OWC형 파력발전 공기챔버의 공기감쇠력 실험 연구

Abstract

Pneumatic damping through an orifice-type duct for an OWC-type wave energy device is studied experimentally. Forced oscillation tests are used to measure chamber pressure and velocity of air-flow through an orifice. Pneumatic damping coefficients are deducted from the experimental research, and the influence of frequency, heave amplitude, and orifice size are discussed. Finally, two formulas are proposed for the estimation of non-dimensional pneumatic damping coefficient by regression analysis. The proposed formula proves to be a reliable method for practical application.1. 서 론에너지자원의 고갈과 화석에너지에 의한 환경오염 문제로 인하여 무공해 대체에너지 자원을 개발하기 위한 노력이 여러 분야에서 진행되고 있다. 이러한 노력 중의 하나로 기상현상에 의하여 지속적으로 발생하는 파랑이 가진 에너지를 이용하기 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다 (홍석원 외, 2001, 2003). 한국에서도 파력에너지를 이용하려는 연구개발이 이루어지고 있으며(Hong et al., 2004) 향후, 파력에너지 이용 기술개발이 활성화 될 것으로 예상된다.파력발전 장치에 대한 여러 가지 방식이 제안되고 있으나 가장 실용성이 있는 방법은 진동 수주방식 (Oscillating Water Column: OWC)으로 이는 파랑의 에너지를 공기챔버 내의 공기의 운동에너지로 1차 변환하고 왕복공기 흐름 중에서 작동하는 공기터빈을 이용하여 2차 변환하는 방식이다. 이 방식에서는 흡수되는 에너지의 양은 1차적으로 공기챔버의 크기와 형상에 좌우되며 2차적으로는 공기터빈의 효율에 좌우된다.본 논문에서는 OWC형 파력발전장치의 1차 에너지 흡수량을 좌우하는 공기챔버의 최적설계를 위하여 공기챔버 내의 공기가 터빈이 설치되어 있는 덕트를 지날 때 발생시키는 항력에 대한 실험적인 연구결과를 제시하고자 한다. Hong and Kim(2004)은 이 항력을 덕트를 통과하는 공기의 유속에 비례 제1저자 최학선 연락처: 대전광역시 유성구 장동 171042-868-7510 hschoi@kriso.re.kr하는 것으로 가정하여 부유식 파력발전 장치에 대한 동적 거동을 연구한 바 있다. 그는 3차원 BEM과 공기감쇠력 모델을 사용하여 부유식 공기챔버의 파랑 중 응답, 파랑 표류력 및 1차 에너지 흡수효율을 추정하였다. 그러나 공기감쇠력 모델에 대하여는 정확한 물리량을 사용하지 않고 여러 가지 감쇠력계수에 대한 계산을 수행하여 감쇠계수에 따른 영향만을 보여주었다. 본 논문에서는 이상화한 모형에 대한 실험적 연구를 통하여 공기감쇠력계수를 추정하고 이를 공기챔버의 형상과 덕트 면적비 및 유동주기의 함수로 근사시켜서 Hong and Kim(2004)이 개발한 해석법에 적용함으로써 이론적인 해석법의 결과를 향상시키고자 한다.