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표제지
목차
요지 10
제1장 서론 12
1.1. 연구 배경 및 목적 12
1.2. 연구 방법 및 내용 14
제2장 이론적 고찰 15
2.1. 신재생 에너지 15
2.1.1. 신재생에너지의 중요성 16
2.2. 해양 에너지 17
2.2.1. 해양에너지의 종류 19
제3장 조류발전 터빈 21
3.1. 조류발전 21
3.1.1. 조류에너지의 이론적 배경 23
3.2. 조류발전 터빈의 분류 25
3.2.1. 수직축 터빈(VAT: Vertical Axis Turbine) 27
3.2.2. 수평축 터빈 (HAT: Horizontal Axis Turbine) 28
3.3. 국내 조류발전의 동향 29
3.3.1. 인천 조류발전단지 32
3.3.2. 울돌목 조류발전 33
3.3.3. 장죽수도 조류발전 34
3.4. 국외 조류발전의 동향 34
3.4.1. 영국 35
3.4.2. 독일 38
3.4.3. 미국 38
제4장 임펠러 조류발전 터빈 39
4.1. 기존 조류발전 터빈의 문제점 39
4.2. 임펠러 조류발전 터빈 메커니즘 40
4.2.1. 블레이드 회전에 관한 운동방정식 유도 43
4.3. 임펠러 조류발전 터빈 형상에 따른 CFD해석 45
4.3.1. CFD 해석 Process 45
4.3.2. 2D/3D Modeling 48
4.3.3. Geometry/ Mesh 생성 50
4.3.4. Standard k-ε 난류모델의 지배방정식 51
4.3.5. Fluent 해석 방법 52
4.3.6. Fluent 해석 결과 53
4.4. 터빈 설치 방법 56
제5장 실증 실험 59
5.1. 실험 준비 59
5.1.1. 수로 제작 과정 59
5.1.2. Prototype 제작 과정 61
5.2. 실험 과정 62
5.3. 실험 결과 65
제6장 결론 및 향후연구 68
References 71
ABSTRACT 73
표 3.1. Comparison of VAT and HAT 26
표 3.2. 최강조류 2kn 이상 수도 일람 30
표 3.4. 국내 조류발전 용량 및 현황 32
표 6.1. 임펠러 터빈 예상 전력 생산량 67
그림 1.1. Global Growth Scenario Comparison by capacity installed 13
그림 2.1. 대체에너지 분류 15
그림 2.2. 신재생 에너지 개념도 16
그림 2.3. 21세기 에너지 이용기술의 환경변화 17
그림 2.4. 해양에너지 변환 흐름도 18
그림 2.5. 해양에너지 용량전망 19
그림 2.6. 해양에너지의 종류 20
그림 3.1. 풍력발전과 조력발전 터빈 비교 22
그림 3.2. 주요 국가의 조류에너지 용량 전망 23
그림 3.3. Vertical Axis Turbine 27
그림 3.4. A process of development of Horizontal Axis Turbine (MCT) 28
그림 3.5. Horizontal Axis Turbine 29
그림 3.6. 국대 조류 현황도 31
그림 3.7. 인천조류발전단지 개발 사업 32
그림 3.8. 울돌목 조류발전 개발 현황 33
그림 3.9. 전남 조류발전 단지 개발 개념도 34
그림 3.10. 유럽의 해양에너지 개발 로드맵 35
그림 3.11. EMEC(European Marine Energy Center) 36
그림 3.12. 영국 MCT사의 SeaGen 36
그림 3.13. SMD Hydrovision사의 조류발전 장치 37
그림 3.14. 아틀란티스 사의 AK-1000 37
그림 3.15. Voith-Siemens Hydro Tidal 조류발전장치 38
그림 3.16. Verdant 조류발전 장치 38
그림 4.1. 임펠러 조류발전 터빈 메커니즘 40
그림 4.2. 임펠러 조류발전 터빈 메커니즘 42
그림 4.3. 임펠러 조류발전 터빈 메커니즘 42
그림 4.4. 회전 외팔 평판 43
그림 4.5. CFD 해석 Process 46
그림 4.6. CFD 프로그램 관계도 47
그림 4.7. 본 논문의 CFD해석 순서 48
그림 4.8. 임페러 블레이드 설계도 48
그림 4.9. 임페러 블레이드 2D Modelling 49
그림 4.10. 임페러 블레이드 3D Modelling 50
그림 4.11. 임페러 블레이드 Mesh 생성 50
그림 4.12. 모델링별 Contours of Velocity Magnitude 54
그림 4.13. 모델링별 Contours of Total Pressure 55
그림 4.14. Contours of Total Pressure 56
그림 4.15. Contours of Velocity Magnitude 56
그림 4.16. 임펠러형 조류 발전기 지지형 구조물 형상 57
그림 4.17. 터빈 케이싱과 결합 파일 57
그림 4.18. 조류발전 단지 설계 시 배치 58
그림 5.1. 수로 설계 도면 59
그림 5.2. 수로 제작 과정 60
그림 5.3. 조류발전기 Prototype과 설계도면 61
그림 5.4. Prototype 제작 과정 62
그림 5.5. 임펠러 실제 회전 모습 63
그림 5.6. 유속 측정 장치 64
그림 5.7. 실험 Outline 64
그림 5.8. 실험 결과A 65
그림 5.9. 실험 결과B 66
그림 6.1. 임펠러 전력 생산량 69
초록보기 더보기
미래 에너지의 흐름은 석유로 시작한 현재의 화석연료시대에서 태양에너지를 중심으로 자연 순환계에 순응하는 신재생에너지시대로 전환될 전망이다. 국가의 산업이 발전함에 따라 필연적으로 경제성장에 따른 에너지 소비의 증가는 필연적일 수밖에 없지만 화석에너지의 사용에 따른 대기오염 및 지구온난화 문제로 인하여 에너지에 대한 새로운 인식이 요구되어진다. 대부분 수입하는 화석연료(석유, 천연가스)로 에너지를 생산하는 한국의 발전시스템은 향후 화석연료 고갈시 에너지 자립률이 현격하게 떨어져 국가 운영 전반에 막대한 지장 초래하게 될 것이다.
자원고갈, 환경오염, 지속되는 고유가를 고려해 볼 때 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다. 기존의 화석에너지 체제의 한계를 극복할 미래대안으로 신재생에너지를 기반으로 한 수소경제혁명이 진행 중이며, 수소경제 주도권 경쟁에 대한 국가적 대응이 필요한 시점이다. 수소∙연료전지, 태양전지 등 신에너지기술에 기반한 전 세계 에너지시장이 IT, BT를 넘어서는 거대한 산업으로 급부상하고 있으며, 주요 분야 세계시장은 2011년 기준으로 수소∙연료전지 1천억불, 양전지 300억불, 풍력 340억불 등이 전망되고 있다.
최근 우리 정부는 신재생에너지의 기술개발과 보급 활성화를 위한 일련의 구체적 조치로서 태양광, 풍력 발전 등 대체전력의 우대 구매, 공공기관의 신재생에너지 사용 의무화, 그린 빌리지의 조성 등을 적극 추진하고 있다. 그리하여 장기적으로는 신재생에너지가 우리나라 에너지 공급의 한 축을 담당케 한다는 전략 아래 2011년 총 1차 에너지 소비의 5% 보급을 목표로 획기적 신재생에너지의 이용, 보급 촉진을 추진하고 있다.
현재 한국의 발전설비 총 용량이 5,000만 kW를 돌파하였으나 원자력 35%, 화력이 62%로 원료 수급에 따른 해외 의존도가 매우 높으며 NIMBY 현상으로 인한 원자력, 화력 발전소의 신규건설 또한 어려워지므로 다양한 대체 에너지 개발을 통한 전력산업의 다변화가 필요하며, 구미 선진국에서 기술적으로 실용화가 가능한 단계에 와있는 청정에너지 생산을 위한 조력, 조류, 소수력 발전의 국산화 개발이 시급하다.
본 논문에서 다루어지게 될 조류발전은 현재까지 주로 선진국을 중심으로 다양한 형식의 조류발전 터빈개발이 활발히 이루어지고 실 해역에 설치되어 운영되고 있다. 하지만 조류발전용 터빈 날개의 개발 기간이 짧아 상당 부분이 기존의 풍력에서 사용하는 개념을 그대로 사용하고 있기 때문에 효율, 구조적 문제, 침식, 부식등과 같은 부분에서 많은 문제점이 발생하고 있으며, 이는 조류발전의 상용화를 방해하는 요소로 작용해왔다. 특히 풍력발전에 활용되는 터빈의 메커니즘을 벤치마킹하는 조류발전의 경우 유체적 성향이 다르기 때문에 많은 구조적 문제가 발생하고 있다. 또한 풍력의 경우 돌풍과 같은 유체흐름이 급변하는 경우가 많아 구조강도를 높이기 위해 두꺼운 포일을 혼합하여 사용하지만, 조류의 경우 유체흐름을 예측 할 수 있기 때문에 구조강도 측면과 더불어 효율 측면에 주안점을 두어 설계할 필요가 있다.
본 연구에서는 공기에 비해 큰 밀도를 가진 해수의 특성을 고려한 조류발전용 터빈 설계 개선점을 도출하였다. 또한 이를 바탕으로 VAT 방식의 터빈(이하 "임펠러형 터빈"이라 칭함)을 설계하여 수치해석을 통해 그 성능을 비교 검토하여, 실증 실험을 통해 실제 에너지 발생량을 산정하고 그 효과를 입증한다.
토목공학전공자가 왜 에너지 기술에 관심을 가져야 하는가 하는 우매한 질문을 할 수 도 있지만, 인간을 위한 광범위한 공학을 토목공학이라 할 때 이러한 주제도 당연히 우리가 다루어야 한다고 생각한다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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