국내 조류자원에 적합한 수평축 터빈의 BEMT 검증 및 성능해석

Abstract

우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 다양하고 폭넓은 지역에서 해양에너지를 얻을 수 있으며 이를 대규모로 이용할 수 있다. 특히 조류발전은 조류와 간만의 차를 이용한 해양에너지 자원으로서 바닷물의 운동에너지를 이용하여 회전 운동으로 변환시켜 발전을 하는 방식의 재생에너지이다. 풍력, 태양광 등과 같은 재생에너지는 정확한 발전량을 예측하기 어려운데 반해 조류는 비교적 정확한 예측이 가능하다. 조력발전과 달리 댐이나 방조제와 같은 대형 구조물을 건설할 필요가 없으며 친환경적인 청정 에너지원이 될 수 있다. 조류발전시스템에서 1차적으로 에너지를 변환하는 터빈은 전체 시스템 효율을 결정하는 중요한 요소이다. 조류터빈 설계기법은 운용원리가 같은 풍력터빈 이론에 기반을 두고 있으며 작동유체의 상이함과 레이놀즈수의 차이를 고려해야 한다. 터빈 블레이드 단면형상을 결정하는 익형 또한 항공기나 풍력터빈을 위해 개발이 되어 있으므로 조류발전용 터빈에 직접 적용할 경우 최적 받음각 및 양력, 항력계수 등에 오류를 내포될 수 있다. 하지만 익형 성능데이터 확보의 어려움으로 다수 선진 연구자들이 X-Foil과 같은 Panel법 기반 2차원 성능예측 코드에 의존하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 미국의 NREL(National renewable energy laboratory)에서 풍력발전용으로 개발한 S814 익형과 S823 이용하여 조류 터빈 설계를 수행하였다. 일차적으로 S823 익형과 S814 익형을 이용하여 10W급 조류터빈용 블레이드를 설계 제작하여 실험을 하였으며 실험결과와 수치해석결과 비교 검증하였다. 이차적으로 10W급 조류발전용 블레이드 설계를 바탕으로 익형 S814를 이용한 익형 성능분석 결과를 기반으로 날개요소운동량 이론(Blade element momentum theory, BEMT)을 이용한 1MW급 조류발전용 블레이드를 설계하였으며 CFD 해석기법을 통해 설계된 터빈의 3차원 유동해석을 통해 유속별 (Power Coefficient)곡선, 출력곡선 등을 도출하고 성능 평가하였다. 또한, 블레이드 형상의 유동특성 및 출력성능을 비교 검토하기 위해 날개 끝 속도비 별로 CFD을 수행하였으며 블레이드의 각각의 국부위치에서 압력계수와 출력성능을 검토하였다. CFD에 의한 기계적 최대출력계수는 설계 날개 끝 속도비 5의 조건에서 48%로 나타내었고 주속비에 따른 유체-구조 연성해석(FSI)을 수행하여 조류발전 터빈의 블레이드에 대한 안전성 및 안정성을 분석하였다.