2. 기술 동향
2.4. 파력발전 기술 현황
☐ 1970년대 오일파동 이후 영국, 덴마크, 포르투갈을 비롯한 유럽의 여러 나라와 미
국, 일본, 호주 등 선진국을 중심으로 파력발전에 대한 연구개발이 이루어짐.
☐ 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나, 기계장치 의 운동으로 변환하여 전기를 생산하며, 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지로 평가됨.
☐ 파력발전장치의 구성은 크게 파의 운동위치에너지를 수위차 기계운동 등의 가용에너 지로 변환하는 1차 변환과정과 이로부터 터빈 발전기 등을 구동하여 전기적 출력을 생 산하는 2차 변환장치로 구분할 수 있음.
☐ 1차 변환의 방법에 가동물체형(Oscillating bodies), 월파형(Run up), 진동수주형
(Oscillating water column)으로 구분됨.
☐ 설치 방법에 따라 고정식(착저식)과 부유식으로 구분되며, 주로 연해에는 고정식 이 적용되고, 심해에는 부유식이 적용됨.
2.4.1. 진동수주형 파력 발전 (Oscillating Water Columns; OWC)
☐ 진동수주형은 구조체 전면 에서 발생하는 중복파 에너지를 공기의 흐름으로 변환하여 터빈을 가동하는 방식으로써 에너지변환 효율은 타 방식에 비해 낮지만 구조적인 안정 성은 가장 뛰어난 방식임.
☐ 진동수주형 발전 방식은 주요 발전 시스템이 수면 밖에 위치하여 입사파에 의한 직접적인 영향을 받지 않고, 시스템의 유지 및 보수가 용의하기 때문에 현재 실 증화 모델 개 발이 이루어지는 등 실용화 연구가 활발히 진행됨.
☐ 진동수주형 발전 방식은 계류 형태에 따라 고정식과 부유식으로 나눌 수 있으며, 고정식 진동수주형 발전 장치로는 Pico, LIMPET 등이 개발되었고, 부유식 발전 장치로는 Mighty whale과 주전 1호, BBDB(Backward Bent Duct Buoy) 등이 개발되 었으며, 한국해양과학기술원서는 고정식의 500kW급 OWC 시험파력발전소를 개발 함.
☐ BBDB(Backward Bent Duct Buoy)는 기존의 진동수주 파력발전기(OWC) 보다 효율 을 향상시킬 수 있는 방법으로 고안됨.
[그림 2.26] 고정식 진동수주형 발전장치, LIMPET(영국)
[그림 2.27] 고정식 500kW급 OWC
시험파력발전소 (한국해양과학기술원) [그림 2.28] 부유식 진동수주형 BBDB
[그림 2.29] 일본의 Mighty Whale
2.4.2. 가동 물체형 파력 발전 (Oscillating Bodies)
☐ 가동 물체형 발전 방식은 파 에너지를 기구학적 운동으로 흡수하여 발전기를 구 동하는 방식으로서, 에너지 추출 방법과 구조물의 구성에 따라 여러 가지 다양한 구조물로 분류됨.
☐ 가동 물체형은 일반적으로 물체의 상하운동을 이용하여 파 에너지를 생산하며, 상하운동을 통한 발전의 경우 단일 부체를 이용한 Single-body heaving buoy, 두 개의 부체 혹은 부체와 몰수체의 상호 운동을 이용한 Two-body heaving buoy, 몰 수체의 상하운동을 이용한 Fully submerged heaving system 등이 존재하고, 물체 회 전 운동을 이용한 Pitching device와 착저된 힌지를 이용한 Bottom-hinged system등 이 존재함.
☐ 가동 물체형은 파랑 에너지가 구조물에 간접적인 영향을 미치는 진동수주형 파력 발전 장치와 달리, 직접적인 파랑 에너지의 영향을 받기 때문에 비교적 높은 에 너지 효율을 가지고 있으며, 간단한 형태로 구성되어 있기 때문에 다양한 형태와 다양한 에너지 추출 방식을 이용하여 세계 각지에서 많은 연구들이 활발하게 진 행되고 있음.
[그림 2.30] Power buoy (Ocean Power Technologies, Inc)
[그림 2.31] Power buoy (MBARI)
☐ 에너지 흡수 장치(Power Take-Off system, PTO)의 경우, 유압 펌프를 이용한 유압
모터 혹은 선형 발전기 방식의 여러 연구가 진행되고 있으며, 가동 물체형 파력 발전의 경우 다양한 형태를 가지고 있어 시스템의 대형화에 유리함.
☐ Norwegian project의 FO3와 덴마크의 Wave star 등이 존재하나, 파랑의 반복 외력 에 의해 구조적 안정성이 취약하고 에너지 흡수 장치인 2차 변환 장치의 내충격 성 구조가 필요함.
[그림 2.32] Wave Star (덴마크)
2.4.3. 월파형 파력 발전 (Run up)
☐ 월류/월파형의 경우, 파랑의 진행방향에 사면을 두고 월파된 파를 후면에 저수함 으로써 평균해면과 수두차를 형성하고, 이를 저수지 하부에 설치한 저낙차용 수 차 터빈으로 발전 하는 방식임.
[그림 2.33] 방파제 연계형 월파형 파력발전단지 개념도 (한국해양과학기술원)
☐ 2차 변환 장치에 대한 파 운동의 영향이 작아 파랑 충격 위험성이 적고 상대적으 로 발생 전력의 변동성이 작아 제어가 용이하나, 조수 간만의 차가 큰 해역에서 는 적용하기 어려움.
2.4.4. 각국의 파력발전 개발 현황
☐ 실해역에서 운용 중인 진동수주형 파력발전장치로는 영국의 Limpet(500㎾), 포르 투갈의 Pico(400㎾), 호주 Energetech(2㎿)가 있음.
☐ 월파형 파력발전장치로 대표적인 덴마크의 Wave Dragon은 축소 실증플랜트를 제 작하여 활발한 실해역 실증이 진행 중임.
☐ 부유식으로서 파도를 따라 움직이는 실린더형 구조물의 관절부에 위치한 유압장 치를 이용하여 파력에너지를 흡수하는 가동 물체형 파력발전장치(Pelamis(750㎾)) 가 최근 가장 활발한 기술개발이 진행되고 있음.
[그림 2.34] Pelamis Wave Power : EMEC: European Marine Energy Centre
☐ 일본은 Kaimei에 240㎾급의 해안 고정식 파력발전 장치를 설치하여 시험 가동하 고 있으며, 해양과학기술센터 주관으로 540㎾급의 부유식 파력 발전소 건설을 진 행하고 있음.
☐ 영국은 벨파스트의 Queen's 대학에 75㎾급 파력발전 장치를 설치하여 가동 중에 있으며, 덴마크는 34㎾급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있고, 노르웨이도 500㎾급 파력발전 발전소를 건설함.
☐ 미국은 오리건 주에 첫 파력발전단지를 조성해 연 400가구의 소비량에 해당하는
전력을 공급할 계획임.
☐ 2005~2009년의 국가별 파력발전 설치 비중은 영국이 49%로 가장 높고, 스페인과
포르투갈이 각각 16%, 미국 7%를 차지할 것으로 추정되며, 연도별로는 2007년 설 치 비중이 가장 높음.
☐ 세계적으로 20여 개 국가에서 파력에너지의 연구개발 및 프로젝트를 수행하고 있 으며, 이를 정리하면 다음과 같음.
[그림 2.35] 국가별 주요 파력발전 시설 및 개발계획 (최영도 등, 2007)
☐ 국내의 경우 파력발전 장치는 한국해양과학기술원에서 개발한 60㎾급 부유식 진 동수주형 주전A호(2001년)와 등부표용 부유식 소형파력발전기인 BBDB(2006년)가 있음.
☐ 한국해양과학기술원에서는 500㎾급 진동수주형 파력발전장치의 설계를 완료하고, 2011년에 제주해역에 실증플랜트가 설치되었음.
[그림 2.36] 주전 A호
[그림 2.37] 500㎾급 진동수주형 파력발전장치