유속 증폭용 플랜지타입 디퓨저가 적용된 부유식 해류발전 터빈의 성능 해석에 관한 연구

Abstract

현재 세계는 화석연료의 고갈과 환경오염, 지구 온난화 등 화석에너지 사용에 따른 부정적 부산물로 인하여 난관에 봉착하였다. 환경기구에서는 각종 규제를 만들어 화석 연료의 사용을 저감시키기 위해 노력하고 있고, 전 세계적으로도 이러한 문제를 해결하기 위해 환경 친화적이고 미래지향적인 신재생에너지시스템 개발에 집중하는 추세이다. 이미 많은 종류의 신재생에너지가 개발되어 있지만 경제성이라는 문제로 인해 실질적으로 상용화된 신재생에너지 발전방식은 편향적일 수밖에 없다. 유럽에서 오랜 연구와 실험을 바탕으로 하는 풍력발전은 이미 보급 경제성을 확보하여 신재생에너지 발전의 대부분을 차지한다. 하지만, 이제는 육상에서의 에너지 발전은 한계에 도달하고 있다. 육상에서 신재생에너지 발전기를 설치하기 위해서는 주민 수용성, 발전가능 에너지 자원을 고려한 설치부지 확립과 같은 다양한 문제점이 존재하기 때문에 우리는 해양으로 초점을 돌려야 할 때이다. 지구는 약70%가 바다이며 엄청난 에너지를 잠재하고 있다. 또한 육지에서의 발전방식이 가지는 여러 가지 한계점들에 대해 자유롭기 때문에 무한한 가능성을 가진다. 그중 해류는 연중 일정한 방향으로 흐르기 때문에 다른 신재생에너지와 비교하면 발전량 안정성 측면에서 뛰어나다. 또한 풍력발전과 비교하면 바람에 비해 높은 해수의 밀도 특성이 동일 면적 당 높은 발전량을 가능케 한다. 해류 발전의 중요한 요소는 해수의 속도이며 유속이 높을수록 발전량이 증가하고 그에 따라 경제성이 확보된다. 일본을 지나는 쿠로시오 해류는 평균유속이 1m/s 이상이기 때문에 해류발전의 최적지이다. 이미 일본에서는 해류발전에 대하여 많은 연구와 실험을 하였고 최근에는 세계최초 실증 가동에도 성공하였다. 해류 발전용 터빈의 구동을 위해서는 최소 1m/s 이상의 유속이 확보되어야 한다. 그러한 조건에서 디퓨저를 이용하면 유속증폭효과를 활용하여 발전량과 발전효율을 높힐 수 있다. 본 논문에서는 디퓨저의 유속 증폭 효과를 최대화시켜서 해류발전 터빈의 성능향상을 목표로 하였다. 설계 유속, 정격 발전량 등을 고려하여 해류 발전용 터빈을 설계하였고, 디퓨저를 적용한 후 CFD 성능 해석을 진행하여 효율을 계산하였다. 또한 단일 디퓨저의 해석과 디퓨저 개수 및 디퓨저 간 거리에 따른 디퓨저 중심부 및 디퓨저 단면 유속의 변화를 확인하였다. 그리고 디퓨저의 유속 증폭 효과가 최대인 조건을 선별하여 해류발전 터빈의 성능해석을 수행 하였다.