파력발전장치 발전성능평가를 위한 파랑에너지 자료 구축

박지용(J.Y. Park),고태경(T.K. Ko),최종수(J.S. Choi),김경환(K.H. Kim),이정기(J.K. Lee),김길원(G.W. Kim),신승호(S.H. Shin),백원대(W.D. Baek) 한국해양환경·에너지학회 2019 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11

파력발전장치의 설계시 설치 대상해역의 정확한 파랑에너지 자료 구축은 장치의 발전성능 최대화와 경제성 확보를 위해 중요한 요소이다. 파력발전장치가 설치되는 해역의 파랑환경에 따라 그에 적합한 장치의 형상뿐만 아니라 전체 에너지변환장치의 구성까지 변화하게 된다. 본 연구에서는 파력발전장치의 설계시 발전성능평가를 위하여 설치적지의 파랑에너지 자료를 구축하였다. 이를위해 제주도 서쪽해안 파력실해역 시험장 해역에 부이식 파고계를 설치하여 2018년 9월에서부터 2019년 8월까지 1년간 파랑을 계측하였다. 계측된 결과를 통해 연간 유의파고-에너지 파주기 분포표를 완성하였고, 파주기별, 파고별, 파향별 특징을 분석하였다. 본 연구를 통해 얻어진 연간 유의파고-에너지 파주기 분포표를 활용하여 추후 연구되는 파력발전장치의 연간 발전성능평가가 가능하고, 파력발전장치의 최적설계를 달성할 수 있다. When designing wave energy converters, establishment of accurate wave energy data in the installation target area is an important process to maximize power generation performance and securing economic feasibility. According to the wave environment of the sea area where the wave energy converter is installed, not only the suitable shape of the device but also the configuration of the entire energy conversion system is changed. In this study, wave energy data for performance assessment of wave energy converter were established. A buoy-type wave measurement instrument was installed in the open sea test site on the west coast of Jeju Island, and the wave was measured for one year from September 2018 to August 2019. Through the measured results, the annual significant wave-energy period scatter diagram was completed, and the characteristics of wave period, wave height, and wave direction were analyzed. Using the annual significant wave-energy period scatter diagram obtained through this study, it is possible to evaluate the annual power generation performance and to achieve the optimum design of the wave energy converter.

일정경사면에서의 파에너지 바닥마찰손실계수

유동훈(Yoo, Dong-Hoon),엄호식(Eum, Ho-Sik),장문엽(Jang, Moon-Yup) 한국해안해양공학회 2010 한국해안해양공학회 논문집 Vol.22 No.2

파에너지는 쇄파되기 이전까지 주로 해저면과의 마찰력에 의하여 감소한다. 파마찰력을 산정하기 위한 연구는 여러 연구자들에 의해 진행되어 왔으며 어느 특정지점에서의 파마찰력 또는 파마찰손실률은 선형파이론으로 주어지는 해저면 입자유속과 연관된 파마찰계수의 도입으로 상당히 정확하게 간단하게 산정할 수 있다. 그러나 장구간에 걸쳐 파마찰력에 의하여 점차적으로 감소되는 파고변이는 상당한 반복 과정을 거쳐야 산정할 수 있었다. 본 연구에서는 기존 경험식을 이용해 전난류, 완난류 경우에 대해 일정경사면에서 천수효과와 마찰손실에 의한 파고 변화를 비교적 간단한 방법으로 추정하는 방법을 제시하였다. 해빈경사가 일정할 때 파고 변이률은 천수계수와 파고 마찰손실계수의 곱으로 간단히 구할 수 있다. 실제 해안과 비슷한 조건의 경우에 대하여 반복시산 과정으로 구한 수치와 간편 산정식으로 간단히 계산한 결과를 비교하여 제시하였다. Wave energy is dissipated mainly by friction on the seabed until the waves reach the surf zone. Many researchers have investigated the mechanism of wave friction and the bottom shear stress induced by wave motion at a certain point is now well estimated by introducing the wave friction factor related to the near bed velocity given by linear wave theory. The variation of wave energy or wave height over a long distance can be, however, estimated by an iteration process when the propagation of waves is strongly influenced by bed friction. In the present study simple semi-theoretical equation has been developed to compute the variation of wave height for the condition of wave propagation on a constant beach slope. The ratio of wave height is determined by the product of shoalng factor and wave height friction factor (frictional wave energy dissipation factor). The wave height estimated by the new equation is compared with the wave height estimated by the solution of numerical integration for the condition that the waves propagate on a constant slope.

파랑 관측 자료 기반 제주 서해 파랑자원의 분석

김정석,박지용,최종수,신승호 한국해양환경·에너지학회 2020 한국해양환경·에너지학회지 Vol.23 No.1

In this study, we discussed the characteristics of wave energy resources using long-term ocean wave observation data in the west sea of Jeju. The seasonal variation of the sea state according to the climate of the target sea was confirmed through the characteristics of the ocean wave. The characteristics of ocean wave and the wave energy were analyzed by dividing the periods affected by continental and maritime climate. In winter, due to the influence of the inland climate, the sea state with high wave energy was sustained, and the wave energy during this period was evaluated as having high utilization value as a resource. Through the analysis of ocean wave and wave energy, basic concept for operating the wave energy converters in the target area was established and proposed. This is expected to be used as basic data in planning the utilization of wave resources in the west sea of Jeju. 본 연구에서는 제주 서해의 장기 해양파 관측 자료를 활용하여 파랑에너지 자원의 특성에 관해 논하고자한다. 해양파의 출현 특성을 통해 대상해역 기후에 따른 해상상태의 계절 변동을 확인하였다. 대륙성 및 해양성 기후가 영향을 미치는 기간을 구분하여 해양파의 출현특성과 파랑에너지의 양과 변동 특성을 분석하였다. 겨울철에는 대륙성 기후의 영향으로 인하여 높은 파랑에너지를 갖는 해상상태가 지속되는 특징을 보였고, 이 기간의 파랑에너지는 자원으로서 활용가치가 높은 것으로 평가되었다. 여름철에는 해양성 기후의 영향으로 겨울철과는 상반된 특징을 보였다. 해양파와 파랑에너지에 대한 분석을 통하여 대상해역에서 파력발전장치를 운용하기 위한 기본 개념을 수립하여 제안하였다. 이는 제주 서해의 파랑자원의 활용을 계획함에 있어서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Numerical and Experimental Analysis of Wave Energy Extraction Performance according to the Chamber Shape of the Sloped OWC Wave Energy Converter Connected to the Breakwater

Hyunjai Yang(양현재),Hyen-Cheol Jung(정현철),WeonCheol Koo(구원철) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

In this study, the performance of a sloped oscillating water column (OWC) wave energy converter (WEC) is investigated by numerical and experimental results. In the experiment, using a two-dimensional mini wave tank, incident waves were generated through a piston-type wave maker and proceeded to an OWC chamber. Various shape parameters of the chamber were used to examine the wave energy extraction performance, such as the draft of skirt and gap of the chamber. In the numerical analysis, a sloped OWC WEC was modeled in the time domain by using a two-dimensional fully nonlinear numerical wave tank (NWT). The nonlinear free surface boundary conditions were devised to represent wave behavior in the sloped OWC chamber including the viscous loss at the chamber entrance and the effect of pneumatic pressure due to wave column motion. The free surface elevations in the sloped chamber were calculated at various incident wave heights and periods. For verification, the numerical results were compared with the experimental results. It was confirmed that the sum of each energy component of the OWC WEC system was the same as the incident wave energy, and thus the total energy in the system was conserved. As a result, the maximum efficiency of a sloped OWC WEC was about 40% of the incident wave energy with an optimal condition.

기포장막으로 인한 파 에너지 감소 효과에 관한 실험적 연구

장성철,김민수,이상협,윤한삼 한국해양환경·에너지학회 2020 한국해양환경·에너지학회지 Vol.23 No.4

In this experimental study, the two-dimensional hydraulic model experiments were conducted to examine the effect of attenuating the surface wave energy due to the bubble curtain generated by releasing compressed air from a perforated pipe. Rising bubbles in the bubble curtain induce vertical current, which produces horizontal currents flowing away from the bubble curtain area in both directions. In this study, wave experimental system was constructed in consideration of the incident wave conditions, the depth of the perforated pipe and the air flow rate due to find main factors of the wave attenuation effect of the bubble curtain. From the results of this experimental study, it was confirmed that the attenuation of wave energy due to the bubble curtain is very closely related to the air flow rate generated from perforated pipe, the depth of air source and the incident wave condition. In particular, it was found that the bubble curtain can have a great influence on the control of the short periodic wave and the greater the relative depth and wave slope of the incident wave is the more effective. 본 실험연구에서는 다공관에서 압축공기를 방출하여 생성되는 기포장막으로 인한 파 에너지 감소 효과를 살펴보기 위해 2차원 단면 수리모형실험을 수행하였다. 기포장막에서 상승 기포는 수직 흐름을 유도하고 기포장막 영역에서 양방향으로 멀어지는 수평흐름을 생성한다. 본 연구에서는 기포장막의 파 에너지 감쇠 효과의 주요 요인을 알아보기 위하여 입사파 조건과 다공관의 설치 깊이 그리고 공기배출량을 고려하여 실험시설을 구축하였다. 결과적으로 본 실험연구를 통해 기포장막으로 인한 파 에너지 저감에는 다공관에서 발생하는 압축공기의 배출량, 다공관의 설치 수심, 입사파 조건과의 상관관계가 매우 밀접하게 관련이 있음을 나타냈다. 특히 기포장막은 단주기파의 제어에 큰 영향을 줄 수 있는 것을 확인할 수 있었으며, 입사파의 상대수심 및 파형경사가 클수록 효과적임을 알 수 있었다.

파력발전장치 설계를 위한후포 연안의 파랑 분석 및 스펙트럼 추정

권혁민(Kweon, Hyuck-Min),조홍연(Cho, Hongyeon),정원무(Jeong, Weon-Mu) 한국해안해양공학회 2013 한국해안해양공학회 논문집 Vol.25 No.3

파력변환장치에는 여러 가지 형식이 있으며 지점흡수식이 가장 많이 연구되고 있다. 하지만, 국내외적으로 진동형 전력부이 형식의 설계를 위한 계통적 실측자료 분석 예는 찾기가 어렵다. 본 연구는 권 등(2010)에 의해 제안된 지점흡수식인 공진형 파동에너지 추출시스템에 작용하는 파랑외력을 산정하고자 한다. 본 연구는 경북 동해안에 위치한 후 포항 북방파제 전면수역에서 수압식 파고계를 이용하여 약 3년동안 관측한 자료(2002년 5월 1일~2005년 3월 29일)를 대상으로 시계열 스펙트럼을 분석하였다. 분석결과, 월별주기변동과 파고변동이 뚜렷하게 나타나며 월별 파력이 년 간 불균등하게 분포함을 알았다. 상시파랑의 평균 파형경사는 풍파영역인 0.02-0.04보다 작은 0.01이였다. 년 중 파의 평균주기의 최빈값은 5.31 sec 이며 본 주기에 해당하는 파고 중 최빈 파고는 0.32m이다. 첨두 주기의 발생확률은 이산형(bi-modal)으로 나타나며 4.47 sec와 6.78 sec에서 mode값을 보인다. 설계주기는 이러한 4개의 값으로부터 선택할 수 있다. 파고는 1m 이하가 약 95%를 차지하고 있다. 본 연구를 통하여 파력이 미약한 해역에서는 공진형 파력 시스템이 필요하며 파력의 월별 불균등 분포를 극복하기 위한 최적설계가 전력생산단지(Wave Energy Farm) 형성을 위한 주요한 과제임을 알았다. 본 연구는 상시파랑의 평균스펙트럼에 대하여 표준스펙트럼으로 표현이 불가능하여 3개의 매개변수로 표현이 가능한 새로운 스펙트럼형을 제안하였으며 파력부이에 의한 전력생산 예측과 피로해석을 위한 기본 자료를 제공할 수 있다. There exist various types of the WEC (Wave Energy Converter), and among them, the point absorber is the most popularly investigated type. However, it is difficult to find examples of systematically measured data analysis for the design of the point absorber type of power buoy in the world. The study investigates the wave load acting on the point absorber type resonance power buoy wave energy extraction system proposed by Kweon et al. (2010). This study analyzes the time series spectra with respect to the three-year wave data (2002.05.01~2005.03.29) measured using the pressure type wave gage at the seaside of north breakwater of Hupo harbor located in the east coast of the Korean peninsula. From the analysis results, it could be deduced that monthly wave period and wave height variations were apparent and that monthly wave powers were unevenly distributed annually. The average wave steepness of the usual wave was 0.01, lower than that of the wind wave range of 0.02-0.04. The mode of the average wave period has the value of 5.31 sec, while mode of the wave height of the applicable period has the value of 0.29 m. The occurrence probability of the peak period is a bi-modal type, with a mode value between 4.47 sec and 6.78 sec. The design wave period can be selected from the above four values of 0.01, 5.31, 4.47, 6.78. About 95% of measured wave heights are below 1 m. Through this study, it was found that a resonance power buoy system is necessary in coastal areas with low wave energy and that the optimal design for overcoming the uneven monthly distribution of wave power is a major task in the development of a WEF (Wave Energy Farm). Finding it impossible to express the average spectrum of the usual wave in terms of the standard spectrum equation, this study proposes a new spectrum equation with three parameters, with which basic data for the prediction of the power production using wave power buoy and the fatigue analysis of the system can be given.

Correction Factor for Assessment of Nearshore Wave Energy

김건우(Kim, Gunwoo),정원무(Jeong, Weon Mu),전기천(Jun, Kicheon),이명은(Lee, Myung Eun) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

Previously, many researchers assessed nearshore wave energy in two ways. The first is a simulation with respect to the offshore wave time series to validate the wave buoy data and the wave model results, and the other is to simulate the representative waves of typical seasonal wave conditions. The former requires enormous computational time and effort. The latter yields inspection on the patterns for the spatial and temporal distribution of nearshore wave energy but tends to underestimates the amount of wave energy in the nearshore region owing to the correlation between the significant wave height and wave period. ozger et al. (2004) derived the stochastic wave energy formulation by introducing a correction factor explicitly in terms of the covariance of the wave energy and significant wave height. In this study, a correction factor was applied for the assessment of nearshore wave energy obtained by numerical simulation of wave transformation with respect to representative waves.

다물체 동역학을 이용한 파력발전기의 동적거동 분석

장진석(Jin Seok Jang),손정현(Jeong Hyun Sohn) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.12

본 논문에서는 파도의 에너지를 전기에너지로 변환하는 파력발전시스템에 대해 다루며, 발전기 및 12개의 암을 가진 가동물체형 파력발전기를 기구학적 구속조건을 이용하여 다물체 동역학 모델링하였다. 새롭게 제안하는 파력발전기의 기어 메커니즘과 구속방정식 및 전달되는 힘요소에 대해 동역학적으로 모델링하였다. 파력은 시간영역에서 모리슨 방정식을 이용하여 수치적으로 계산하여 모델에 적용하였다. 시스템 거동해석을 위해 상용 다물체동역학 해석프로그램인 MSC/ADAMS를 이용하였다. 파력발전시스템의 파도에 대한 안정성을 검토하고 동적 거동 특성을 분석하였다. 하중에 따라 거동 특성을 분석한 결과 Yaw 운동은 상대적으로 적게 나타났으며 파고 1 m 이상일 경우 충분한 운동에너지가 발생함을 알 수 있다. This paper discusses an energy system that can convert wave energy into electrical energy. This wave energy generation system is movable and has 12 arms and one generator. A multibody dynamic model for this system is established by using kinematic constraints. A gear mechanism, several kinematic constraints, and force elements are included in the model. Wave forces are obtained numerically from the time domain formulation based on the Morison equation. The MSC/ADAMS program is employed to carry out dynamic analysis of the wave energy generation system. The dynamic behavior responses of this system are analyzed for design verification. According to the results of the dynamic analysis, the yaw motion is relatively stable and kinetic energy sufficient to generate electrical energy is obtained when the wave height exceeds 1m.

A study on design and modeling of a Wave Energy Converter

윤종일(Yoon, JongIl),안경관(Ahn, KyongKwan),딩광쪙(Dinh, Quang Truong),황후티엔(Hoang, Huu Tien) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

Motions in nature, for example ocean wave, has been playing a significant role for generating electricity production in our modern life. This paper presents an innovative approach for electric power conversion of the vast ocean wave energy. Here, a floating-buoy wave energy converter (WEC) using hydrostatic transmission (HST), which is shortened as HSTWEC, is proposed and designed to enhance the wave energy harvesting task during all wave fluctuations. In this HSTWEC structure, the power take-off system (PTO) is a combination of the designed HST circuit and an electric generator to convert mechanical energy generated by ocean wave into electrical energy. Several design concepts of the HSTWEC have been considered in this study for an adequate investigation. Modeling and simulations using MATLAB/Simulink and AMESim are then carried out to evaluate these design concepts to find out the best solution. In addition, an adaptive controller is designed for improving the HSTWEC performance. The effectiveness of the proposed HSTWEC control system is finally proved by numerical simulations.

웨이브 글라이더 메커니즘을 이용한 이동형 파력발전 시스템의 성능 테스트와 최적 설계에 관한 연구

조한길(Hangil Joe),유선철(Son-Cheol Yu) 한국해양공학회 2018 韓國海洋工學會誌 Vol.32 No.5

This paper reports a novel mobile-type wave energy harvesting system. The proposed system adopts a wave glider’s propulsion mechanism. A wave glider’s blades were mounted on a circular layout and generated a rotational motion. Combining the wave converting system with the wave glider, a mobile floating-type robotic buoy system was developed. It enabled the relocation of the buoy position, as well as station-keeping for long term operation. It had a small size and could efficiently harvest wave energy. A feasibility study and modeling were carried out, and a prototype system was constructed. Various tank tests were performed to optimize the proposed wave energy harvesting system.