라는 것을 확인하였다.

(3) 프로토 타입 시스템 설계

조류발전 시스템 설계에 필요한 도구개발을 수행하였다. 날개 요소 운동량 이론에 기초하여 탄성터빈 설계법을 개발하고 비용평가 시스템과 조합하여 정격출력, 유속빈도 분포 및 발전비용에 관한 프로토 타입 시스템의 감도해석을 실시하였다.

(4) 실증 플랜트의 설계

조류발전 설치 해역으로서 이토제도 연안을 선정하고, 실제로 시스템 설계를 실시하였다. 흐름상황 예측시스템을 이용하여 얻어진 유속빈도 분포를 이용하여 터빈 직경, 정격출력 및 시스템 기수(基数)를 파라미터로 시험 설계를 실시하였다. 그 결과, 시스템 기수가 4기, 터빈 직경이 20m, 정격 4.8MW급(1기당 1.2MW)의 조건에서 발전비용이 20엔/kWh 이하로 가능하다라는 것을 알았다. 단, 발전비용은 흐름상황 분포에 크게 좌우되기 때문에 설치해역의 흐름상황에 의해 변동이 발생한다는 것을 고려할 필요가 있다. 또한, 설치방식에 의한 적용범위에 관해서 검토하고, 탄성터빈을 이용한 조류 및 해류발전 시스템의 유효성을 검증하였다.

(그림) 개발한 발전시스템 이미지

4. 연구성과의 앞으로의 이용방안

고정 피치 탄성 터빈에 관하여 날개 요소 운동량 이론과 보이론에 의한 간이설계 및 CFD-FEM 연성계산에 의한 상세해석 결과를 입증하고, Simulation-based Design에의 명확한 전망을 얻었다. 이 방법은 아직, 프로펠러 및 날개 등 다른 양력체의 유력탄성설계에도 활용할 수 있는 것이다. 부체에 관해서는 조류발전에 적합한 흐름방향에서 운동실험과 해석을 실시하였다. 이 성과는 조류발전에 한정되지 않고 흐름방향에서 운동해석에 활용할 수 있는 것이다. 해양계산의 다운 스케일링에 관해서도 적합지 선정 및 조건 설정에 이르기까지 지침이 얻어졌다. 이 활용범위도 조류 및 해류발전에 한정되지 않고 다양한 해양장치의 검토에 도움이 될 것이다. 또한 수차혼합에 의한 환경영향평가 방법에 관해서도 앞으로 정량적 평가를 위한 지침을 얻었다. 프로토 타입 시스템 설계와 실증 플랜트의 설계에서 실제 장치 제작 및 설치를 위한 다양한 자료가 정량적으로 얻어졌다. 이것에 의해 실제 해역에의 실증 플랜트 설계를 위한 기초가 구축되었다고 할 수 있다.

시스템 성능평가 시험방법에 관해서 계측시스템 및 노하우를 축적하였기 때문에 유사한 조류발전 개발 프로젝트 등에서 터빈 성능평가, 플랫폼 종합성능평가를 실시하는 데 이용할 수 있다. 또한 탄성터빈 설계 프로그램을 이용하여 새로운 프로젝트 등에서 상정된 설치 해역에 맞추어 터빈 형상 등을 제공할 수 있다. 비용평가 시스템은 프로토 타입 시스템, 실증 플랜트 시험 설계 시의 비용평가에 활용할 수 있어 조류발전시스템의 건설비용 및 발전비용의 참고자료가 된다. 앞으로 개발하는 발전시스템의 실용성을 검토하고, 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

▣ 원문제목 : 日本沿岸域に適した低コスト潮流発電 システムの開発

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************