머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구
(The Study on Design Optimization of Contra-rotating Tidal Current Turbine
Based on Machine Learning)
2022년 2월
한국해양과학기술원
제 출 문
한국해양과학기술원장 귀하
본 보고서를 “ 머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구”과제의 최종보고 서로 제출합니다.
2022. 02. 28
총괄연구책임자 : 허 만 웅 참 여 연 구 원 : 고 행 식
“ : 박 준 석
“ : 박 진 순
“ : 이 진 학
보고서 초록
과제고유
번호 PE9996E 해당단계
연구기간
2021.09.01 -
2021.12.31 단계 구분 기획
연구사업명 중사업명 주요사업(미래선도사업)
세부사업명 신진연구자지원사업
연구과제명 대과제명
세부과제명 머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구
연구책임자 허 만 웅
해당단계 참여연구원수
총 : 5 명 내부: 5 명 외부: 0 명
해당단계
연구비 50,000 천원 총연구기간
참여연구원수
총 : 5 명 내부: 5 명 외부: 0 명
총
연구비 50,000 천원 연구기관명
및 소속부서명
한국해양과학기술원
연안개발·에너지연구센터 참여기업명 국제공동연구
위탁연구
요약 보고서
면수 78
¡ 연구목표
- 조류발전 분야 기술 선도를 위한 머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구 및 개발
¡ 연구내용
- BEMT 기반 상반전 조류발전 터빈 블레이드 기본설계 - 상반전 조류발전터빈 매개변수 분석
- 머신러닝 기발 최적설계 기법 개발 - 상반전 조류발전 터빈 다중목적 최적설계
¡ 연구성과
- 상반전 조류발전 터빈 블레이드 기본설계 방법 구축 - 매개변수 분석을 통ㅎ안 D/B 구축
- 머신러닝 기반 최적설계 기법 구축 - 상반전 조류발전 터빈의 최적형상 도출
색인어 (각 5개 이상)
한 글 조류발전시스템, 상반전 터빈, 수평축 터빈, 최적설계, 머신러닝 영 어 Tidal current convertor system, Contra rotating turbine,
Horizontal axis turbine, Design optimization, Machine learning
요 약 문
Ⅰ. 제 목
머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 1. 기획연구의 최종 목표
¡ 상반전 조류발전 터빈의 필요성을 검토하고, 핵심기술 도출을 통한 연 구기반 마련
2. 배경 및 필요성
¡ 세계적으로 해양에너지 개발에 많은 투자가 이뤄지고 있고 특히 영국과 EU가 해양에너지 개술개발을 선도하고 있는 실정으로, 현재 영국, EU, 그리고 캐나다를 중심으로 조류발전 상용화가 진행 중에 있음
¡ 이미 조류발전 터빈은 영국의 EMEC을 비롯하여 프랑스 등에서 실해역 시험을 수행한 바 있음
¡ 해양에너지 개발 선진국에서는 상반전(contra rotating) 터빈과 같은 선진기술을 조류발전 분야에 적용하기 위한 연구를 지속적으로 수행하 고 있음
¡ 유럽, 중국, 일본 등 조류발전시스템 개발 선진국에서 개발되고 있는 상 반전 조류발전 터빈에 대한 선제적 대응을 통해 기술적 경쟁력을 확보 할 필요가 있음
¡ 상반전 조류발전은 후류 발생을 획기적으로 억제시킬 수 있다는 장점을 바탕으로 해양 생태계에 대한 영향을 획기적으로 줄일 수 있음
¡ 조류발전 기술 고도화를 통한 신산업 활성화를 기대할 수 있고, 이를 바탕으로 탄소중립에 기여할 수 있음
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
¡ BEMT 기반 상반전 조류발전 터빈 블레이드 기본설계
- BEMT (Blade Element Momentum Theory) 기반 전방 블레이드
기본설계
- 전방 블레이드의 후류 특성을 고려한 후방 블레이드 기본설계
¡ 상반전 조류발전터빈 매개변수 분석
- 터빈의 수력학적 성능특성에 대한 형상변수의 영향성 분석 및 D/B 구축
¡ 머신러닝 기반 최적설계 기법 개발 - 최적설계를 위한 목적함수 구축
- 인공 신경망 알고리즘 기반 머신러닝 연계 다중목적 최적설계 기법 개발
¡ 상반전 조류발전 터빈 다중목적 최적설계 - 실험계획법을 통한 민감도 분석
- 상반전 조류발전 터빈에 대한 최적설계기법 적용 - 최적설계에 대한 통계적 성능 평가
Ⅳ. 연구개발결과
¡ BEMT에 기반한 상반전 조류발전 터빈의 전방 및 후방 블레이드 기초 설계 기법 확립
¡ 상반전 조류발전 터빈 전방 및 후방 블레이드의 피치각도 변화에 따른 터빈의 수력학적 특성 변화 분석
¡ 상반전 조류발전 터빈 전방 및 후방 블레이드의 비속도 변화에 따른 터 빈의 수력학적 특성 변화 분석
¡ 머신러닝을 활용한 다중목적 최적설계 기법 개발
¡ 100kW급 상반전 조류발전 터빈의 효율, 토크발란스를 고려한 다중목 적 최적설계를 수행하여 최적 형상 도출
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
¡ 본 연구를 통해 구축한 최적설계 알고리즘을 해양에너지 관련 다양한 유체기계 (해상풍력 터빈, 지지구조물 suction 펌프, 파력발전용 터빈, 해수온도차 발전 펌프 및 터빈 등)의 최적설계에 활용
¡ 조류발전 분야의 선진기술인 상반전 터빈에 대한 고급 최적설계 기술 구축을 통해 향후 대형과제 기획을 위한 핵심 기술로서 활용
S U M M A R Y 및 KEYWORDS
A lot of investment is being made in the development of marine energy around the world. In particular, the UK and EU lead the development of tidal current energy, and the commercialization of tidal current energy convertor is in progress mainly in the UK, EU, and Canada. The tidal current energy convertor has already been tested in sea test bed in France as well as EMEC in the UK.
Meanwhile, advanced countries in the development of marine energy are continuously carrying out research to apply advanced technologies such as contra rotating turbines to the tidal current energy convertor. Contra rotating turbine has the most important advantage of dramatically reducing wakes behind the tidal current energy convertor and can reduce their impact on marine ecosystem. So, research on this is being actively carried out in advanced countries in the development of tidal current energy convertors, especially Europe, China, and Japan.
In order to have technological competitiveness in tidal current energy convertor, it is essential to preemptively develop advanced technologies such as the contra rotating tidal current turbine. Such the advanced technologies of tidal current energy convertor can be expected to revitalize new industries and, based on this, can contribute to carbon neutrality.
(KEYWORDS : Tidal current convertor system, Contra rotating turbine, Horizontal axis turbine, Design optimization, Machine learning)
목 차
■ 요약문
제 1장 기술의 정의 및 필요성 ···1
1.1 상반전 조류발전시스템 정의 ···1
1.1.1 조력발전 기술 정의 ···1
1.1.2 상반전 조류발전 기술 정의 ···5
1.2 기획연구 추진배경 및 필요성 ···7
1.2.1 기획연구 추진배경 ···7
1.2.2 기획연구 필요성 ···8
1.2.2.1 기술적 측면 ···8
1.2.2.2 경제·산업적 측면 ···9
1.2.2.3 사회·문화적 측면 ···10
1.3 기획연구 목표 및 내용 ···11
1.3.1 기획연구의 최종목표 ···11
1.3.2 기획연구의 세부 목표 및 내용 ···11
1.4 기획연구의 추진전략 및 방법 ···11
1.4.1 기획연구의 추진전략 ···11
1.4.2 기획연구의 추진체계 ···12
제 2장 국내외 기술개발 현황 ···14
2.1 국내 조류발전시스템 개발 동향 ···14
2.2 국외 조류발전시스템 개발 동향 ···18
2.3 부유식 조류발전시스템 개발 동향 ···28
제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ···33
3.1 상반전 조류발전 터빈 기본설계 ···33
3.1.1 BEMT 기반 성능해석 ···33
3.1.2 BEMT 기반 설계 ···36
3.1.3 BEMT 설계/성능해석 루틴을 사용한 250kW급 단일 터빌 설계 ·· 37
3.1.3.1 터빈 기본 제원 ···37
3.1.3.2 터빈 성능 평가 ···39
3.1.4 BEMT 설계/성능해석 루틴을 사용한 150kW급 단일 터빌 설계 ·· 40
3.1.4.1 터빈 기본 제원 ···40
3.1.4.2 터빈 성능 평가 ···41
3.1.5 상반전 터빈의 후방 블레이드 기본설계 ···42
3.1.5.1 유입각 변경에 따른 블레이드 설계 ···42
3.1.5.2 전방 블레이드의 후류 특성 분석 ···42
3.1.5.3 유입 유동 특성을 고려한 후방 블레이드의 기본설계 ···44
3.2 매개변수 분석 ···44
3.3 머신러닝 기반 최적설계 기법 개발 ···47
3.3.1 최적설계를 위한 목적함수 구축 ···47
3.3.2 머신러닝 연계 다중목적 최적설계 기법 개발 ···48
3.3.2.1 머신러닝 기반 최적설계 흐름도 ···48
3.3.2.2 메타모델(Meta model) ···50
3.3.2.3 유전 알고리즘(Genetic algorithm) ···53
3.4 상반전 조류발전 터빈 다중목적 최적설계 ···54
3.4.1 실험계획법을 통한 변수 민감도 분석 ···54
3.4.1.1 실험계획법을 통함 실험점 도출 ···54
3.4.2 최적설계 기법을 적용한 상반전 조류발전 터빈 설계 ···57
3.4.2.1 설계변수 정의 ···57
3.4.2.2 목적함수 정의 ···58
3.4.2.3 상반전 조류발전 터빈의 피치각도를 고려한 최적설계 ···58
3.4.2.4 상반전 조류발전 터빈의 피치각도와 TSR을 동시에 고려한 최적설계 ···61
3.5 최적설계에 대한 통계적 성능평가 ···67
3.5.1 첫 번째 최적설계 결과 비교 ···67
3.5.2 두 번째 최적설계 결과 비교 ···69
제 4장 연구개발목표 달성도 ···71
제 5장 연구개발결과의 활용계획 ···72
■ 참고문헌
그 림 목 차
[그림 1.1.1.1] 조류발전시스템 구성 ···1
[그림 1.1.1.2] 조류발전시스템의 구성 ···2
[그림 1.1.1.3] 직접구동식 조류발전기 구성 ··· 3
[그림 1.1.1.4] 조류발전시스템에 대한 주요 기초 방식 ··· 4
[그림 1.1.2.1] 상반전 조류발전 터빈시스템 예시 ··· 6
[그림 1.1.2.2] 계류식 상반전 조류발전 터빈시스템 ··· 6
[그림 1.2.2.1] 국외에서 개발된 contra rotating 조류발전 터빈 사례> ··· 9
[그림 1.2.2.2] 단일 로터와 상반전 로터의 후류 비교 예시> ··· 10
[그림 1.4.1.1] 연구개발 추진전략 ··· 12
[그림 1.4.2.1] 연구개발 추진체계 ··· 13
[그림 2.1.1] 20kW급 능동제어형 조류발전시스템 ··· 16
[그림 2.1.2] 200kW급 능동제어형 조류발전시스템 설치 ··· 16
[그림 2.1.3] 25kW급 수평축 조류발전 장치 ··· 17
[그림 2.2.1] MCT사의 SeaGen-S 모델 ··· 19
[그림 2.2.2] SIMEC Atlantis사의 조류발전시스템 AR1000, AR1500, AR2000 ··· 20
[그림 2.2.3] HS1000 Mk1 설치 준비 작업(출처: Andritz Hydro Hammerfest) ··· 21
[그림 2.2.4] Sabella D10 터빈 ··· 21
[그림 2.2.5] OpenHydro사의 Open Centre Turbine ··· 22
[그림 2.2.6] KHPS Gen5 모델 ··· 23
[그림 2.2.7] 뉴욕 East River에 설치 준비 중인 Verdant Power의 조류발전시스템 (Verdant Power) ··· 23
[그림 2.2.8] Voith Hydro사의 HyTide 시스템 ··· 24
[그림 2.2.9] TidGen Power System ··· 24
[그림 2.2.10] 일본 쿠로시오 해류 내의 해류발전기 설치 계획 ··· 25
[그림 2.2.11] 일본에서 개발 중인 100kW급 해류발전시스템 Kairyu (출처: IEA-OES, 2019) ··· 25
[그림 2.2.12] 60 kW 수평축 조류 발전 장치 실증시험 및 야경 ··· 26
[그림 2.2.13] 해능(海能) III 실증시험 ··· 26
[그림 2.2.14] LHD 해양조류 발전 장치 ··· 27
[그림 2.2.15] LHD 조류발전 플랫폼 전경 및 터빈 설치 사진(출처: IEA-OES, 2019) ·· 27
[그림 2.2.16] Lunar Energy사의 LTT 조류발전시스템 ··· 28
[그림 2.3.1] 국외에서 개발된 MW급 부유식 조류발전시스템 사례 ··· 29
[그림 2.3.2] 국외에서 개발된 다양한 중소규모 부유식 조류발전시스템 사례 ··· 30
[그림 2.4.1] Contra rotating turbine(좌)와 EMEC에서의 설치(우) ··· 31
[그림 2.4.2] Gimsoy에 설치된 Morild II(좌), 그래픽 이미지(우) ··· 31
[그림 2.4.3] Morild 1 개념도 ··· 32
[그림 3.1.1.1] 속도와 압력 구배 ··· 33
[그림 3.1.1.2] 익형의 앙력 및 항력 ··· 35
[그림 3.1.1.3] 속도삼각형 ··· 35
[그림 3.1.3.1] DU익형 ··· 37
[그림 3.1.3.2] 반경에 따른 코드길이 변화 ··· 38
[그림 3.1.3.3] 반경에 따른 pre-twist angle 분포 ··· 38
[그림 3.1.3.4] 250kW급 단일 터빈의 기본형상 ··· 39
[그림 3.1.3.5] 250kW급 단일 터빈의 피치각도 변화에 따른 성능 변화 ··· 40
[그림 3.1.4.1] 150kW급 단일 터빈의 피치각도 변화에 따른 성능 변화 ··· 41
[그림 3.2.1.1] 전방 블레이드와 후방 블레이드 사이 거리 변화에 따른 형상 변화 ··· 45
[그림 3.2.1.2] 후방 블레이드 단일 터빈에 대한 성능 변화 ··· 46
[그림 3.3.2.1] 머신러닝 기반 최적설계 방법 ··· 48
[그림 3.3.2.2] Latin hypercube sampling ··· 49
[그림 3.3.2.3] Radial basis neural network 구성도 ··· 50
[그림 3.3.2.4] K-fold cross validation ··· 51
[그림 3.3.2.5] Example of cross validation errors vs. spread constant (SC) values ··· 52
[그림 3.3.2.6] Genetic algorithm ··· 54
[그림 3.4.1.1] 각 실험 점의 설계변수 변화 ··· 55
[그림 3.4.1.2] 각 실험 점의 목적함수 변화 ··· 56
[그림 3.4.2.1] Geometry of contra rotating turbine ··· 57
[그림 3.4.2.2] Cross validation errors vs. spread constant values ··· 59
[그림 3.4.2.3] Pareto optimal solution ··· 60
[그림 3.4.2.4] Cross validation errors vs. spread constant values for second optimization procedure ··· 65
[그림 3.4.2.5] Pareto optimal solution of second multi-objective optimization design · 66 [그림 3.5.1.1] 첫 번째 최적설계 결과 비교 ··· 68
[그림 3.5.2.1] 두 번째 최적설계 결과 비교 ··· 70
표 목 차
표 2.1.1 국내 조류발전기술 개발 연구 목록(NTIS, 2018) ···15
표 3.1.5.1 0.1D 후류 특성 ···43
표 3.1.5.2 0.2D 후류 특성 ···43
표 3.1.5.3 0.3D 후류 특성 ···43
표 3.1.5.4 0.4D 후류 특성 ···43
표 3.1.5.5 0.5D 후류 특성 ···44
표 3.4.1.1 Latin hypecube sampling 실험점 ···55
표 3.4.1.2 각 실험점에 대한 유동해석 결과 ···56
표 3.4.2.1 최적설계 결과 ···61
표 3.4.2.2 각 실험점의 설계변수 및 목적함수 값 ···61
표 3.4.2.3 두 번째 최적설계 결과 ···67
표 4.1.1.1 연구개발목표 달성도 ···71
기술의 정의 및 필요성
제 1 장 기술의 정의 및 필요성
¡ 조류발전은 조석 현상에 의해 발생하는 조류의 운동에너지를 이용하여 전기를 생산하 는 발전방식을 말하며, 해수의 흐름을 동력원으로 사용한다는 점에서 바람을 동력원으 로 사용하는 풍력발전과는 차이가 있으나, 발전원리는 풍력발전과 거의 유사함
- 조류발전은 천체의 운동에 기인하여 규칙적으로 발생하기 때문에 장기간에 걸쳐 정확한 발전량 예측이 가능하고, 계통 내에서 조절이 가능하다는 장점이 있음
¡ 조류발전시스템은 조류발전기, 지지구조물, 계통연계설비, 그리고 통합감시제어시스템 으로 구성된 조류발전을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 일체를 의미함([그림 1.1.1.1] 참 조)
조류발전시스템 전력변환장치 통합감시제어시스템
[그림 1.1.1.1] 조류발전시스템 구성
- 다음 [그림 1.1.1.2]에서 보는 바와 같이 조류발전시스템은 조류에너지로부터 전력을 생 산하는 상부의 조류발전기(tidal current turbine)와 조류발전기에서 발생하는 하중을 지 반으로 전달하는 지지구조물(supporting structure)로 구성되며, 이 외에도 해저케이블 및 전력변환장치 등을 포함함
[그림 1.1.1.2] 조류발전시스템의 구성
¡ 조류발전기(tidal current turbine)는 크게 고정부인 나셀(nacelle)과 회전부인 로터 (rotor)로 구성됨
- 나셀 내부에는 주축(main shaft), 주베어링(main bearing), 발전기(generator), 쓰러스트 베어링(thrust bearing), 요 구동부(yaw driver) 등이 포함됨
- 증속기(gearbox)가 있는 경우, 고속축(high-speed shaft)과 저속축(low-speed shaft), 증 속기를 합쳐 동력전달계(drive-train 또는 power-train)로 표현함. 증속기가 없는 경우, 동력전달계는 주축(main shaft)과 베어링 등으로 구성됨
- 로터는 블레이드(blade)와 허브(hub)로 구성되며, 조류발전기의 경우 풍력발전기와는 달 리 부력 균형 등을 고려하여 부력코(buoyance nose)를 적용하는 사례가 있음
¡ 다음 [그림 1.1.1.3]은 직접구동식 조류발전기(direct-drive tidal turbine)의 구성을 정리 한 것으로 로터에서 변환된 역학적 에너지가 주축을 통하여 바로 발전기로 전달됨. 이 와 달리 간접구동식(indirect drive)의 경우에는 저속축(low speed shaft)인 일차축(주 축)과 증속기(gearbox), 그리고 고속축(high speed shaft)인 이차축 등을 통하여 발전기 로 전달됨
- 직접구동식의 경우 주로 많은 극수를 가진 영구자석형 발전기(permanent magnetic
기술의 정의 및 필요성
generator)를 이용하며, 따라서 간접구동식에 비하여 발전기가 무겁고, 직경이 큰 편이 지만, 상대적으로 발전효율이 높고, 고장빈도가 작은 장점이 있음
[그림 1.1.1.3] 직접구동식 조류발전기 구성
¡ 지지구조물(supporting structure)의 경우, 조류발전기에서 발생한 하중을 기초 (foundation)까지 전달하는 타워(tower)와 타워를 통하여 전달된 하중을 지반으로 하중 을 전달하는 기초로 구성되며, 풍력발전과 비교하면 타워와 기초 사이의 하부구조가 없고, 또한 하부구조와 타워를 연결하는 트랜지션 피스(transition piece)가 필요하지 않 음
¡ 기초 형식은 다음 [그림 1.1.1.4]와 같이 중력식(gravity-based) 또는 파일식(piled) 등의 바닥 고정식(bottom-fixed)과 부력식(floating type)이 있음
- 중력식 기초(gravity-based foundation)의 경우 운영 중 발생하는 하중을 조류발전시스 템의 자중으로 지지하게 되며, 파일식 기초(pile foundation)의 경우에는 기초파일에 의 하여 하중을 전달하게 됨
- 또한 부력식 기초(floating foundation)의 경우에는 타워 대신 계류선(mooring line)과 앵 커(mooring anchor)를 이용하여 조류발전기에서 발생한 하중을 지반으로 전달
[그림 1.1.1.4] 조류발전시스템에 대한 주요 기초 방식
¡ 일반적인 조류발전시스템의 주요 구성품에 대한 용어를 정리하면 다음과 같음
- 조류발전시스템(tidal current energy convertors): 조류로부터 전기에너지 변환에 사용 되는 조류발전기, 지지구조물, 해저케이블 및 전력변환장치 등의 설비일체를 총칭함 - 조류발전기(tidal current turbine): 조류가 가진 운동에너지를 로터에서 역학적 에너지로
1차 변환한 후, 발전기에서 전기에너지로 2차 변환하는 장치 - 로터(rotor): 블레이드와 허브로 구성되는 회전체
- 블레이드(blade): 조류가 가진 운동에너지를 역학적 에너지로 변환하기 위한 날개로 로 터 블레이드 또는 터빈 블레이드라고 불리는 경우가 있음
- 허브(hub): 블레이드를 연결하여 로터 블레이드에서 변환된 에너지를 주축으로 전달하 기 위한 구조로 가변피치(variable pitch)형의 경우 피치제어부가 포함되어 있음. 허브의 앞쪽에는 부력을 발생시키기 위한 부력코가 적용되는 경우가 있음
- 부력코(buoyancy nose): 부력을 발생시켜 전체적인 안정성을 확보하기 위한 장치 - 나셀(nacelle): 타워 상부의 동력전달장치, 발전기, 그 밖의 장치를 내장하는 하우징 - 동력전달계(drive-train): 주축과 주베어링 등 로터의 회전력을 발전기로 전달하는 장치
로, 직접구동형의 경우 주축과 주베어링 등으로 비교적 단순하나, 간접구동형(또는 증속 기형)의 경우에는 저속축, 고속축, 증속기, 베어링 등으로 복잡하게 구성됨
- 주축(main shaft): 로터의 회전력을 발전기로 전달하는 장치
- 주베어링(main bearing): 주축의 위치를 고정시키는 동시에 회전이 원활하게 이루어질
기술의 정의 및 필요성
수 있도록 하는 베어링
- 발전기(generator): 로터의 회전력 즉 역학적 에너지로부터 전기를 생산하는 2차 에너지 변환장치
- 요 구동부(yaw unit): 조류 방향에 따라 조류발전기의 방향을 바꿔주는 장치
- 러더(rudder): 가변요(variable yaw) 시스템에서 수동 및 능동 요제어를 위하여 사용되 는 꼬리날개, 러더 대신 쓰러스터(thruster) 또는 요 드라이버(yaw driver)를 채택할 수 있음
- 스러스트 베어링(thrust bearing): 축방향 부하를 받으면서 주축의 회전이 원활하게 이 루어질 수 있도록 하는 베어링
- 브레이크(brake): 로터가 회전하지 않도록 주축을 고정하는 장치 - 요 브레이크(yaw brake): 조류발전기의 방향을 고정시키기 위한 장치
- 지지구조물(supporting structure): 조류발전기에서 발생한 하중을 지반으로 전달하는 구 조
- 타워(tower): 조류발전기가 정상적으로 작동할 수 있도록 고정된 위치를 제공하는 동시 에, 조류발전기에서 발생한 하중을 기초로 전달하는 구조로, 콘크리트 타워(concrete tower), 강재 타워(steel tower), 혹은 하이브리드 타워(hybrid tower) 등이 있음
- 기초(foundation): 타워를 통해서 전달된 하중을 안전하게 지반으로 전달하는 구조로 중 력식 기초(gravity-based foundation), 파일식 기초(pile foundation), 부력식 기초 (floating foundation), 혹은 하이브리드 기초(hybrid foundation) 등이 있음
¡ 상반전(Contra rotating) 조류발전은 [그림 1.1.2.1]에 나타낸 것과 같이 조류발전시스템 한 기에 두 개의 로터를 일렬로 설치한 방식으로, 정방에 위치한 로터와 후방에 위치 한 로터가 각각 반대방향으로 회전하면서 발전하는 터빈 시스템임
¡ 상반전 조류발전시스템은 전방 로터에서 발생하는 후류를 반대방향으로 회전하는 후방 로터에 의해 후류의 와류발생을 안정화시킬 수 있음
¡ 전방 및 후방 로터 회전에 따른 시스템의 모멘트 발생을 감소시켜 토크밸런스를 조절 할 수 있기 때문에 부유식 및 계류식 조류발전시스템에 적용시켜 효율적인 운영이 가 능함
[그림 1.1.2.1] 상반전 조류발전 터빈시스템 예시
[그림 1.1.2.2] 계류식 상반전 조류발전 터빈시스템
¡ 상반전 조류발전시스템은 전방과 후방 로터는 서로 반대방향으로 회전하므로 단일 로 터를 갖는 조류발전시스템과 비교하여 상대 회전속도가 높고 이에 따라 상대적으로 높 은 출력 효율을 기대할 수 있음
기술의 정의 및 필요성
¡ 최근 지구온난화로 인한 기후변화 및 에너지 수급 문제에 직면하면서 신·재생에너지개 발의 필요성이 높아짐. 특히 일본 후쿠시마 원전사고(‘11. 03), 경주 지진(‘16.09), 포항 지진(‘17.11) 등 지진 빈도가 증가하면서 원전에 대한 의존도를 낮추고 있는 실정이며 에너지원의 다변화 및 국가에너지 안보 강화를 위한 신·재생에너지 확대 정책이 시행 되고 있음
¡ 국내의 경우, 태양광과 풍력 산업은 괄목할 만한 성장을 이루었지만 이를 제외한 신·재 생에너지 개발 기술수준은 유럽, 미국, 일본과 같은 선진국에 비해 낮은 수준임. 그러 나 삼면이 바다인 국내의 유리한 해양환경조건을 활용한다면 해양에너지 선진국으로 도약이 가능함
¡ 해양에너지 중 조류발전은 달과 태양의 기조력에 기인한 유체의 운동에너지를 전기에 너지로 변환하는 발전방식으로 계절적 요인이나 날씨에 영향을 받지 않으며, 예측이 가능하여 에너지 출력 측면에서 매우 유리한 에너지원임
¡ 산업통상자원부(2014)에서는 국내 해양에너지의 기술적 잠재량을 1,681.1TWh로 추정하 였고, 이중 조류발전의 기술적 연간잠재량을 364.5TWh로 발표한 바 있음
¡ 국립해양조사원(2010)에서 발표한 한반도 조류에너지 자원지도 결과에 따르면 전라남 도 주변 해역에서의 연간에너지밀도는 3 MWh/m2 이상으로 다른 해역에 비하여 상대 적으로 큰 에너지밀도를 보이고 있음. 특히 울돌목의 협수로 부근 해역은 연간에너지 밀도가 52 MWh/m2이고, 장죽수도는 8.8 MWh/m2로 산정되어 조류발전 최적후보지로 평가받고 있음
- 주요 개발후보지 : 울돌목, 장죽수도, 맹골수도, 횡간수도, 대방수도, 서수도 등
¡ 영국과 캐나다 등 해양에너지 선도국은 이미 정부주도로 조류발전 상용화 지원을 위한 인프라를 확대해 나가고 있는 추세이며, 국내도 장기 국가에너지 정책 추진을 위해 해 양에너지 개발 계획을 수립하였음
- 2030년 세계 해양에너지 플랜트시장이 약 55조원 규모로 성장 할 것으로 전망되며 국내 기술 확보를 통한 상용화 추진으로 해양에너지 전문기업 육성 및 장비·기술 공급체계
(Supply Chain)를 구축하고 이를 통해 해양에너지플랜트 해외시장 진출과 대규모 조류 발전 상용단지 건설을 적극 추진할 수 있음
¡ 유럽 등에서 먼저 시작된 2050년 탄소중립 정책과 관련하여 현재 우리나라에서도 탄소 중립 정책을 강하게 추진하고 있음
- 기존 해양에너지 2030 개발계획을 수정 보완하여 해양수산분야 탄소중립 목표를 수립하 는데 있어 기존의 조류발전시스템뿐만 아니라 상반전 터빈과 같은 고효율 조류발전시스 템에 대한 고려 필요
¡ 유럽, 중국, 일본 등 조류발전시스템 개발 선진국에서 개발되고 있는 contra rotating 조류발전 터빈에 대한 선제적 대응을 통해 기술적 경쟁력을 확보할 수 있고, 이를 바 탕으로 해외 시장을 확보할 수 있을 것으로 기대함
- Nautricity (University of Strathclyde)은 500 kW급 contra rotating 조류발전 터빈을 개 발하여 유럽해양에너지센터(EMEC) 사업에 참여함
- 일본 NEDO 프로젝트를 통해 500 kW급 contra rotating 조류발전 터빈을 개발하였으며, 실해역에서 예인시험을 수행하여 약 43.1 %의 발전효율을 확인함
¡ 고효율 조류발전 터빈 시스템 설계 가능
- 조류발전 터빈의 단일 로터가 발생시킬 수 있는 최대 발전효율은 59.3 %(Betz‘s law)이 지만 통상적으로 실제 환경에서는 47.4 %가 최대효율로 알려짐
- 터빈의 낮은 효율을 향상시킴으로써 발전량을 획기적으로 상승시킬 수 있음
- 상반전 터빈 기술을 적용시켜 이론적인 발전효율을 최대 64 %까지 향상시킬 수 있다고 보고됨(Renewable energy, Vol. 79, pp. 122-126.)
¡ 조류발전시스템의 안정적인 운영 가능
- 일반적인 조류발전 터빈 로터의 한 방향 회전에 의해 발생되는 reaction torque에 의해 지지구조물이 받는 모멘트 하중이 증가하며 이를 고려한 제작비용이 증가함
- 이러한 모멘트 하중 발생은 부유식 및 계류식 조류발전 시스템에도 불안정한 발전을 발생시킴
기술의 정의 및 필요성
University of Strathclyde 500 kW CoRMaT tidal turbine(Nautricity, UK)
1/7 scale(NEDO, Japan) Towing test(NEDO, Japan) [그림 1.2.2.1] 국외에서 개발된 contra rotating 조류발전 터빈 사례>
- 상반전 조류발전 터빈은 전방과 후방 블레이드들이 서로 반대 방향으로 회전하면서 reaction torque 발생이 상쇄되고 지지구조물이 받을 수 있는 모멘트 하중이 획기적으로 감소될 수 있음
- Reaction torque 감소로 터빈이 부력 중립으로 설계되면 계류식 조류발전 시스템에서 터빈이 단일 mooring point로도 안정적인 운영이 가능하여 설치 및 운영비를 획기적으 로 감소시킬 수 있음
- 상반전 계류식 조류발전 시스템에 적용하면 조류속이 빠른 해역에도 적용이 가능하여 출력을 극대화시킬 수 있음
¡ 조류발전 선진화를 통한 해외시장 선점 및 해양에너지 산업 활성화
- 조류발전에 대한 선진기술 개발로 해외시장을 선정할 수 있을 것으로 기대하고 이를 바 탕으로 국내 신시장 및 신산업 창출에 기여할 것으로 기대함
- 조류발전시스템에 대한 선진 기술력 확보를 통해 해외 시장에서의 기술적 경쟁력 우위 선점으로 해외 도서지역 및 에너지 후진국 발전 시장에 진출할 것으로 기대함
[그림 1.2.2.2] 단일 로터와 상반전 로터의 후류 비교 예시>
¡ 해양 생태계 환경에 미치는 영향이 적어 조류발전을 포함한 해양에너지 산업 활성화를 견인할 것으로 기대
- 지금까지 개발되고 있는 일반적인 조류발전, 파력발전, 그리고 해수온도차발전 등의 해 양에너지 산업은 해양 생태계에 미치는 영향으로 환경단체의 반대 및 민원이 지속적으 로 발생하고 있어 해양에너지 산업 개발이 정체되고 있음
- 상반전 조류발전 터빈은 전방 로터에서 발생되는 와류가 후방의 로터에 의해 상쇄되어 터빈의 후류 발생이 억제되며, 이를 바탕으로 생태계 환경에 미치는 영향이 획기적으로 감소함
- 이러한 영향으로 조류발전에 대한 인식 개선을 통해 전반적으로 해양 에너지 개발에 대 한 인식이 개선되고 관련 산업이 활성화할 것으로 기대
¡ 해양 신재생에너지 발전시스템의 구축을 통해 화석연료 사용에 대한 의존도를 줄일 수 있고 기후변화협약에 대해 능동적으로 대응이 가능함
기술의 정의 및 필요성
¡ 조류발전 분야 기술 선도를 위한 머신러닝 기반 상반전 조류발전 터빈 최적설계 기술 연구 및 개발
¡ 상반전 조류발전 터빈 기본설계 - BEMT 기반 블레이드 기본설계
- 전방 블레이드의 후류 특성을 고려한 후방 블레이드 기본설계
¡ 매개변수 분석
- 터빈의 수력학적 성능특성을 고려한 형상변수의 영향성 분석 및 Data Base 구축
¡ 머신러닝 기반 최적설계 기법 개발 - 최적설계를 위한 목적함수 구축
- 머신러닝 연계 다중목적 최적설계 기법 개발
¡ 상반전 조류발전 터빈 다중목적 최적설계 - 실험계획법을 통한 변수 민감도 분석
- 최적설계 기법을 적용한 contra rotating 조류발전 터빈 설계 - 최적설계에 대한 통계적 성능 평가
¡ 국내·외 네트워크를 활용한 자료 수집 및 분석
- 인하대학교, 한국해양대학교, 한국건설기술연구원 및 한국생산기술연구원 등의 국내 조 류발전 분야에 관계된 연구기관들과의 활발한 교류를 통한 자료 수집 및 분석
- 일본 NEDO 프로젝트 참여연구기관과의 활발한 교류를 통한 개발 동향 파악 및 관련 자료 수집
¡ 기존 연구역량에 기반한 효율적 추진
- 기 수행 중인 조류발전 관련 과제에서 습득한 노하우를 바탕으로 효율적으로 과제 추진 - 연구책임자의 펌프, 송풍기, 압축기 등의 다양한 유체기계 설계에 기반한 연구역량을 바
탕으로 contra rotating 조류발전 터빈의 체계적인 최적설계 기법 개발
¡ 연구자의 적극적인 소통을 통한 긴밀한 연구 협력 체계 구축
- 월 1회 이상의 정기적인 내부회의를 수행하여 연구자들이 진행하고 있는 연구 내용을 공유하고 결과에 대해 토의하여 효율적으로 업무 추진
- 연구 결과의 공유하여 이에 대한 참여연구원들의 아이디어를 적용 및 검토
¡ 연구자의 연구역량 강화
- 연구원들의 전문이론 및 효율적인 연구 수행에 필요한 교육 참석을 통한 연구역량 강 화
- 관련 학회, 세미나, 교육 등에 적극적으로 참석하여 개인 역량 강화 및 관련 기술 동향 수집 및 분석
- 국내·외 유수 연구기관의 전문가 초청 강의 추진
- 연구 결과에 대한 국내·외 전문가의 자문을 요청하여 개발 결과에 대한 신뢰성 확보
[그림 1.4.1.1] 연구개발 추진전략
¡ 상반전 조류발전 터빈 기본설계
- Blade Element Momentum Theory(BEMT)를 바탕으로 상반전 조류발전 터빈의 전방 블레이드에 대한 기초설계 수행
- 전방 블레이드의 후류 특성을 고려하여 후방 블레이드에 대한 BEMT 기반 기초설계 수 행
기술의 정의 및 필요성
¡ 매개변수 분석 및 D/B 구축
- 상반전 조류발전 터빈의 전방 로터와 후방 로터 사이 거리 변화에 따른 성능 특성 분석 - 전방 및 후방 블레이드의 피치 각도 변화에 따른 성능 특성 분석
¡ 머신러닝 기반 최적설계 기법 개발
- 실험계획법을 수행하기 위하여 Latin Hypercube Sampling 방식 사용
- 메타모델을 구성하기 위하여 실험계획법으로 도출한 각 실험점에서 전산유체역학을 통 한 목적함수 값 평가
- 계산한 목적함수 값을 입력 값으로 생성하여 인공신경망 훈련 - 구축된 메타모델에서 최적해 탐색
- 목적함수들의 상관관계를 고려하여 Pareto-optimal front surface 도출
¡ Contra rotating 조류발전 터빈 다중목적 최적설계
- 구축한 최적설계 알고리즘을 바탕으로 상반전 조류발전 터빈에 대한 형상 최적설계 수 행
[그림 1.4.2.1] 연구개발 추진체계
제 2 장 국내외 기술개발 현황
¡ 국내 조류발전 기술은 준상용화 단계(TRL 8)에는 미치지 못하였지만, 소용량 조류발전 시스템 개발 연구 등 다양한 시스템 개발 연구가 진행되고 있음. 최근에는 국가적으로 조류발전 실해역 시험장 구축 연구를 시작으로 조류발전 인프라 확대를 추진하고 있음
¡ 국내 조류발전시스템으로는 울돌목 시험조류발전소의 수직축 시스템이 현재 시험 운전 중에 있으며 그 외에 발전소 방수로에 설치된 25kW급, 30kW급 발전설비 등이 있음
¡ 국내 조류에너지 부존량은 약 5GW 이상으로 추정되며, RPS 제도 시행과 기후변화협 약 등 재생에너지 개발의 필요성이 증대됨에 따라 에너지공기업들의 관심이 증가하고 있음
¡ 조류발전 기술은 해양, 기계, 전기 및 토목 분야 등 다양한 분야의 전문가를 필요로 하 는 다학제적인 연구분야임을 감안하면, 관련 분야별 전문가는 국내에 많은 편이며, 다 만 동 기술이 시스템 엔지니어링을 요구함에 따라 다분야에 전문적인 지식을 필요로 함
¡ 한국해양과학기술원에서는 1986년 우수영 조류발전 가능성 조사 연구 이후, 2001년부 터 국가연구개발사업으로 수행한 「조류에너지 실용화 기술개발」을 통하여 수차ㆍ발 전시스템 설계, 지지구조물 설계ㆍ시공, 현장실험ㆍ평가 등의 분야에 많은 전문가를 보 유하고 있으며, 실제 시험조류발전소 설계ㆍ건설ㆍ운영을 통해 시스템 엔지니어링 경 험과 노하우를 보유하고 있음
¡ 한국전기연구원과 한국해양과학기술원에서는 「조류에너지 실용화 기술개발」 연구를 통해 전력변환장치 설계 및 제작기술과 지지구조물의 안전성 평가 분야에 대한 전문 가, 경험과 및 노하우를 보유하고 있음
¡ 현대건설(주), 일진전기(주)와 (주)에코션은 울돌목 시험조류발전소 건설공사를 시행하 면서 각각 조류발전 지지구조물 시공, 동력전달장치 제작, 수차 제작 분야에 많은 경험 과 노하우를 보유하고 있음
¡ 인하대학교에서는 지식경제부 국가연구개발사업인 조류발전 타당성 조사 및 활용기술 개발 연구를 통하여 조류발전의 기초 연구 경험을 보유하고 있음
국내외 기술개발 현황
¡ 표 1-가-2-1은 2000년대 이후 해양수산부 국가연구개발사업으로 진행된 조류발전기술 개발 관련 연구 수행 목록이며, 산학연에서 다양한 기술개발 연구를 수행하였으며, 대 학교에서는 해양에너지 인력양성 연구를 수행하였음
¡ 한국해양과학기술원에서는 2003년 국내 최초로 미국 Northwestern 대학의 Gorlov 교 수와 공동으로 헬리컬 형태의 20kW급 수직축 조류발전장치를 울돌목에 설치하였고, 2005년 해양수산부의 지원을 받아 2009 년 국내 최초로 500kW급 수직축 조류발전장치 2기를 설치하였음(한국해양과학기술원, 2011)
¡ 한국해양과학기술원에서는 2001년부터 해양수산부 국가연구개발사업인 조류에너지 실 용화 기술개발의 일환으로 수직축 조류발전시스템을 적용하여 울돌목 시험조류발전소 를 설계, 건설, 실험 및 운영함. 한편 조류발전시스템이 상용화 단계에 도달하려면 GWh 규모의 전력을 생산, 수년 간 검증이 필요한바 상용화를 위한 MW급 발전시스템 구축 및 장기간 운영이 요구됨. 또한 현재 세계의 조류발전 상용화기술은 대부분 효율 이 좋고 능동제어가 가능한 수평축 조류발전 방식이 표준형으로 개발되고 있는 추세로 세계시장진출 및 경쟁력 확보를 위해서는 수평축 조류발전 시스템 개발이 필요함
¡ 한국해양과학기술원에서는 수직축 조류발전시스템 개발의 후속사업으로 능동제어형 수 평축 조류발전시스템 개발을 수행(2011-2020)한 바 있으며, 2014년에는 20kW급 축소
기관명 과제명 구분 총연구기간 연구
인력수(명) 한국해양
과학기술원 능동제어형 조류발전 기술 개발 연구소 2011-11-11 ~
2018-10-31 46 한국해양
연구원 조류에너지 실용화 기술 개발 연구소 2001-02-01 ~
2010-12-31 28 한국해양
과학기술원 조류발전 실해역 시험장 구축 연구소 2017-04-01 ~
2021-12-31 21 한국해양과
학기술원 조류발전 시스템 성능향상 기술개발 연구소 2013-01-01 ~
2015-12-31 19 목포해양
대학교
해양에너지 R&D 프로젝트 기반
인력양성 대학교 2014-12-22 ~
2017-04-30 6 현대건설㈜ 능동제어형 조류발전시스템
지지구조물 설계 및 시공기술 개발 산업체 2011-11-11 ~
2018-02-28 15 한국해양
연구원 조력ㆍ조류에너지실용화기술개발 연구소 2000-02-01 ~
2010-12-01 41 [표 2.1.1] 국내 조류발전기술 개발 연구 목록(NTIS, 2018)
모형을 제작하고, 울돌목 시험조류발전소에서 실증 실험을 수행하였고, 2020년 200kW 급 능동제어형 조류발전시스템 제작 완료 후 실해역 설치까지 성공하였으나, 발전출력 시험 중 수밀 문제가 발생하여 출력성능을 평가하는데 실패함
¡ 이 연구를 통하여 발전시스템에 대한 설계 및 제작 기술은 상당 수준 확보하였으나, 시스템 수밀성능, 통신을 포함한 전계장 강인설계(robust design), 저비용 설치 시공기 술 및 최적운영 기술 등에 대한 보완이 필요한 것으로 평가됨
[그림 2.1.1] 20kW급 능동제어형 조류발전시스템
[그림 2.1.2] 200kW급 능동제어형 조류발전시스템 설치
¡ 2008년 6월 오션스페이스와 인하대학교가 개발하고 한국남동발전(주)이 참여한 25kW 급 조류발전장치가 삼천포화력발전소 방수로에 시험 설치되었음
국내외 기술개발 현황
[그림 2.1.3] 25kW급 수평축 조류발전 장치
¡ 세계적으로 해양에너지 개발에 많은 투자가 이뤄지고 있으며, 특히 영국과 EU가 해양 에너지 기술개발을 선도하고 있음. 현재 영국, EU, 캐나다를 중심으로 조류발전 상용 화가 진행 중에 있음
¡ 영국과 EU는 조류발전 실증단지 프로젝트를 통해 상용화를 추진하고 있으며, 상용화 에 근접한 조류발전 터빈으로는 SIMEC Atlantis(1MW, 1.5MW), Andritz Hammerfest (1MW, 1.5MW), Siemens(1.2MW), Sabella(1MW) 등이 있음. 비록 1.5MW급 조류발전 터빈까지 개발되고 있으나 대체로 로터 직경은 1MW급과 동일하게 하고, 정격유속과 발전기 정격출력을 증가시켜 개발하는 것으로 1MW급을 표준출력으로 고려할 수 있 음. 이러한 조류발전 터빈은 영국의 EMEC을 비롯하여 프랑스 등에서 실해역 시험을 수행한 바 있음
¡ 또한, 영국을 중심으로 미국, 캐나다, 노르웨이, 네덜란드, 호주 등에서 조류발전 상용 화를 위한 연구가 활발하게 수행되고 있음. 더불어 조류발전기 제작 외에도 자체 기준 수립, 실해역 시험장 구축, 발전단지 조성 등 조류발전 상용화에 필요한 다양한 프로젝 트가 수행되고 있음
¡ 전 세계적으로 조류발전 상용화를 위한 실증시험 및 실증단지 개발이 가속화되고 있으 며, 실증단지 중 가장 대표적인 실증단지는 영국의 MeyGen 프로젝트임
- MeyGen 프로젝트의 1단계 사업으로 영국 스코틀랜드의 MeyGen 지역에 1.5MW급 HS1000 MK1(Andritz Hydro Hammerfest) 발전기 3기와 1.5MW급 AR1500 (Atlantis Resources) 1기가 설치됨
- 6MW급 실증단지가 2015년에 시작되어 2017년부터 운영 중에 있으며, 스코틀랜드 Sound of Islay (10MW), 스코틀랜드 Kyle Rhea (10MW), 프랑스 자르 블라카드 (5.6MW) 등에도 실증단지 건설이 계획되고 있음
¡ 현재 초기투자비(CAPEX; Capital Expenditure) reference는 kW당 10,668Euro (약 14 백만원, 1MW당 약 140억원)정도이며, 균등화 발전단가(LCOE; Levelized Cost of Electricity)는 평균 정도의 입지조건에서 0.54~0.71Euro/kWh이며, LCOE reference는 0.62Euro/kWh(1kWh 당 약 800원) 정도임. 즉, 경제성이 낮은 단계로 다양한 Incentive 정책적 지원이 있음
- 최근 10년간 유럽의 해양에너지 산업체는 개념 정립부터 설치까지 약 1bn Euro(1조 3000억원)을 투자하였음(Ocean Energy Forum, 2015)
- 설치용량이 100MW가 되는 시점에 LCOE reference는 현재의 1/2 수준으로 낮아질 것 으로 예측하고 있음(Atlantis Resource, 2014)
(1) SeaFlow, SeaGen(MCT) - 영국
¡ 영국의 대표적인 상업용 조류발전기 개발사로는 Seaflow, SeaGen 등을 개발한 MCT(Marine Current Turbine)가 있으며, MCT는 2003년 세계 최초로 300kW급 Seaflow를 개발한 후, 1MW급 터빈 2기를 장착한 2MW급 SeaGen-S 시스템을 개발하 였음
- SeaGen-S는 모노파일에 직경 16~20m에 해당하는 두 개의 승강식 터빈이 장착되어 최 대 38m의 수심에서 운영이 가능하도록 설계됨. 또한 1.2MW급 SeaGen이 2008년 북아 일랜드 Strangford Lough에 설치되어 약 3년간 실해역 시험을 수행하여 성능검사를 완 료함
- MCT와 관련 기술은 독일의 발전기 제작사인 Siemens사로 인수된 후, 다시 SIMEC Atlantis로 이전되어 현재는 SIMEC Atlantis의 제품군에 SeaGen이 포함되어 있음
국내외 기술개발 현황
[그림 2.2.1] MCT사의 SeaGen-S 모델
(2) AR1000, AR1500 (SIMEC Atlantis Energy) - 싱가포르, 영국
¡ SIMEC Atlantis Energy는 신재생 분야의 기업으로 싱가포르에서 설립되었지만 운영 본부는 영국 스코틀랜드의 에든버러에 소재. 설립 초기부터 조류발전 터빈 개발 및 프 로젝트 개발자였으나, GFG Alliance의 일원이 된 후 폐기물 에너지 및 수력으로 사업 을 확장하고 있음
¡ SIMEC Atlantis Energy사는 2015년 Marine Current Turbine SeaGen 팀과 Atlantis Turbine 엔지니어링 서비스팀을 인수하여 조류발전 분야의 가장 앞선 기술 및 제품군 을 확보하고 다양한 프로젝트를 개발하고 있음
¡ SIMEC Atlantis Energy의 대표적인 조류발전시스템으로 1MW급 AR1000, AR1000을 개선하여 개발한 1.5MW급 AR1500이 있으며, 현재 2MW급 AR2000을 개발하고 있음
¡ AR1500은 MeyGen 프로젝트 1a단계에 적용되어 현재 상용 운전 중임
EMEC 실해역시험장에서의 AR1000 설치 MeyGen 프로젝트 AR1500 설치
AR1500 개념도 개발 중인 AR2000
[그림 2.2.2] SIMEC Atlantis사의 조류발전시스템 AR1000, AR1500, AR2000
(3) HS1000, HS1000 Mk1 (Andritz Hydro Hammerfest) - 오스트리아, 노르웨이
¡ 오스트리아의 수력발전 전문기업인 Andritz Hydro사는 노르웨이 Hammerfest Strom사 를 합병하며, 조류발전사업에 진출하고 1MW급 HS1000 및 1.5MW급 HS1000 Mk1을 개발함. HS1000 Mk1 모델 3기를 MeyGen 프로젝트에 적용하여 현재 상용 발전 중임
국내외 기술개발 현황
[그림 2.2.3] HS1000 Mk1 설치 준비 작업(출처: Andritz Hydro Hammerfest) (4) Sabella - 프랑스
¡ 프랑스 Sabella사 직접구동식 조류발전시스템을 개발함. 이들이 개발한 조류발전시스템 은 직접구동식(direct drive)으로 증속기가 없고, 또한 피치제어 및 요제어가 없는 발전 시스템으로 고장요인이 거의 없어, 초기 비용인 CAPEX는 상대적으로 높지만, 유지관 리 비용인 OPEX가 매우 낮은 시스템임
- 이와 같은 터빈은 동남아시아와 같이 유지관리 기술과 인프라가 부족한 국가에 적용할 경우 경쟁력이 높을 것으로 예상됨
[그림 2.2.4] Sabella D10 터빈
(5) OpenHydro – 아일랜드, 프랑스
¡ 아일랜드 더블린에 기반을 둔 OpenHydro사는 Open Center형 조류발전시스템을 개발 하여 EMEC 실해역 시험장 등에서 성능시험을 수행한 바 있으며, 이후 2MW급의 Open Centre Turbine을 개발하여 캐나다 FORCE를 비롯하여 프랑스 등에서 성능을 시험하였음
- 이후 영국 및 일본에서 실증단지 성격의 대형 프로젝트를 수행한 바 있으나, 일본에서 의 성능시험 중 블레이드 파손 등의 문제가 발생하여 철수한 바 있음
- OpenHydro는 MCT와 유사하게 2013년 프랑스 전력회사인 DCNS(현재 Naval Energies)에 인수된 후, 조류발전단지 사업 지연 등으로 2018년 청산된 바 있음
[그림 2.2.5] OpenHydro사의 Open Centre Turbine
(6) KHPS (Verdant Power) - 미국
¡ 미국의 Verdant Power사에서는 KHPS 4세대 수평축 터빈모델을 RITE(Roosevelt Island Tidal Energy) project를 통하여 2006~2009년까지 실증시험을 수행하였으며, 최 근에는 35kW급 5세대 모델을 개발하고 있음
- 이 모델은 요잉(yawing) 시스템을 결합하여 흐름방향 변화에 대처할 수 있는 특징을 가지고 있음
- 한편 지난 2020년 개선된 기초프레임 등을 적용하여 성공적으로 재설치한 후 현재 상업 운전 중
국내외 기술개발 현황
[그림 2.2.6] KHPS Gen5 모델
[그림 2.2.7] 뉴욕 East River에 설치 준비 중인 Verdant Power의 조류발전시스템 (Verdant Power)
(7) HyTide (Voith Hydro) - 독일
¡ Voith Hydro사는 1MW급의 HyTide를 개발하여 2013-2015년 EMEC에서 성능시험을 수행
- 한편 Voith Hydro사는 2009-2011년 110kW급 HyTide터빈을 우리나라 장죽수도에 설치 하였으나 출력시험 결과는 보고되지 않고 있음
EMEC 설치 중인 1MW급 HyTide 시스템 110kW급 HyTide 시스템 [그림 2.2.8] Voith Hydro사의 HyTide 시스템
(8) TidGen Power System(Ocean Renewable Power Company) - 미국
¡ 미국의 ORPC(Ocean Renewable Power Company)는 60kW급의 TidGen Power System을 2012년 개발하고, 이 시스템에 대하여 Cobscook만에서 성능시험을 수행
[그림 2.2.9] TidGen Power System (9) Kairyu (IHI) - 일본
¡ 일본의 경우 쿠로시오 해류가 주변에 흐르고 있어 약 205GW 수준의 해류발전 부존량 이 있는 것으로 평가되고 있음. 특히 유속 1~2m/s의 해류는 일방향성과 지속성의 장점 이 있어 해류발전 시 설비이용률이 높은 장점이 있음
- 일본의 해류발전 발전단가는 대규모 단지 시, kWh당 20엔, 소규모 단지 시 kWh당 40 엔을 목표로 하고 있음
국내외 기술개발 현황
- 2017년 8월 일본의 중공업사인 IHI와 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 사업의 일 환으로 100kW급 해류발전시스템인 Kairyu를 개발하여, 현재 실증시험을 수행 중
[그림 2.2.10] 일본 쿠로시오 해류 내의 해류발전기 설치 계획
100kW급 해류발전시스템 Kairyu의 개념도 실해역 시험을 위한 Kairyu [그림 2.2.11] 일본에서 개발 중인 100kW급 해류발전시스템 Kairyu (출처: IEA-OES, 2019)
(10) 절강대학교 600kW급 조류발전시스템 (중국)
¡ 절강대학교는 중국에서 가장 활발하게 조류발전시스템을 개발하고 있는 기관으로 지난 2014년 5월에 60kW 반직접구동식(Semi-direct drive) 수평축 조류발전시스템을 개발하 여, Zhoushan 인근 해역에서 실증시험을 착수
- 2015년 4월 말까지 누적발전량 20MWh를 달성한 바 있음
- 현재 이 시스템을 기반으로 600kW 조류발전시스템을 제작하고 있음
¡ 한편, 현재까지 중국에서는 총 12기의 수평축 조류발전시스템(1kW-100kW급)을 개발
[그림 2.2.12] 60 kW 수평축 조류 발전 장치 실증시험 및 야경 (11) 해능 III (하얼빈 공대, 중국)
¡ 현재까지 중국에서 개발된 수직축 조류발전시스템의 경우, 발전용량이 주로 15-300kW 급이며, 하얼빈 공대에서 개발한 수직축 조류 발전 장치 “해능(海能) III”는 2013년 12 월부터 Daishan 인근 해역에서 1년 동안의 실증시험을 수행하였으며, 앵커 이동으로 인하여 회수 후 수리하여, 현재 재운영되고 있음
[그림 2.2.13] 해능(海能) III 실증시험
국내외 기술개발 현황
(12) LHD 린동 모듈화 수직축 조류발전시스템 (LHD, 중국)
¡ 중국 LHD 린동(林东)사는 2016년 3월 Xiushan 인근 해역에 조류발전용 플랫폼 설치 후, 2016년 7월 600kW급 터빈 1기, 400kW급 터빈 1기를 플랫폼에 설치한 후 8월 전 력망에 연결한 후, 2018년 12월 400kW급, 300kW급 터빈을 추가 설치한 바 있음 - 2020년 10월까지 누적발전량은 1.9GWh이며, 현재 절강성 지방정부와 발전차액 보전 계
약을 2.58위안/kWh(443원/kWh, 172원/위안 환율 적용)으로 체결한 바 있음
[그림 2.2.14] LHD 해양조류 발전 장치
LHD 조류발전 플랫폼 전경 LHD 조류발전 터빈 설치 [그림 2.2.15] LHD 조류발전 플랫폼 전경 및 터빈 설치 사진(출처: IEA-OES, 2019) (13) Lunar Energy - 영국
¡ Lunar Energy사는 1 MW급 양방향 수평축 조류발전시스템으로 대칭의 벤츄리덕트 (venturi duct)를 사용하고 있는 LTT(Lunar Tidal Turbine)을 개발하였으며, 최근에는 2.4MW급 LTT를 개발하고 있음
[그림 2.2.16] Lunar Energy사의 LTT 조류발전시스템
¡ 고정식 중심의 조류발전 관련 연구 또는 소규모 부유식 조류발전시스템에 대한 연구가 이루어지고 있는 우리나라와 달리 외국에서는 준상용화 단계의 MW급 부유식 조류발 전시스템이 개발이 이미 추진되고 있음
- 스페인 Magallanes Renovables사는 Ocean2G 프로젝트를 통하여 1MW급 터빈 2기를 전후에 배치한 2MW급 부유식 조류발전시스템을 개발하여 EMEC에서 실증 중에 있음 - 영국 Orbital Marine Power에서는 Scotrenewable SR2000을 기반으로 1MW급 터빈 2
기를 좌우에 배치한 2MW급 부유식 조류발전시스템 Orbital O2를 개발하여, EMEC에 서 실증 수행 중
국내외 기술개발 현황
Ocean_2G Project (Magallanes Renovables,
Spain)
Orbital O2 (Orbital Marine Power, UK) [그림 2.3.1] 국외에서 개발된 MW급 부유식 조류발전시스템 사례
¡ 다양한 수백kW급 부유식 조류발전시스템 개발
- Sustainable Marine Energy사는 여러 발전모듈을 연결한 280kW 부유식 조류발전시스 템 PLAT-I 개발 및 캐나다 Nova Scotia의 Grand Passage에서 실증
- 스웨덴 Minesto사는 Kite 형식의 0.5MW급 DeepGreen을 개발하여 실증 완료
- 일본은 50kW급 터빈 2기를 연결한 100kW급 부유식 해류발전시스템인 Kairyu 개발 및 실해역 실증 중
¡ 부유식 조류발전시스템의 구조적 안정성 확보하기 위해 스코틀랜드의 Strathclyde 대 학에서는 상반전 터빈 (CRT, contra-rotating turbine)을 개발함. 전방터빈과 후방터빈 이 서로 반대방향으로 회전하여 후류의 와류발생을 안정화시키고 모멘트를 서로 상쇄 시켜 안정적인 계류가 가능함
DeepGreen (Minesto, Sweden) CRT (Nautricity Ltd, Scotland)
Plat-I Platform (Sustainable Marine
Energy, UK) 100kW Kairyu (IHI, Japan) [그림 2.3.2] 국외에서 개발된 다양한 중소규모 부유식 조류발전시스템 사례
¡ 국내에서는 상반전 조류발전시스템에 대한 개념 설계 및 연구실 규모의 실험이 수행됨
¡ 외국에서는 상반전 조류발전시스템에 대한 기술을 조류발전 터빈의 선진기술로서 인식 하고 기술선진국을 중심으로 이에 대한 연구를 적극적으로 수행하고 있음
(1) CoRMat (Nautricity) : 영국
¡ Nautricity는 2010년 Strathclyde 대학 기계공학과 Cameron Johnstone 교수가 개발한 CoRMaT 기술의 사업화를 위하여 설립한 기업으로, CoRMaT은 두 개의 로터가 서로 반대방향으로 회전하면서 로터를 직접구동하고 발전기의 고정자도 회전시키는 역회전 터빈(Counter rotating turbine)으로 구성되어 있음
- 수심 8m에서 500m에 배치할 수 있는 500kW급 CoRMaT 실물 시스템은 2014년 EMEC 의 Shapinsay Sound 시험장에서 시험되었고, 2015년에 Fall of Warness 시험장에서 계 통연계 시험을 계약하여, 2017년 4월에 설치
국내외 기술개발 현황
- 이후 수리 등의 작업이 있었고 2018년 3월에 시험 데이터와 구조물 등에 대한 평가를 시행하였음
- Scottish Enterprise의 Smart Scotland 보조금(25만유로)으로 테더 기반 계류시스템인 HydroBuoy 스테이션 기술을 개발함
[그림 2.4.1] Contra rotating turbine(좌)와 EMEC에서의 설치(우)
(2) MORILD 2 (Hydra Tidal Energy Tech.) : 노르웨이
¡ Hydra Tidal Energy Tech(HTET)는 2010년 8월 중순 해상형 조류발전기인 MORILD II를 노르웨이 Lofoten의 Gimsoy에 설치하고 2010년 11월 1일부터 2012년 11월 1일까 지 총 2년간 실증시험을 수행
- 2011년에 피로(fatigue) 문제로 시험이 중단되었다가 복구된 바 있음
- MORILD II는 1.5MW용량으로 피치제어가 가능한 4개의 터빈(지름 23m)으로 구성되고, 유압식 변속기를 통해 2개의 발전기로 연결됨
- 이 프로토타입은 발전 전력을 해저케이블로 전송하고, 육상 감시제어 시스템에서 원격 작동이 가능하며, 현재는 해역에 설치되어 있지 않은 것으로 보임
[그림 2.4.2] Gimsoy에 설치된 Morild II(좌), 그래픽 이미지(우)
¡ Statkraft은 HTET의 지분을 소유한 회사 노르웨이의 수력발전 기업으로 1MW 용량의 Morild을 먼저 설계한 것으로 판단됨
- Morild는 500kW 발전기 2대가 있는 2개의 엔진실이 있고 터빈 2대가 각 발전기와 연결 되며, 구조물의 길이는 38m, 수중 최대 지점은 25m, 수면 위의 너비 15m, 높이 7.2m임.
Morild 1, 2의 개발 과정 및 시험 결과 등의 자료의 공개는 제한적임
[그림 2.4.3] Morild 1 개념도
연구개발수행 내용 및 결과
제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과
¡ BEMT(Blade Element Momentum Theory) 기반 블레이드 설계 수행
¡ Momentum Theory
(1) 속도와 압력에 관한 기본 가정은 아래 그림과 같음
[그림 3.1.1.1] 속도와 압력 구배
(2) (1)에서의 1, 2, 3 부분에 관한 속도, 압력의 평형을 베르누이 방정식으로 가정함
(3) (2)에서의 속도를 축방향 유입계수(a)를 도입해 다음과 같이 가정함
(4) (3)을 (2)에 대입하면 (1)에서의 3부분의 속력이 다음과 같이 도출됨
(5) (4)를 다시 (2)에 대입하면 추력과 파워가 다음과 같이 도출됨
(6) 이를 원통좌표계로 변환하면 추력과 토크는 다음과 같이 도출됨
¡ Blade Element Method
(1) Momentum Theory에서 가정한 축방향 유입계수와 회전방향 유입계수로 인해 받음 각이 불분명하므로 입사각도를 가정한 날개 단면의 추력과 토크는 다음과 같음
연구개발수행 내용 및 결과
[그림 3.1.1.2] 익형의 앙력 및 항력
(2) 입사각도의 Tangent는 다음과 같이 회전방향 속도 대비 유입속도임. 또한 받음각의 경우 입사각도에서 Twist 각과 Pitch각을 차감한 값임
[그림 3.1.1.3] 속도삼각형
¡ Blade Element Momentum Theory
(1) Momentum Theory와 Blade Element Method에서 구해진 추력, 토크를 연계시키면 다음과 같이 반복 작업식이 도출됨
여기서 σ는 solidity로 원주대비 블레이드가 차지하는 영역의 비임
¡ BEMT 반복식의 차용
(1) 축유입계수(a) = 1/3, 회전방향 유입계수(a’) = 0을 가정하면 코드길이에 관한 식은 다음과 같음
(2) 동일한 가정을 했을 때에 입사각도에 관한 식은 다음과 같음
tan
연구개발수행 내용 및 결과
(3) 받음각의 경우 양항비가 최고가 되는 각을 찾음
(4) (1)~(3) 과정을 거치면 반경대비 코드와 Twist angle의 분포가 결정되고 이러한 분포 를 합당하게 fitting 시키는 과정이 요구됨. 현 과제에서는 코드와 Twist angle 모두 Linear하게 분포하는 것으로 가정하였음
¡ 단면
- 유체성능과 구조적인 강도를 고려하여 DU25 단면을 사용
- 제작의 용이성과 연구의 초점을 설계 및 최적화 조건을 찾는 것에 맞추기 위해 스팬방 향마다 다른 단면을 사용하지 않고 단일 단면을 사용
[그림 3.1.3.1] DU익형
¡ 코드길이
- 구조적인 강도를 높이기 위해 허브부의 코드길이는 직경의 13.5%로 고정 - 터빈 끝 부분의 코드길이는 최대 양항비를 가지는 받음각으로 설계 - 터빈 끝과 허브 사이의 Span에서는 Linear하게 변화됨
[그림 3.1.3.2] 반경에 따른 코드길이 변화
¡ Twist angle
- 터빈 끝 부분의 Twist angle은 최대 양항비를 가지는 받음각으로 설계
- 터빈 끝과 75% 받음각은 터빈의 반경 25% 내외 지점까지 거의 증가량이 없으므로 나 머지 스팬에서의 Twist angle을 동일하게 적용함
[그림 3.1.3.3] 반경에 따른 pre-twist angle 분포
¡ 터빈 반경
- DU25 단면에서 발생하는 최대 양항비로 각 스팬에서의 코드길이를 정하고 Linear하게 코드 길이와 Twist angle을 변화시킬 경우 반경이 5.2m일 때 250kW를 상회하는 것을
연구개발수행 내용 및 결과
확인하였음
- 반경 5.2m는 기존에 설계된 다른 200kW급 터빈의 직경과 유사함
¡ 허브/나셀 반경
- 허브/나셀 반경은 Generator 외 발전에 요구되는 전기장치들이 원활하게 배치될 수 있 게 1.4m로 정하였음
- 동일한 이유로 허브/나셀의 길이는 6m로 정하였음
[그림 3.1.3.4] 250kW급 단일 터빈의 기본형상
¡ 출력
- 아래 그림을 참조하면 피치각이 커짐에 따라 출력이 낮아지는 사실을 확인할 수 있음 - TSR = 5 근방에서 최대 출력 계수와 출력이 발생함을 알 수 있고 최대 출력 계수의
경우 그 값은 피치각이 7도인 경우 0.42, 출력은 270kW임을 확인할 수 있음 -
¡ 추력
- 아래 그림을 참조하면 피치각이 커짐에 따라 추력이 낮아지는 사실을 확인할 수 있음 - 높은 TSR부근에서 추력의 차이가 현저히 크기 때문에 피치각이 7도인 경우가 출력/추
력 모두를 고려했을 때 가장 나은 선택임을 알 수 있음
[그림 3.1.3.5] 250kW급 단일 터빈의 피치각도 변화에 따른 성능 변화
¡ 단면
- 단면은 DU25로 250kW급 터빈과 차이를 두지 않았으며 이는 비교 변수를 줄이는 역할 을 함
- 코드길이, Twist angle를 결정하는 기준과 절차는 250kW급 단일 터빈을 설계할 때와 동일함
¡ 터빈 반경
- 250kW급의 반경인 5.2m 보다 1.2m 작은 4m의 반경을 가질 때 150kW급 터빈이 설계
연구개발수행 내용 및 결과
됨을 확인
¡ 출력
- 아래 그림을 참조하면 피치각이 커짐에 따라 최고 출력 및 최고 출력 계수의 값이 변화 가 작음을 확인하였음
- TSR = 5 근방에서 최대 출력 계수와 출력이 발생함을 알 수 있고 최대 출력 계수의 경우 그 값은 피치각이 7도인 경우 0.38, 출력은 150kW임을 확인할 수 있음
¡ 추력
- 아래 그림을 참조하면 250kW급 설계 결과와 마찬가지로 피치각이 커짐에 따라 추력이 낮아지는 사실을 확인할 수 있음
- 250kW급 설계때 적용된 논리와 동일하게, 높은 TSR 부근에서 추력의 차이가 현저히 크기 때문에 피치각이 7도인 경우가 가장 나은 선택임을 확인할 수 있음. TSR=5에서 추력계수는 0.65, 추력은 100 kN임을 알 수 있음
[그림 3.1.4.1] 150kW급 단일 터빈의 피치각도 변화에 따른 성능 변화
¡ 유입속도
- Inlet 유입속도의 deficit (γ) 을 알 경우 BEMT 루틴에서 유입속도는 다음과 같이 바뀜
- 이는 입사각도식과 TSR에 영향을 줌
¡ 입사방향
- 전면부 터빈의 회전으로 인해 후류에 특정한 각도(ψ)가 생기는 경우 이를 보정하기 위 해 BEMT 루틴중 받음각에 관한 식은 다음과 같이 바뀜
\¡ 전방 블레이드의 후류 특성을 분석하기 위한 U-RANS (Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes) 해석을 수행함
¡ 블레이드의 직경(D) 대비 0.1~0.3D의 후류에서 유속 분포를 분석함
¡ 각 위치에서 블레이드 span 방향으로 유속 특성을 분석함
¡ 블레이드 span에 따른 속도 분포의 평균을 주유속(2.5m/s)와 비교하면, 0.1D 후방에서 의 속도는 약 77%로 유속이 감소함
¡ 후류는 0.2~0.5D까지 71%, 68%, 66%, 그리고 64%로 평균 유속이 감소함
연구개발수행 내용 및 결과
표 3.1.5.1 0.1D 후류 특성
Span Velocity [m/s] Degree [°]
Near hub 1.35 76.04
25 1.73 79.30
50 1.95 84.64
75 2.15 87.64
Near Tip 2.42 -89.23
Avg. 1.92 -
표 3.1.5.2 0.2D 후류 특성
Span Velocity [m/s] Degree [°]
Near hub 1.07 74.49
25 1.57 78.05
50 1.83 84.09
75 2.08 87.34
Near Tip 2.34 89.90
Avg. 1.78 -
표 3.1.5.3 0.3D 후류 특성
Span Velocity [m/s] Degree [°]
Near hub 0.95 72.21
25 1.48 77.28
50 1.75 83.46
75 2.02 87.02
Near Tip 2.32 89.84
Avg. 1.71 -
표 3.1.5.4 0.4D 후류 특성
Span Velocity [m/s] Degree [°]
Near hub 0.87 69.92
25 1.41 76.45
50 1.69 83.05
75 1.98 86.80
Near Tip 2.29 89.70
Avg. 1.65 -
표 3.1.5.5 0.5D 후류 특성
Span Velocity [m/s] Degree [°]
Near hub 0.83 68.48
25 1.36 75.82
50 1.66 82.98
75 1.94 86.59
Near Tip 2.22 89.27
Avg. 1.60 -
¡ 단면은 250kW급, 150kW급과 동일하게 DU25이며 코드와 twist angle을 정할 때에는 URANS에서 측정된 전면 터빈 후류의 유속과 방향을 고려하였음
¡ 블레이드 개수는 전면 터빈의 공진주파수를 회피하기 위해 4개로 정하였음
¡ URANS에서 측정된 전면 터빈 후류의 유속과 방향은 전면 터빈에서 0.1D-0.5D까지 0.1D간격으로 측정되었으며 결과는 아래와 같음 (기준 유속 = 2.5 m/s)
¡ 추후 전면 터빈으로부터 0.4D, 0.5D 떨어질 경우 유속 손실이 지나쳐 평가대상에서 제 외함
¡ 보통 터빈 끝에서의 twist angle이 허브 쪽에서의 twist angle보다 작은 반면, 전방 터 빈의 후류의 속도와 방향을 고려한 후방 블레이드 설계에서는 터빈 tip에서의 twist angle이 커짐
¡ 터빈의 수력학적 성능특성을 고려한 형상변수의 영향성 분석 및 D/B 구축
- 전방 터빈의 후류는 0.5D 이내에서 터빈으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 그 세기가 감 소함을 알 수 있고 후방 터빈의 성능은 후류의 영향을 크게 받는 것으로 확인됨
- R1 (유격 = 0.1D)인 경우 유속저하가 가장 적어 출력이 가장 높고 블레이드 수를 늘림에 따라 최적 TSR이 4 근방으로 낮아짐을 확인하였음. 이때 출력은 100kW로 확인하였음 - 추력의 경우 R1, R2, R3 모두 유사한 값을 가지는 것을 확인하였고 이는 축 방향 유속
손실이 추력에 영향을 미치지 못한다는 것을 뜻하며 출력의 변화는 후류의 유속 손실보
연구개발수행 내용 및 결과
다는 유속 방향에 영향을 더 많이 받음을 알 수 있음. 이는 반대로 전면 터빈에서 후류 의 방향을 제어하는 것이 중요함을 뜻함
[그림 3.2.1.1] 전방 블레이드와 후방 블레이드 사이 거리 변화에 따른 형상 변화
[그림 3.2.1.2] 후방 블레이드 단일 터빈에 대한 성능 변화