CFD를 활용한 조류발전용 디퓨저의 최적설계 및 터빈성능해석에 관한 연구

Abstract

우리나라의 연안은 총 1,400만kW의 해양에너지가 부존되어 있는 것으로 추정되며, 특히 세계적으로 보기 드문 조류발전의 적지이다. 삼면이 바다인 우리나라는 해양에너지의 잠재량이 높고, 이용하는데 매우 유리한 환경을 갖고 있다. 조류발전은 조력발전과 달리 댐을 만들 필요가 없으며, 조류의 흐름이 빠른 곳을 선정하여 그 지점에 수차발전기를 설치하고, 자연적인 조류의 흐름을 이용하여 설치된 수차발전기를 가동시켜 발전하는 기술이다. 조류터빈은 조류속도가 빠를수록 발전량이 증가하며 그에 따라 경제성이 확보된다. 하지만 선행연구들의 결과에서 조류터빈의 경제성을 확보하기 위해서는 평균 유속이 2m/s 이상인 곳에 설치되어야 하므로 설치 장소에 대한 제한이 있다. 조류터빈시스템의 출력향상을 위한 연구들이 진행되고 있으며, 이러한 연구들은 터빈으로 유입되는 유속을 증가시키거나 상반전과 같이 터빈을 추가하여 사용하는 방법이 주를 이룬다. 본 논문에서는 낮은 유속지역에 적합한 조류발전장치 개발을 목표로 하며, 조류터빈의 성능향상을 위해 단방향의 디퓨저를 결합하여 유체의 흐름에 따라 발생하는 디퓨저 전후단의 압력차를 이용하여 조류터빈으로 유입되는 유속을 증가시키고자 하였다. 첫 번째 해석으로 NACA 및 S시리즈 에어포일을 적용한 조류발전터빈을 각각 설계하였으며, 이 터빈들에 대한 성능해석을 수행하였다. 또한, 유입 유속의 증가를 위해 조류발전에 적합한 디퓨저를 설계하여 CFD해석을 통해 내부유속 변화를 확인하였다. 그리고 디퓨저를 적용한 조류발전터빈의 성능해석을 수행하였으며, 장치의 스케일에 따른 CFD해석을 통해 터빈의 출력계수의 경향성을 확인하였다.

| It is estimated that there are 14,000,000 kW of marine energy in the coastal area of ​​Korea, especially in the case of low tidal currents in the world (Yang et al., 2006). So, there is a very favorable environment for use that energy potential. Unlike tidal power generation, tidal current generation does not need to build a dam, requirements are to select a place where the flow of the tidal current is fast enough to install and operate a water turbine generator. Faster the flow velocity, greater the power generation of the tidal turbine and the economic efficiency is secured accordingly. However, according to the results of previous studies, it is necessary to install the turbine at an average flow rate of 2 m/s or more in order to economically secure the turbine. Studies are underway to improve the output of the turbine system. These studies are mainly focused on increasing the flow rate to the turbine or adding the turbine as before. In this paper, it is aimed to develop a tidal power generation device suitable for low flow area. To improve the performance of a tidal turbine, a unidirectional diffuser is combined into a tidal turbine in order to increase the flow rate. In the first analysis, a tidal power turbine with NACA and S series airfoils was designed, and the performance of these turbines was analyzed. In order to increase the inflow velocity, a diffuser suitable for tidal power generation was designed and CFD analysis was used to confirm the internal velocity change. The performance analysis of the turbine with diffuser was performed and the trend of the turbine power factor was confirmed by CFD analysis according to the scale of the device.