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불규칙파중 파랑에너지 변환 극대화를 위한 원기둥 형상 설계
김정록(J. R. Kim),현종우(J. W. Hyeon),조일형(I. H. Cho) 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.11
본 연구에서는 파랑중 원기둥과 선형발전기가 서로 연결되어 있을 때, 원기둥의 수직운동을 통하여 추출되는 파워를 시간영역에서 해석하였다. 먼저, 선형 포텐셜이론에 근거한 경계치 문제를 고유함수전개법을 이용하여 풀어 파기진력과 동유체력을 주파수 영역에서 구하고, 이 값들을 이용하여 시간영역 운동방정식을 Newmark β 수치적분법을 사용하여 풀었다. 불규칙파중 최대 파력을 추출하기 위하여 스펙트럼의 최대주파수와 수직운동의 고유주파수를 일치시키는 공진개념을 이용한다. 그러나 이 경우 공진주파수에서 큰 추출 파워를 얻을 수 있지만 원기둥의 흘수가 너무 길어지고 추출할 수 있는 주파수 범위가 극히 제한된다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 최대 파워를 얻기 위한 새로운 설계 전략을 제안하였다. 즉, 수직운동 고유주파수를 스펙트럼의 최대주파수보다 크게 의도적으로 일치시키지 않게 설계하면 추출파워를 실제로 증가시킬 수 있음과 동시에 원기둥의 흘수를 줄일 수 있다. 새로운 설계 전략은 선형발전기를 장착한 파력발전장치를 설계하는데 장점으로 유용하게 활용될 것이다. In this study, the wave power extracted from the heaving motion of a circular cylinder connected with a linear electric generator is analyzed in time-domain. First of all, the wave exciting and hydrodynamic forces in frequency-domain is to be obtained using matched eigenfunction expansion method based on the linear potential theory. Using the frequency-domain results, the equation of motion in time-domain is solved by Newmark"s β numerical method. In order to obtain the maximum power in irregular waves, the resonance phenomena can be used by tuning the heave natural frequency with the peak frequency of incident wave spectrum. Under these resonance condition, the peak value of power can be increased at the resonant frequency, but the draft of cylinder becomes deep too and the bandwidth of the extracting power is reduced. Therefore, new design strategy is proposed to further enhance the maximum power, which includes the intentional mismatching between heave natural frequency with higher value and peak frequency of input wave spectrum. By using the intentional mismatching strategy, the generated power is actually increased, and the draft of cylinder is significantly reduced, which is a big advantage in designing the WEC with practical linear electric generator system.