
이중 부유체 방식 파력발전장치의 운동특성에 관한 모형시험 연구






초록
본 연구에서는 이중 부유체 방식의 파력발전장치의 운동특성에 대한 모형시험을 수행하였다. 이중 부유체 방식은 스파형 플랫폼과 스파형 플랫폼을 따라 상하로 움직이는 플로터로 구성되어 있으며, 각 부유체 단독 및 연성운동에 대한 일련의 모형시험이 진행되었다. 본 모형시험에서는 규칙파, 백색잡음파 및 불규칙파을 고려하였으며, 불규칙파의 경우 제주 및 울산 지역을 대표하는 파랑 조건을 반영하였다. 모형의 축척비는 1/31.5이며, 롤러를 이용하여 플로터가 스파형 플랫폼을 따라 상하로 자유롭게 움직일 수 있도록 구현하였다. 스파형 플랫폼 및 플로터의 단독 모형시험을 통해 각 부유체의 운동특성을 확인하였고, 이를 수치해석 결과와 비교하여 유체역학적 거동 특성을 분석하였다. 분석 결과, 두 부유체 연성운동을 고려한 모형시험 결과를 토대로 각 부유체의 단독 모형시험 결과와 비교 및 분석을 통해 연성 효과로 인해 변화된 운동 특성에 대하여 논하였다. 분석 결과, 두 부유체가 연성됨에 따라 플로터의 종동요 운동이 제한되었으며, 이에 따라 스파형 플랫폼의 전후동요가 증가하는 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 도출된 모형시험 결과는 수치해석 참고자료로 활용될 수있으며, 두부유체연성시 파력발전 시스템의 운동성능 저하를 방지하기 위한 계류시스템 설계의 기초자료로 활용가능하다.
Abstract
In this study, model tests were conducted to investigate the motion characteristics of a two-floating body wave energy converter. The two-floating body system consists of a spar-type platform and a floater that moves up and down along the platform. A series of model tests were performed on the independent and coupled motions of each floating body. The tests considered regular waves, white noise waves, and irregular waves, with the irregular waves representing wave conditions from the Jeju and Ulsan sites. The scale of the model was 1/31.5, and a roller was used to allow the floater to move freely up and down along the spar-type platform. The motion characteristics of each floating body were verified through the spar-type platform only and the floater only tests, and these results were compared with numerical analysis results. In the coupled motion tests of the two floating bodies, the coupled motion characteristics were analyzed by comparing them with the results from the each platform only tests. As a result, it was found that coupling the two floating bodies restricted the pitch motion of the floater, leading to an increase in the surge motion of the spar-type platform. The results of these model tests can provide reference data for numerical analysis and offer foundational insights for designing mooring systems aimed at mitigating the degradation of motion performance in WEC systems under coupled motion conditions.
Keywords:
Model test, Spar-type platform, Floater, Surge motion, Pitch motion키워드:
모형시험, 스파형 플랫폼, 플로터, 전후동요, 종동요1. 서 론
파력발전은 재생 가능한 에너지원 중 하나로, 해양에서 발생하는 파랑의 에너지를 전력으로 변환하는 기술이다. 일반적으로 파력발전장치는 1차 에너지변환 즉, 파랑에너지 흡수방법에 따라 크게 진동수주형(Oscillating water column), 월파형(Overtopping), 가동물체형(Oscillating body) 파력발전장치로 구분될 수 있다. 진동수주형 및 월파형 파력발전장치의 경우에는 유지보수에 용이하고, 방파제 등과의 통합을 통해 상대적으로 좁은 면적에서 대규모 설비로 활용될 수 있는 장점이 있다. 반면, 가동물체형 파력발전장치는 상대적으로 소형화가 가능하며 높은 에너지 변환 효율을 특징으로 한다. 가동물체형 파력발전장치 중 점 흡수식(Point-Absorber) 파력발전장치는 파랑 에너지를 효율적으로 직접 흡수할 수 있는 특성을 지니고 있어, 최근 해양 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 점 흡수식 파력발전장치는 일반적으로 단일 혹은 다수의 부유체를 사용하여 파도의 운동에 의해 발생하는 힘을 유압 또는 기계 등 변환 장치로 전달하는 방식으로 작동한다. 점 흡수식 파력발전장치의 성능 최적화를 위하여서는 장치의 운동특성을 정밀하게 분석하는 것이 필수적이며, 장치의 동적 거동은 다양한 파랑 조건과 해양 환경에 따라 상이하게 나타나므로 이를 반영한 운동 해석이 요구된다. 수치해석과 모형시험은 점 흡수식 파력발전장치의 운동특성을 분석하는 두 가지 주요 방법으로, 이를 통해 장치의 성능 예측과 설계 최적화가 가능하다.
대표적인 단일 터미네이터 타입을 포함한 점 흡수식 파력발전장치로는 Salter'duck이 있으며, Salter [1974]에 의하여 개발되었다. 이는 전후 비대칭 형상을 활용하여 종동요 운동으로 파랑에너지를 흡수하는 파력발전장치이다. Count[1978], Vinje and Brevig[1981], Rapuc[2012], Poguluri and Bae[2018], Ha et al.[2019], Ha et al.[2023]은 2차원 소스 분포법, 시간영역해석, CFD 등을 활용하여 형상설계 및 유체역학적인 특성을 분석하였다. Salter et al.[1975], Salter et al.[1976], Jeffrey et al.[1976], Greenhow et al.[1982], Peacher[2011], Ko et al.[2019], Ha et al.[2020]는 모형시험을 활용하여 Salter's duck 형상 로터의 비선형 운동 특성 및 1차 에너지 변환 관련 연구를 수행하였다.
다수의 부유체를 활용한 대표적인 파력발전장치로는 이중 부유체 파력발전장치인 미국 OPT사(Ocean Power Technology)의 파워부이(PowerBuoy)가 있다. 해당 파력발전장치는 스파형 플랫폼과 플로터로 구성되어 있으며, 두 부유체의 상대운동을 활용하여 파랑 에너지를 흡수하는 방식을 채택하고 있다(Beatty et al.[2015]; Liang and Zuo[2017]; Sinha et al.[2016]; Guedes Soares et al.[2014]; Chau and Yeung[2010, 2012]; Cho and Kim[2017]). OPT사의 파워부이는 최근 스코틀랜드 인버고던(Invergordon)에서 실증 테스트를 성공적으로 완료하였다. 초기에 Falnes and Perlin[2003], Korde[2003]은 체적이 서로 다른 두 부유체의 상대운동을 이용한 파력발전장치를 고안하였으며, Wu et al.[2014]는 규칙파 중 파워부이 형태의 파력발전장치 1차 에너지 변환 효율에 대한 연구를 수행하였다. Muliawan et al.[2013]은 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 PTO(Power Take-Off system)와 계류시스템 설계 관련 연구를 진행하였다. Yu et al.[2018]은 NREL의 WEC-Sim 프로그램을 활용하여 OPT사의 스코틀랜드 실증 장치를 모사한 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 수치해석을 수행하고, 주요 형상 및 설계 제원을 공개하였다.
대부분의 파워부이 형태의 파력발전장치의 경우 미국, 유럽 등에서 연구들이 진행되어졌으며, OPT 사의 경우 상용화 단계에 접어들고 있다. 그러나 수치해석 결과만 일부 공개되었고 모형시험결과는 제공되지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 향후 국내 환경에 적합한 파워부이 형태의 파력발전장치 및 계류시스템 설계를 목표로 Yu et al.[2018]의 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 모형시험을 수행하였다. 본 모형시험을 통해 파력발전장치의 운동 특성을 분석하고, 수치해석 검증자료로 활용할 수 있도록 하였다.
2. 모형시험조건
2.1 대상모형
본 연구에서는 국내 해양환경에 적합한 파워부이 형태의 파력발전장치 및 계류시스템 설계를 위하여 Yu et al.[2018]에서 공개된 파워부이 형태의 파력발전장치를 기반으로 모형시험을 진행하였다. Yu et al.[2018]에서 공개된 파력발전장치 형상 및 본 모형시험에서 사용된 1/31.5 축척비의 모형은 Fig. 1, Table 1과 같다. 본 파력발전장치는 스파형 플랫폼과 이를 따라 상하로 운동하는 플로터로 구성되어 있으며, 스파형 플랫폼 하부에는 상하동요를 저감하기위한 대형 감쇠판이 설치되어 있다. Fig. 1b의 실험 모형에서 스파형 플랫폼을 따라 플로터가 원활하게 움직일 수 있도록 롤러를 설치하였으며, 스파형 플랫폼의 낮은 무게중심을 고려하기 위하여, 무게추를 설치할 수 있는 가이드를 감쇠판 하부에 설치하였다. 스파형 플랫폼의 경우 종동요 운동의 고유주기가 20초 이상으로 알려져 있다. 이는 일반적인 국내 해양환경에서는 상대적으로 작은 종동요가 발생할 가능성을 시사하며, 이에 따라 무게중심 보완을 위한 무게추 가이드의 유체역학적 영향은 상대적으로 크지 않다는 가정을 하였다. 모형시험은 선박해양플랜트연구소 대전 해양공학수조에서 수행되었으며, 두 부유체의 거동을 확인하기 위하여 스프링 계류를 활용하였다.
2.3 파도조건
본 모형시험에서는 파워부이 형태 파력발전장치의 RAO(Response Amplitude Operator)를 확인하기 위해 Table 2, Table 3 그리고 Table 4와 같이, 규칙파와 백색잡음파 조건을 고려하였다. 백색잡음파는 파력발전장치의 비선형 운동 특성을 분석하기 위하여 서로 다른 두 가지 파고 조건에서 실험이 진행되었다. 또한, 국내에서 파랑자원이 풍부한 제주 및 울산해역의 대표 파도조건을 반영하여, 향후 파워부이 형태의 파력발전장치 및 계류시스템 설계에 활용할 수 있는 참고자료를 제공하고자 하였다. 한편, 본 모형시험에서 입사파향은 파력발전장치의 형상이 원형임을 감안하여 180도 입사각만을 고려하였다.
3. 모형시험결과
3.1 플로터 단독 운동성능특성
본 연구에서는 규칙파 및 백샙잡음파 조건에서 플로터 단독 운동특성을 분석하였다. 플로터의 운동 특성은 대표적인 주파수 영역 해석프로그램인 WADAM 해석결과와 비교하였다. 전후동요(Surge)의 경우, 파주기 10초 이하의 조건에서 주파수 영역 해석 결과와 매우 잘 일치하는 것으로 나타났으나, 장주기 조건(10초 이상)에서는 실험 모형의 전후동요 크기가 상대적으로 증가하는 경향이 관찰되었다. 이러한 현상은 해양공학수조의 수심 제한으로 인해 발생하며, 장주기 파도조건에서 수조 바닥면과 파도의 상호작용으로 인한 영향을 반영한다. 구체적으로, 파속 저감에 따른 파장 감소가 파형 경사의 증가를 야기함으로써 상대적인 파랑 표류력 증가에 따라 전후동요가 커지는 것으로 볼 수 있다. 상하동요(Heave)의 경우, 주파수 영역 해석 결과에 따르면 파 주기 약 4초에서 고유주기 특성을 나타내며, 파 주기 4.5초 부근에서는 도넛형태의 플로터 형상으로 인해 상쇄주파수(Cancellation frequency) 특성이 관찰되었다. 또한 파주기가 7.5초 이상인 조건에서는 플로터가 입사파의 진폭에 선형적으로 비례하는 거동 특성을 보였다. 모형시험 결과는 플로터의 고유주기 부근에서 주파수 영역 해석 결과와 높은 유사성을 보였으나, 장주기 파랑 조건에서는 주파수 영역 해석 결과와 다른 운동 성능특성을 나타냈다. 이는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이, 플로터가 흘수 아래에서 경사(Taper)를 가지는 형상적 특성으로 인해 상하동요 운동 시 유체역학적 방사 및 점성 감쇠 특성이 변화한 영향으로 사료된다.
이러한 현상은 향후 Computational Fluid Dynamics(CFD)를 통하여 추가적으로 검증할 필요가 있다. 종동요(Pitch) 운동의 경우에는 주파수 영역 해석 결과와 모형시험 결과 간 높은 유사성이 확인되었다. 그러나 종동요 운동의 경우에는 스파형 플랫폼과 플로터 연결된 경우 운동이 제한될 수 있다.
3.2 스파형 플랫폼 단독 운동성능특성
스파형 플랫폼의 운동 응답 특성을 분석하기 위해 단독 모형시험을 수행하였으며, WADAM 주파수 영역 해석 결과와 모형시험 결과를 비교 하였다. 주파수 영역 해석 결과는 점성감쇠를 포함하지 않았다.
Fig. 3을 보면, 주파수 영역 해석 결과에서 스파형 플랫폼의 고유주기가 전후동요 약 20초, 상하동요 약 38초, 종동요 약 20초로 나타났다.
그러나 본 모형시험의 경우에는 해양공학수조 크기 및 파도를 생성하는 조파기 성능의 한계로 인하여 장주기의 모형시험 조건의 구현이 제한되었다. Fig. 4는 본 모형시험 조건에서 수행된 스파형 플랫폼의 운동 특성을 주파수 영역 해석 결과와 비교하여 나타내었다. 전후동요의 경우에는 Fig. 2에서 확인된 플로터의 운동과 마찬가지로 장주기 파도조건에서 해양공학수조 수심의 영향을 받을 수 있음을 확인하였다. 상하동요의 경우에 모형시험 결과와 수치해석 결과가 매우 잘 일치하였다. 종동요 운동의 경우, 모형시험 결과 및 수치해석 결과 간의 감쇠 계수 차이로 인한 일부 차이가 발생하였으나, 두 접근 방법에서 관찰된 파주기에 따른 운동 응답의 경향은 유사함을 확인할 수 있다.
3.3 규칙파 및 백색잡음파 중 연성운동성능특성
본 연구에서는 스파형 플랫폼과 플로터가 연결된 파워부이 형태의 파력발전장치의 연성운동 특성을 분석하기 위한 모형시험을 수행하였다. Fig. 5는 대표 규칙파 주기 조건(파주기 17.0초, 파고 3.0m)에서의 모형시험 중의 사진을 나타내며, 플로터가 스파형 플랫폼에 구속되어 거동하고 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 6은 스파형 플랫폼에 따라 거동하는 플로터의 운동 RAO를 보여주며, Fig. 7은 플로터와 연결된 스파형 플랫폼의 운동 RAO를 나타낸다. 여기서, 주파수 영역 해석결과는 스파형 플랫폼 및 플로터 각각의 단독 운동성능이다. 주파수영역해석에서 서로 근접해 있는 두 부유체의 연성해석은 상대적으로 어려운 문제이며, 향후 파워부이형 파력발전장치를 해석할 수 있는 프로그램 개발이 필요한 실정이다. Fig. 6과 Fig. 7에 따르면, 플로터의 전후동요 및 종동요 운동은 스파형 플랫폼의 거동에 의존적인 양상을 나타내었다. 여기서, Fig. 6과 Fig. 2의 상하동요를 비교하면, 플로터가 스파형 플랫폼에 연결되어도 상하동요 운동의 변화는 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 7에서는 플로터와 연성된 스파형 플랫폼의 상하동요 및 종동요가 플로터의 상하동요로 인해 상대적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 본 모형시험에서는 스프링 계류를 사용하여 두 부유체의 거동만을 분석하였으나, 플로터와 연결된 스파형 플랫폼의 수직운동 증가는 위상에 따라 향후 파력발전장치의 발전 효율 측면에서 영향을 미칠 수 있기 때문에, 이를 고려한 계류시스템 설계가 필요할 것으로 판단된다.
3.4 불규칙파 중 연성운동성능특성
본 연구에서는 불규칙파 조건에서 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 운동 성능 평가를 위한 모형시험이 수행되었다. 대표적으로 국내 제주 및 울산 해역 조건을 고려하여 운동성능평가를 진행하였으며, Fig. 8 및 Fig. 9는 각 해역의 파도 조건에서 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 운동성능 모형시험 사진을 보여준다. Fig. 5와 마찬가지로, 두 해역의 파도조건에서 플로터가 스파형 플랫폼의 거동에 따라 움직이는 것을 확인할 수 있다.

Snapshots for the wave energy converter model of PowerBouy type under the irregular wave for Jeju Island site (Tp = 4.5 s, Hs = 1.125 m).

Snapshots for the wave energy converter model of PowerBouy type under the irregular wave for Ulsan site (Tp = 7.0 s, Hs = 1.5 m).
Fig. 10은 제주 해역을 대표하는 대한 불규칙파 조건에서 플로터의 운동 시계열을 나타내며, 플로터 단독 시험 결과와 연성운동 시험결과를 직접 비교하였다. 앞서 언급한 것과 같이, 전후동요 및 종동요 운동은 스파형 플랫폼에 의해 제한될 수 있는 반면, 상하동요의 경우에는 두 시험 결과에서 유사한 거동을 나타내었다. Fig. 11은 제주 해역의 대한 불규칙파 조건에서 스파형 플랫폼의 운동시계열을 나타내며, 스파형 플랫폼 단독 시험 결과와 연성운동 시험 결과를 비교하였다. 불규칙파 조건에서는 스파형 플랫폼의 전후동요 및 상하동요가 플로터의 영향으로 인하여 단독 운동 크기보다 상대적으로 증가한 것으로 나타났다. 이는 향후 계류시스템 설계에 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 한편, 종동요의 경우에는 플로터 유무에 따라 운동 특성의 차이가 크지 않았는데, 이는 본 모형시험 조건에서 고려된 불규칙파 주기 범위가 상대적으로 단주기 영역에 해당하여 종동요 운동 변화가 크지 않은 것으로 해석된다.

Time histories for the floater motions under the irregular wave for Jeju Island site (Tp = 4.5 s, Hs = 1.125 m).

Time histories for the spar platform motions under the irregular wave for Jeju Island site (Tp = 4.5 s, Hs = 1.125 m).
Fig. 12 및 Fig. 13은 각 해역의 불규칙파 조건에서의 스파형 플랫폼 및 플로터의 주파수별 운동 특성을 직접 비교하기 위하여 나타낸 Fast Fourier Transform(FFT) 결과를 보여준다. 플로터와 스파형 플랫폼의 단독 운동 성능과 연성운동 성능을 직접 비교한 결과, 플로터는 스파형 플랫폼과 연계되었을 때 전후동요와 종동요가 스파형 플랫폼에 의해 제한되는 양상을 확인할 수 있다. 반면, 상하동요의 경우에는 스파형 플랫폼에 의한 영향이 크지 않다. 이는 플로터가 스파형 플랫폼과 연계되었을 때, 각 주파수별 운동 성분 크기에는 소폭 차이가 발생하지만, 스파형 플랫폼 운동이 가지는 각 고유주파수별 특징과 유사함을 확인할 수 있다. 또한, 스파형 플랫폼의 경우에는 플로터와 연계되었을 때, 플로터 거동에 의하여 전후동요 및 상하동요가 스파형 플랫폼 단독 운동크기에 비하여 상대적으로 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 파력발전장치의 설계 최적화 및 계류시스템 설계를 위해 중요한 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Fast Fourier Transform (FFT) results for the wave energy converter model motions of PowerBouy type under the irregular wave for Jeju Island site (Tp = 4.5 s, Hs = 1.125 m).
5. 결 론
본 연구에서는 파워부이 형태의 파력발전장치에 대한 일련의 모형시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 1. 발전성능 측면에서 중요한 플로터의 상하동요는 수면 하부의 국부 형상에 따른 유체역학적 방사 및 점성 감쇠 특성의 영향으로 인하여 주파수 영역 해석 결과와는 소폭 상이한 경향을 나타냈다. 또한 스파형 플랫폼에 연계 여부와 관계없이 상하동요 크기 변화는 크지 않은 것을 확인되었고, 발전성능 측면에서 플로터 운동성능 증대 및 위상변화를 위한 단독 설계 및 평가가 가능할 것으로 판단된다.
- 2. 플로터의 전후동요 및 종동요 운동의 경우에는 스파형 플랫폼과 연계되었을 때 스파형 플랫폼에 의하여 운동이 제한되는 것을 확인하였다. 다만 플로터의 운동제한으로 인하여, 스파형 플랫폼의 경우에는 플로터로 인하여 전후동요, 상하동요 및 종동요 운동 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 파력발전장치 설계 및 계류시스템 설계 시 중요한 참고 데이터로 활용될 수 있다.
- 3. 파워부이 형태의 파력발전장치 및 계류시스템 설계 시 두 부유체의 연성운동을 고려할 필요가 있으나, 두 부유체 간 좁은 공간에 갇힌 유동장의 수치 모델과 해석상의 어려움이 존재한다. 따라서, 본 연구 결과를 기반으로 수치 해석 기법을 개발하여 파력발전장치 및 계류시스템의 설계에 적용할 계획이다.
Acknowledgments
본 연구는 선박해양플랜트연구소에서 2025년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구(과제번호: KRIT-CT-23-026, 미래 기술 적응형 통합수중감시 특화연구센터)이며, 연구비 지원에 감사드립니다.
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