조류 양수 융합발전시스템 개발 및 실증

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제 출 문

한국에너지기술평가원장 귀하

본 보고서를 조류 양수 융합발전시스템 개발 및 실증 개발기간“ - ”( ：2016.05.01~

과제의 최종보고서

2019.10.31) 10부를 제출합니다.

2019.12.15.

주관기관명 ː필즈엔지니어링 주( ) (대표자 나장훈 직인생략) ( ) 참여기관명 ː한국해양과학기술원 (대표자 김웅서 직인생략) ( ) 참여기관명 ː( )주 원방포스택 (대표자 최두환 직인생략) ( )

총괄책임자 최상규 :

참여기관책임자 김지훈 :

참여기관책임자 유창수 :

산업기술혁신사업 공통 운영요령 제37조에 따라 보고서 열람에 동의 합니다.

(4)

기술개발사업 최종보고서 초록

일반 현황 1.

사업명 산업기술혁신사업 기술분류 해양 발전설비 기기개발, / , 해양구조물 설비기술/ 과제명 과제번호( ) 조류 양수 융합발전시스템 개발 및 실증- (20163010071630)

주관기관

기관 기업 명

( ) 필즈엔지니어링 주( ) 설립일 2006.06.26.

주소 서울특별시 금천구 가산동 459-11 제이플라츠904,905호 대표자

기관장

( ) 나장훈 연락처 070-7014-8324

홈페이지 www.pields.com Fax 02-2637-0884

기술 개발 현황

총괄책임자 최상규 실무담당자 한보라

참여기관 책임자

( ) 한국해양과학기술원 김지훈( ), ( )주 원방포스택 유창수( ) 총사업비

천원 ( )

정부출연금 민간부담금

현금 현물 합계

3,440,000 629,400 417,600 4,487,000 총수행

기간 2016.05.01. ~ 2019.10.31.

기술개발 개요

2. (개발기술 및 제품 소개 전반적인 개발기술에 대한 요약 정보, )

조류 양수 융복합 발전시스템은 조류 양수펌프 지지구조물 수로 수조 소수력발전기- , , , , , 컨트롤 장치 등 개 요소로 구성됨6

조류를 이용한 조유속 저수심 조류 펌프의 제품 개발과 이를 활용한 양수 된 해수를 활/ 용하여 필요한 시점에 전기를 생산할 수 있는 5kW급 발전설비는 소수력발전으로 구축 하고 수조에 저장된 해수는 양식에 활용 할 수 있는 제품임,

(5)

개발결과 요약 3.

키워드 조류 양수 소수력 복합발전 에너지저장시스템 통합제어시스템, , , , , 핵심기술 조류 펌프를 이용한 해수 양수 및 이를 활용하여 필요한 시점에

전기를 생산할 수 있는 소수력 발전 시스템

최종목표

조류 양수 융합발전시스템 실용화 기술 개발 및 실증- , 5kW급 발전설비구출

- 펌핑 높이 : 10m - 펌프 출력 : 8kW - 펌프 효율 : 20%

- 조류양수 발전 출력 : 5kW

개발내용 및 결과

조류 양수 융합 발전시스템 실용화 기술개발- 급 발전설비 구축

5kW

조류 펌프 설계 제작 실험 검증 맞춤식 지지구조물 설계, , , 적지 선정 및 조류양수융합시스템 설계 제작 설치 및 실증, ,

기술개발 배경

신재생 에너지의 국제적 동향으로는 신재생 에너지 개발 및 보급에 대한 국제적 압박이 강해지고 있음

국내외 환경에 대응하기 위한 전략으로 해양에너지 중에서 국내외 부 존량이 풍부한 조류에너지를 활용한 신재생에너지를 생산하는 것에 대한 기반을 두고 있음

핵심개발 기술의 의의

남해안은 풍부한 조류에너지가 있음에도 개발되지 못하고 전력 공급이 되지 않는 크고 작은 도서지역이 많음

동남아를 중심으로 저개발국 지원사업을 통한 국의선양 가능

적용 분야

조류기반 융복합발전 실용화 기술개발 및 실증을 통한 상용화 추진 및 국내외 시장 진출

양수된 해수는 양식과 발전에 활용 가능하고 담수화와 연계하여 , 국내외 도서지역 지원

조류실증 및 소수력발전 분야

(6)

기술 및 경제적 성과 4.

기술적 성과

국내외 최초 시도 실제 조류발전에서 진동식 터빈분야( ) 양수 높이 10m 달성

특허 건 해과원 건 필즈 건6 ( 3 , 3 ) 논문 건 해과원 국내 건 국외 건9 ( 3 , 6 )

경제적 성과

조류양수 발전시스템을 통한 해양에너지 저장 이용의 신규 에너지 자원 확보

조류터빈 기반 펌프 기술과 양수발전 통합 설계 기술을 통한 국내 도서지역 보급 사업 및 국외 KOICA 지원 사업 등에 활용

파급 효과 및 기대 효과 5.

파급 효과 저탄소 친환경 발전시스템으로써 탄소 배출량 저감에 기여하여 기후 변화에 대응

기대 효과 친환경 복합발전시스템으로 관광목적으로 활용이 가능하고 수조를 양식 뿐만 아니라 낚시 드의 레저 활동으로 활용 가능

해당 기술 제품의 시장 현황 6. ,

- 조류 양수 융합 발전기는 개발사례 및 직접적인 시장 규모가 없음-

- 따라서 융합 발전기의 핵심 요소인 조류발전 양수 포함한 소수력 발전의 시장 규모, 로 대체함

조류발전 시장 2030년까지 365MW 건설예정으로 건설비 50 /MW 억 기준에 의하면 건설만 18조원 시장이 예상됨

소수력발전 시장 소수력의 경우 수차시스템에 10 , 억 구조물에 20억 정도가 소요되어 억 가 예상되어 조원의 건설 시장이 있음

30 /MW 140

제품 사진

7. (기술개발 제품 관련 사진 그림 도면 등, , )

(7)

기술개발사업 주요 연구성과

< >

사업명 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업( )

과제명 과제번호( ) 조류 양수 융합발전시스템 개발 및 실증-

주관기관명 필즈엔지니어링 주( ) 설립일 2006.06.26.

주소 서울특별시 금천구 가산동 459-11 제이플라츠904,905호

대표자 기관장( ) 나장훈 총괄책임자 최상규

총수행기간 2016.05.01. ~ 2019.10.31.

총사업비 백만원( ) 4,487 정부출연금 3,440 민간부담금 1,047 참여기관 책임자( ) 한국해양과학기술원 김지훈( ), (주 원방포스택 유창수) ( )

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 0 억원 향후 년간 매출3 77 억원 관련제품 개발후 현재까지 0 억원

향후 년간 매출3 0 억원

시장 점유율

개발제품

개발후 현재까지 국내 : 0 % 국외 : 0 % 향후 년간 매출3 국내 : 100%

국외 : 50%

구체적인 연구 성과

□

지식재산권 1.

국내 외 특허 실용신안 프로그램 등록 기타 등으로 종류 구분

( ․ , , , )

번 호 종 류 명 칭 출원일 등록일 국 명 등록번호 발생차수

1 특허

왕복 회전식 유동터빈의

비상상황 회피장치 및

방법

2018.5.14. 2019.9.26 대한민국 제10-20308 호

10 3차년도

2 특허

조류 발전 / 시스템을 이용한 데이터

센터의 전력 및 냉각수 공급 시스템

2019.5.21 대한민국

출원번호

( )

10-2019-0 059467

차년도 3

3 특허 조류 양수 /

발전 시스템 2019.5.13 대한민국

출원번호

( )

10-2019-0 05599

차년도 3

4 특허 왕복회전식

양수장치

2015.11.0 3

2017.10.1

3 대한민국 제10-17880 호

01 2차년도

5 특허

듀얼 연동 왕복회전장치

와 이의 저장방법 및

가동방법

2016.09.3 0

2017.10.1

6 대한민국 제10-17885 호

57 1차년도

6 특허

Multiple Oscillating

Water Pumping

Device

2016.8.9 미국 1차년도

(9)

논문 게재 발표 실적

2. /

번 호 구분 (논문 게재 or

학회발표) 논문명 저자명 저널명 일시 구분

국내 ( ,국외)

SCI 등재 여부

발생 차수

1 논문 게재

Power extraction performance of three types of flapping hydrofoils at a Reynolds number of 1.7E6

Patar Ebenezer Sitorus, Jin Hwan Ko

Renewable Energy

2019.

03 국외 O 3차년도

2 논문 게재

Hydrodynamic characteristics of cambered

NACA0012 for flexiblewing application of a flapping-type tidal stream energy harvesting system

Patar Ebenezer Sitorus, Jin Soon – Park , Jin Hwan Ko

International Journal of

Naval Architecture

and Ocean Engineering

2019.

01 국외 O 3차년도

3 학회 발표

Experimental study on the tidal current and pumped storage hybrid power generation

김지훈, Patar Ebenezer Sitorus, 원보름, 고진환

71st Annual Meeting of the American

Physical Society Division of

Fluid Dynamics

2018.

11 국외 X 3차년도

4 논문 게재

쥐가오리 모방 진동식 조류 터빈의 출력 향상에 대한 실험적 연구

고진환, 김지훈

Ocean and Polar Research

2017.

12 국내 x 2차년도

(10)

5 학회 발표

조류 양수 - 융합발전시스템의

유동 가시화에 대한 초기 연구

서정화, 김지훈, 성백훈, 고진환, 이신형

2017 한국해양과학

기술협의회 공동학술대회

2017.

6 학회 발표

Experimental and numerical study of a flapping tidal stream

김지훈, Tuyen Quang Le, 고진환,

Patar Ebenezer Sitorus, Indra Hartarto Tambunan, 강태삼

The 70^th Annual Meeting of the

American Physical Society Division of Fluid Dynamics

2017.

7 학회발표 A

Flow-Visualizat ion Study of a Multiple Hydrofoils Duct with Particle Image Velocimetry Equipment in KIOST

김지훈, Patar Ebenezer Sitorus, 원보름, Tuyen Quang Le, 고진환, 김도영, 장인성

The 12^th International Symposium on Particle Image Velocimetry

2017.

8 학회 발표

D e v e l o p m e n t of a Dual

Flapping Tidal Current Generator in Korea

Jin Hwan Ko, Ji hoon Kim, Patar, Hye ju Park

Oceans ‘16 2016.

09 국외 x 1차년도

9 논문 게재

유동가시화를 통한 다중 수중익 덕트 내 유속조절에 대한 연구

김지훈, 파타르, 원보름, 투엔, 고진환

Journal of the Korean Society of Visualization

2016.

(11)

기술이전 실적 3.

번호 기술이전 내역 대상국명 대상기관명 이전일시 수입금액 백만원( ) 발생차수 1

조류 에너지를 이용한 양수발전 융합시스템

대한민국 필 즈 엔 지 니

어링 주( ) 2019.02.01 3차년도

인증 포상 실적 등 국내 및 국외

4. / ( )

번호 구분 명칭 일시 국명 수여기관명 발생차수

1 신청 신기술인증 2019.3.28 대한민국 한국산업기술

진흥협회 3차년도 2 신청 녹색기술 2019.6.27 대한민국 한국산업기술

진흥원 3차년도 사업화 계획 및 매출 실적

5.

항 목 세부 항목 성 과

사업화 계획

사업화 소요기간 년( ) 3 (2021~2023)년 소요예산 백만원( ) 2,260

예상 매출규모 억원 ( )

현재까지 3년후 5년후

0 77 161

시장 점유율

단위(%) 현재까지 3년후 5년후

국내 0 100 100

국외 0 50 50

향후 관련기술 제품을 , 응용한 타 모델 제품 ,

개발계획 무역 수지

개선 효과

단위 억원

( : ) 현재 3년후 5년후

수입대체 내수( ) 0 40 80

수 출 0 33 77

고용 창출 6.

항목 세부 항목 성 과

고용 효과

개발 전 연구인력 3 명

생산인력 0 명

개발 후 연구인력 5 명

생산인력 35 명

(12)

기타 성과 7.

변경 이력 있을 경우 기재

8. ( )

(13)

목 차

제 1 장 서론 ...12 제 절 과제의 개요

1 ...12 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 기술개발 내용 및 방법( ) ...18

제 절 최종 목표 및 평가 방법

1 ...18 제 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위

2 ...22 제 절 수행 결과의 보안등급

3 ...31 제 절 유형적 발생품 연구시설 연구장비 등 구입 및 관리 현황

4 ( , ) ...31

제 3 장 결과 ...32 제 절 연구개발 최종 결과

1 ...32 제 절 연구개발 추진 체계

2 ...206 제 절 고용 창출 효과

3 ...208 제 절 자체보안관리진단표

4 ...210 제 4 장 사업화 계획 ...213

제 절 시장 현황 및 전망

1 ...213 제 절 사업화 계획

2 ...219

부 록 시험성적서 도면 설계도 등: , ,

(14)

제 장 서론 1

제 절 과제의 개요

기술개발의 필요성과 관련 현황 1.

가 개발 대상 기술

. ․제품의 개요

연구개발 배경 o

신재생 에너지의 국제적 동향으로는 신재생 에너지 개발 및 보급에 대한 국제적 -

압박이 강해지고 있으며 파리에서 개최된 년 차 기후변화협약을 예로 들 수

2015 21

있음 표

( “주요 국가들의 온실가스 감축목표”참조)

또한 국내는 년 온실가스 배출전망치 백만톤에서 저감된 백만톤

2030 850.6 37% 535.8

까지를 목표로 하는 등 목표수위가 점차적으로 높아지고 있는 추세임

.

주요 국가들의 온실가스 감축목표

러시아 미국 스위스 유럽연합 한국

년 대비 1990

감축 25∼30%

년 대비 2005

감축 26∼28%

년 대비 1990

감축 50%

년 대비 1990

감축 40%

대비 BAU

감축 37%

미국(2025 )년 을 제외한 국가 2030년까지 감축목표

■

온실가스 배출전망치 억 천 만톤

BAU : (8 5 60 )

■

출처 : http://www.eknews.net/xe/471116

이러한 국내외 환경에 대응하기 위한 전략으로 해양에너지 중에서 국내외 부존량이 -

풍부한 조류에너지를 활용하여 신재생에너지를 생산하는 것에 기반을 두고 있음

.

표 해양에너지 부존량 참조

( “ ” )

해양에너지 부존량

해양에너지

종류 조력 조류/ 파력 열

해수온도차

( ) 염도차 합계

연간 잠재적 발전가능량

년 (TWh/ )

7,800 29,500 44,000 1,650 82,950 비고 출처 세계 해양에너지 잠재 자원량 세계( )(IEA-OES 2011)

해양에너지

종류 조력 조류 파력 합계

에너지

부존량(kW) 650만 100만 650만 1,400만

주분포지 서해안 남해안 남해·동해안 3면

비고 출처 신재생에너지 RD&D 부존량 2030(한국)(KETEP 2011)

(15)

개발필요성 o

남해안은 풍부한 조류에너지가 있음에도 개발되지 못하고 전력 공급이 되지 않는 -

크고 작은 도서지역이 많고 도서지역들의 환경개선을 위해서도 다른 외적 동력의

,

도움없는 독립적 발전설비가 요구되는 상황임

이 지역들은 저유속이면서 저수심이고 많은 전력을 필요로 하고 있지 않고 설치에

,

따른 비용부담이 저감된 지역별 맞춤형 저용량 조류발전시스템이 최적이며

,

이 시스템으로서는 틈새 시장을 확보할 수 있는 사회 경제적 이점을 갖게 됨

또한 최근 증가추세에 있는 동남아를 중심으로 저개발국 지원사업을 통한 국위선양 -

을 할 수 있고 저가형 발전설비의 수출로서 경제적효과를 얻을 수 있는 이점도 갖

,

게 됨

기술 개요 o

조류 양수 융복합 발전시스템은 조류력 양수펌프 지지구조물 수로 수조 소수력발

- - , , , ,

전기 컨트롤 룸 개 요소로 구성됨 , 6

이 중에서 주요기술은 아래 조류 펌프 개념도의 우측 그림과 같이 수동식 펌프의 -

개념을 착안한 것으로 좌측 그림과 같이 두 개의 수중익이 일정 깊이의 바다 속에

잠기게 되면 바다 속의 조류에 의해 전방의 수중익이 힘을 받게 됨 또한 후단의 ,

수중익도 같은 원리로 힘을 받게 된다 이와 같이 전후방 수중익이 상호 힘을 받게

.

되면 개념도의 상단 축이 운동을 하는 구조로 이 운동으로 해수를 끌어 올리는

펌프 기능을 구현하게 됨 따라서 일정 유속 이상의 조류가 있는 지역에서 이

구동은 기계적 혹은 제어적 문제가 발생하지 않는 한 지속적으로 운동을 하여

해수를 양수시킬 수 있음

따라서 다른 외부의 동력 도움 없이 기구적 메카니즘으로 설치된 조류 펌프가 -

독자적 액티브 컨트롤로 양수를 한다는 점이 혁신적 기술이며 차별적 기술임

또한 부가적으로 양수되어 저장된 해수를 활용한다는 점이 융복합적 개념임

.

본 개념의 근간이 되는 수중익 방식의 조류터빈 원천 연구는 한국해양과학기술원 -

에서 산업통상자원부의 지원하에 년에 진행되었으며 본 개념의 원천연구

2011 2013∼

로는 한국해양과학기술원의 자체 연구과제를 통해 서울대학교 예인수조에서 진동식

조류 펌프의 개념 검증을 수행하였음

(16)

조류력 양수펌프 구성도 수동식펌프 융합발전시스템 구성도

■ ■ ■

조류양수 융합발전시스템 개념도

< >

제품 개요 o

조류를 이용한 저유속 저수심형 조류 펌프의 제품개발과 이를 이용한

- /

양수된 해수를 활용하여 필요한 시점에 전기를 생산할 수 있는 급

5kW

발전설비는 소수력발전으로 구축하고 수조에 저장된 해수는 양식에 활용

,

될 수 있는 제품임

나 개발 대상 기술

. ․제품의 중요성과 파급 효과 및 특성 개발 대상 기술

1) ․제품의 중요성

o 조류 기반 융복합발전 실용화기술 개발 및 실증을 통한 상용화 촉진 및 국내외 시장진출

우리나라 연안에는 개발 가능한 조류에너지가 가 부존되어 있는

- 1,000MW

것으로 평가되고 있음

o 양수된 해수는 양식과 발전에 활용가능하고, 담수화와 연계하여 에너지, 식량 식수를 지급할 수 있는 시스템으로 국내외 도서 지원에 적합함

,

조류실증 및 소수력 발전에서 세계수준의 기술력을 보유하고 있어 시너지 o

효과가 기대됨

2) 개발 대상 기술․제품의 파급 효과

기술적 측면

[ ]

국내외 최초 시도로서 성공 시 기술적인 우위성 확보와 홍보효과

o ,

조류양수발전 산업 창출 기반 자료로 활용 o

(17)

조류양수발전은 해수담수화 기술과 융합하여 도서 지역에 전기 에너지

o , ,

물을 제공할 수 있는 통합 지원시스템 개발에 활용 가능

실제 조류발전 분야에서 진동식 터빈의 실용화 기술 개발에 기여 o

경제적

[ ․산업적 측면]

조류양수발전시스템을 통한 해양에너지 저장 이용을 신규에너지 자원 확보

o ,

가능

o 조류터빈 기반 펌프 기술과 양수발전 통합 설계 기술은 향후 국내 도서지역

보급 사업 및 국외 지원사업 등에 활용이 예상

KOICA

신산업으로서 제작 설치 운용 등의 새로운 일자리 창출

o , ,

사회적 측면

[ ]

o 저탄소 친환경 발전시스템으로서 탄소 배출량 저감에 기여하여 기후변화에

대응

무인도 등 국내 도서지역에서 생존을 가능케하여 국토 확장에 기여함 o

o 친환경 복합 발전 시스템은 관광목적으로 활용이 가능하고 수조를 양식뿐만 , 아니라 낚시 등의 레져 활동으로도 확장가능

무공해 에너지 시설 확충으로 지방은 물론 국가적 이미지 제공 o

3) 개발 대상 기술 제품의 특성– 혁신성

[ ]

가 조류 펌프 기술 )

기존 또는 유사기술 o

유체력 펌프 기술 풍력 수평축 방식 조류력 수평축 방식 조류력 수직축 방식

< : , , >

풍력을 이용한 펌프는 주로 수평축 회전 방식으로 펌프기능을 위해 -

회전력을 평형력으로 변환하는 기구가 필수적으로 변환과정의 에너지

,

(18)

손실이 있음

조류력을 이용한 펌프는 수평축과 수직축 회전 방식이 있으며 풍력과

- ,

유사하게 회전력을 평형력으로 변환하는 기구가 필요함

수평축의 경우는 유체력 터빈과 펌프 간 거리가 다소 긴 편으로 이는 -

동력전달계의 길이 증가를 야기하며 진동 및 추가 에너지 손실 등의

마이너스 효과가 있음

개발 기술 성능의 우수성 o

반잠수식 진동식 터빈의 경우 조류력을 받는 수중익 부분만

- (110, 210)

수중에 잠기고 조류력에 의해 진동암 이 회전축 를

, (130, 230) (A1, A2)

중심으로 왕복회전을 하는 방식으로 평형력 변환에 필요한 기구부가

,

근접되어있고 간단하여 에너지 손실이 최소화됨

한쪽 수중익에 펌프는 회전축 양옆에 부착되어 도 위상각을 가지고

- 180

되고 도 위상차를 가지는 작동되는 다른 수중익의 양옆에 부착이

, 90

되므로 한주기에 개의 펌프가 도의 위상각을 가지고 수두를 형성하여

4 90

수두손실이 최소화됨

따라서 기존 또는 유사기술 대비 펌프에 근접 간단한 변환구조로써

- ,

에너지 전달 효율이 높은 장점이 있음

또한 저수심 저유속 조건에도 적합한 방식으로 저장소 에

- , (reservoir)

설치되어 있는 연안에 설치 가능함

조류 펌프 개념도와 펌프 작동 방식

< >

차별성 [ ]

(19)

나 자동 진동 방식 )

진동식 터빈의 대표적인 시스템인 사 와

- stingray(Engineering business )

pulse stream(Pulse tidal )사 의 경우는 조류력 추출을 위해 수중익의 피치를 제어하며 이 경우 추가적인 에너지가 소모됨

기술적 차이점 o

개발 기술의 경우 앞뒤 수중익이 연동 기구 에 의해 연동되어

- (300, 400)

있어 추가적인 에너지 투입 없이 자동적으로 진동하여 효율성이 높아짐 ,

수중익 연동 기구와 주기별 연동 움직임

< 1/4 >

다 통합제어프로그램 )

위성 풍력발전 등의 자동 또는 효율적인 운용을 위해 통합제어 - ,

프로그램이 개발되어 (Supervisory control and data acquisition: SCADA)

활용되고 있음

기술적 차이점 o

- 조류양수 융복합시스템은 조류 펌프의 유향 및 브레이크 제어 펌프제어, , 수위조절 소수력발전 제어를 담당하여 자동 및 효율적인 운용에 적합한 ,

맞춤식 기술을 채택하고 있음

SCADA

(20)

제 장 과제 수행의 내용 및 결과 2 제 절 최종 목표 및 평가 방법 1

기술개발의 목표 및 내용 1.

가 최종목표 및 평가 방법 .

개발 대상 기술제품의 개요

1) ․

o 조류양수 융합발전시스템은 조류 펌프부 지지구조물 저장소와 양식수조, , , 수로 소수력발전기로 이루어져 있음

,

o 소수력발전기로 발전을 하는 시스템으로서 조류력으로 양수를 하는 것이

기존 제품과의 차별성이며 부가적으로 양수로 수조에서 양식을 할 수 있는

,

복합 이용 모델임

o 초기 차년도 에는 혁신적인 조류 펌프부 개발에 역량을 집중하고 중기 차 (1 ) (2

년도 에는 적지선정 및 기존기술을 접목하여 융합시스템 설계 그리고

) ,

최종 차년도 에는 실증을 수행하고자 하며 세부연구내용은 다음과 같음 (3 )

조류 펌프 설계 제작 실험검증

- , ,

외팔보 잔교 형식의 맞춤식 지지구조물 설계

- (cantilever pier)

저장소 양식수조 수로 소수력 발전기 선정 및 결합

- , , ,

적지선정 및 조류양수 융합시스템 설계 제작 설치 및 실증

- , ,

최종 목표 2)

조류 양수 융합발전시스템 실용화 기술 개발 및 실증- , 5kW급 발전설비구축

개발기술의 평가 방법 및 평가 항목 3)

정량적 기술 목표 항목

< >

(21)

평가 항목

주요성능 단위

전체 항목 에서 차지하는

비중

세계최고 수준 보유국 보유기업

연구개발 전 국내수준

개발 목표치 ^표준_․ 인증 기준³⁾

기준 설정 근거⁴⁾

평가 방법 성능수준 성능수준 차

년도 차 년도

차 년도

과제 TRL (1~9단계) 3 3 4 6 7

과제 CRL (1~9단계) 1 1 1 2 4

펌핑 1.

높이

m

20 차년 (3 :

10)

136 오키나와 (

해수양수 발전소

기준)

없음 1 5 10 표준 설 계 /

시공

차년 자체평가 1~2 :

모형실험 결과보고 (

서(*))

차년 외부평가 3 :

검교정된 계측기 (

자료의 외부기관 승인)

펌프 2.

출력

Watt

30 차년 (3 :

20)

없음 없음 10 2,000 8,000전문 시험

설 계 / 출력

차년 자체평가 1~2 :

모형실험결과 (

보고서(*))

차년 시험성적서

3 :

(**) 펌프

3.

효율

%

30 차년 (3 :

20)

없음 없음 5 10 20 표준 설 계 /

출력

자체평가 실증실험( 결과 보고서) 조류

4.

양수

발전

출력

Watt (3차년:

30) 없음 없음 - - 5,000전문

시험

설 계 /

출력 시험성적서(**)

지지 5.

구조물

유효성

여부 20 없음 없음 기초

설계 상세

설계 제작 표준 설 계 /

시공 감리보고서

표준에 근거하여 실험을 수행하고 도출된 결과를 보고서로 제출함

(*) ,

외부 전문시험기관의 입회하에 측정 및 실험을 수행하고 그 결과에 대한

(**) ,

시험성적서를 발급 받음 현 시점에서 조류발전 관련 국내 인증기관이 없어

(

외부 전문시험기관에 의뢰할 예정임

)

참조 ( )

표준 설계의 시방서에 따른 것으로서 펌핑높이는 건설되는 수조의 높이로 산정 : 됨 펌프효율은 설계에 준하여 출력되는 양으로 실증실험을 통하여 판단될 .

(22)

수 있는 것임

.

전문시험 : 설계의 시방서에 따라 제작되지만 현재 타 전문 시험 기관의 입회하에 객관적 판단을 얻을 수 있는 환경이 구축되어 있음

<정량적 성과 목표 항목>

구분 항목 단위 가중

치

개발 목표치

평가 차 방법

년도

차 년도

사업별 성과지표

고용창출 효과 명 ^고용

계약서

신재생에너지 생산량

보고서

종료

후 년 년 년 ^보고서

보고서

특허

국내

등록 건수 건 ^등록증

점수

출원 건 ^출원

명세서

국외

등록 건수 건 ^등록증

점수

출원 건 ^출원

명세서

학술 급 게재논문 게재 건 ^논문

점수

비 급 게재논문 건 ^논문

상용화 업체 연구

현장시험 건수 건 ^보고서

시작품 출시 건수 건 ^보고서

시제품 출시 건수 건 ^보고서

건수 건 ^협정서

기술이전 건수 건 ^기술이전

계약서

국가인증 녹색인증 등 건수 건 ^녹색기술

납품약정서 백만

원

일 실증 후 운용가능일 시간

(*)20 ( ) × 24( ) × 0.2(capacity factor) × 5kW(capacity) = 480kWh

개월 일 시간

(**) 6 × 30 × 24 × 0.2 × 5 = 4,320 kWh

개월 일 시간

(***) 12 × 30 × 24 × 0.2 × 5 = 8,640 kWh

현 시점에서 조류양수발전은 신재생에너지 관련 법령하에 신재생에너지로 (*)(**)(***)

분류되어 있지 않음 추후 법령에서 인정되면 신재생에너지 생산량으로 인정될

.

것으로 예상됨 .

(23)

국유지의 경우 원상복귀 원칙에 의해 실증장이 해체될 수 있음

( )

핵심 키워드 개 이상

4) (5 )

한글 조류 양수 소수력 복합발전 에너지저장시스템 통합제어시스템, , , , ,

영문 Tidal current, Pumped storage, Small hydropower, Hybrid power generation, Supervisory control and data acquisition

정량적 목표 항목의 평가방법 및 평가환경 5)

정량적 목표 항목의 평가방법 ①

o 펌핑 높이 양수 수로 입구에서 출구까지의 수직 길이를 의미함 : 높이 측정을 위해 길이 측정기를 이용함

-

차년도와 차년도는 실내외 모형시험에 의한 결과이므로 일반적인 길이 측정기 - 1 2

로 측정

차년도는 교정성적서가 있는 길이 측정기 혹은 원격측정 변위기를 이용하여 - 3

측정하고 측정치는 전문 시험기관에 승인 받음 ,

o 펌프 출력 조류 펌프의 출력값을 의미함 :

측정된 펌핑높이 측정된 펌프 유량 측정된 해수온도에 따른 - P = 9.8 x ( ) x ( ) x (

밀도 펌핑 운영시간

) / ( )

차년도에는 출력에 대해 전문시험기관의 시험성적서를 발행받고 제출할 예정임 - 3

펌프 유량 측정을 위해 수로 내 설치된 유량계를 이용함 -

차년도는 일정시간의 펌프 유량을 측정하고 이를 시간으로 나누어서 계산함 - 1

차년도는 유량계를 이용하여 일정시간의 펌핑된 유량을 측량하고 이를 - 2

시간으로 나누어서 계산함

차년도에는 교정성적서가 있는 유량계를 이용하여 일정시간의 펌핑된 유량을 - 3

측량하고 이를 시간으로 나눈 값을 전문 시험기관에 승인 받음

해수 밀도 운영하는 해역의 실제 온도 분포 평균에 따른 밀도를 의미함 이를

- : .

이용하여 해수 질량을 확인할 수 있음

.

차년도 검증시에는 온도계를 사용하여 측정함

· 1, 2 .

차년도에는 검교정 및 인증된 온도계를 사용

· 3 .

o 펌프 효율 유동에너지 대비 조류 펌프의 출력값을 의미함 : 진동식 조류터빈의 경우 유동에너지 정의는 다음과 같음 -

__{ }



^ __sin

여

기서 는 해수의 밀도, 은 통수 단면적, 는 단위 시간당 계측된

유속 는 암길이 는 수중익길이 그리고

, La , Lh , 는 암각도임

(24)

· 이때 효율 값은 다음과 같음

_   ×^ 조류양수발전 출력

o

한국인증기구 에서 검교정 받은 출력해석기 를

- KOLAS( ) (Power Analyzer)

사용하고 전문 시험기관의 참관하에 시험을 수행할 예정임

시험성적서는 상기 참관할 전문 시험기관에서 발행받을 예정임 -

o 지지구조물의 유효성은 감리보고서로 갈음함 정량적 목표 항목의 평가환경

②

o 시작품은 차년도에 제작되어서 울돌목 시험조류발전소에서 실험 검증될 예정임 2 - 양수 수로를 포함한 조류 펌프만 제작되며 시험조류발전소의 구조물에

장착되어

실해역 조건에서 평가가 됨

양수 수로의 입구는 해수면 아래에 설치되며 조류 펌프에 연결되고 시험조류발 -

전소 구조에 장착된 저장소로 연결됨

양수 수로에 유량계가 결합되어 저장소를 연결되며 양수된 해수가 저장소 용량을 -

넘기게 되면 바다로 배출함

o 시제품의 경우 조류 펌프와 양수 수로 입구는 지지구조물 앞쪽 끝단에 설치되 며 양수 수로 출구는 육지의 저장소로 연결됨

,

즉 실해역 조건에서 실험이 진행되고 각종 계측 장비를 이용한 실증이 수행됨 -

시험성적서발급의 경우 전문시험기관의 담당자의 참관하에 진행된 자료가 사용됨 -

제 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 2

차년도 1) 1

개발 목표 ①

주관기관 필즈엔지니어링 주

- ( ( )) : 시공사 물색 조류펌프 양수수로 외 융합발전기 , (+ ) 시스템 맞춤식 지지구조물 수로 양식수조 ( , , ,

소수력발전 기초설계 )

참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 후보지 선정 조류펌프 기초설계, , 실내 실험 성능 검증을 통한 주요 인자 도출

참여기관

- 2(( )주 원방포스택) : 맞춤식 펌프 선정 검증용 조류 펌프 제작 ,

(25)

개발 내용 및 범위 ②

주관기관

- (필즈엔지니어링 주( )) : 설치 시공사 물색 및 검토 ⦁

융합 발전기 시스템 설계 및 제작에 요구되는 분석

⦁ CODE

등 국제 기술표준 검토 및 분석 : API, ASME, ISO

해당 환경을 고려한 설계요구 분석 요구분석 및 기술사양 결정

⦁ , Sizing

융합 발전기 및 수조 용량 결정

: , Pump Storage( )

수치해석을 위한 환경 분석 확보 해당지점 조류 유동해석

⦁ DB /

요구분석 ⦁ Safety / Emergency Shut down

유지보수 요구분석 ⦁

위험 요소 분석

⦁ (Preliminary Hazard Analysis)

참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 후보지 조사

육상 설치여건 표고 접근도로 및 전력망 등 조사 및 분석

⦁ ( , )

해상 설치여건 수심 유속 지반 등 조사 및 분석

⦁ ( , , )

조류 조사 및 해수유동 수치모형 수립 및 적용 ⦁

차 후보지 선정 ⦁ 1

(26)

조류펌프 기초설계

핵심요소 등 의 최적 배치 규격 그리고 작동 조건 최적안 도출 ⦁ (hydrofoil ) , ,

동적모델과 상용 의 유동해석 결과를 이용함 : S/W

조류 방향 변동성 적응모듈 개발 및 탑재 ⦁

최소한의 에너지를 사용하여 도 회전을 가능케 함

: 180

조류펌프와 통합제어시스템 기초설계 ⦁

와 의 전체 구성도 도출 : H/W S/W

구조물 기초설계

⦁ Frame

: Material Selection Study, Stress Analysis 실내실험 검증

조류터빈의 작동 조건에 따른 성능 평가 ⦁

조류 펌프의 제작 및 조류터빈과의 적용을 통한 성능 평가 ⦁

실험결과 분석을 통한 조류 펌프 핵심인자 도출 ⦁

핵심인자 간 영향도 평가 후 실해역 제작 모델에 반영

: ,

참여기관

- 2(( )주 원방포스택) :

맞춤식 펌프 조사 및 선정 직선운동형 약 급

⦁ ( 10 ~ 20W )

검증용 조류 펌프시험을 위한 기본설계 및 제작 ⦁

검증용 조류 펌프시험을 위한 제작 및 시험 ⦁

(27)

기본설계 및 제작 자체시험

몸체 회전축계 직선운동축계

Wing , , ,

펌프, 베이스, 토크센서, 지지프레 임 튜빙라인,

동력계 수조시험 유속 ( 1 ~ 3m/s)

펌프양정 및 유량계측, 회전수, 토 크 측정

검증용 조류 펌프시스템 개념도 < >

차년도 2) 2

개발 목표 ①

주관기관

- (필즈엔지니어링 주( )) : 융합발전소 상세설계, 5kW급 발전시스템 검토 및 발전설비 도입 사양 결정 미니 수차설계 및 검증 ,

참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 적지 선정(I), 조류펌프 상세설계 육상테스트 , 및 실외실험 성능검증

참여기관

- 2(( )주 원방포스택) : 조류펌프 도면화 조류펌프 제작 수정, &

(28)

주관기관

- (필즈엔지니어링 주( )) :

융합발전소 상세설계 ⦁

: 지지구조물 설계 검토 침전조 수조 양어장 수로 제어실 발전실의 토목 및 , , ( ), , , 건축 상세설계 물량산정

,

발전시스템 검토 및 발전설비 도입 검토 ⦁ 5kW

: 적정수차 엔지니어링 발전기 사양 검토 제어 보호 감시장치 설계 전기계통 , , ⦁ ⦁ , 설계 제반시스템 구매

,

미니수차 설계 및 검증 ⦁

차년도 시스템 분석 수치해석 및 성능실험을 통한 성능검증 : 1 ,

인증절차 시작 ⦁

녹색인증 인증 절차 시작

: /NET

참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 적지 선정(I)

차 선정된 후보지 육상 및 해상 여건 현지 조사 및 분석 ⦁ 1

조류 현지 조사 및 정밀해수유동 수치모형 수립 및 적용 ⦁

적지 선정 육상부지 이용 검토 및 협의 ⦁ ,

공유수면점사용허가 발전사업허가 등 관련 인허가 서류 준비

⦁ ,

상세 설계

핵심요소 등 의 재료 및 구조 결정

⦁ (hydrofoil )

최적 하의 설계하중 도출 후 구조해석 수행

: configuration

조류 방향 변동성 적응모듈 평가 후 수정 ⦁

실험 결과를 토대로 설계 변경 및 제작 시 반영

: prototype

조류 펌프와 통합제어시스템 상세설계 ⦁

와 최종 설계도 작성 : H/W S/W

구조물 상세설계

⦁ Frame

도면 작성 장비 배치 : Frame ,

(29)

구조해석 ⦁

구조강도 및 좌굴강도 해석을 통한 설계검증 : Frame

구조물 해석 예시 < >

육상테스트 및 실외실험 성능검증

조류 발전기의 육상테스트를 통한 작동 이상 여부 확인 ⦁

조류 유향 에 대응 가능한 요 제어 장치 테스트 : (流向) (yaw)

조류 펌프 성능 테스트 :

조류터빈 및 조류 펌프의 실외 실험 ⦁

조류터빈 성능 평가를 위한 실험 결과 도출 :

참여기관

- 2(( )( )주 주 원방포스택) : 조류유향 제어장치 모형설계 및 제작

조류 유향 대응용 모형 조류펌프 제어장치 설계 및 제작 ⦁

조류터빈용 수중익 모형제작 회류수조 시험 및 분석,

가지 단면 수중익 모형 제작

⦁ 2 (NACA 0012, NACA 0015) 수중익 분력 회류수조 시험 및 성능 분석 ⦁ 3

시작품 2 kW 조류펌프 시스템 설계, 제작 및 보완 조류 펌프시스템 상세설계 제작 및 수정

⦁ ,

조류 펌프시스템 실해역 시험 및 분석 보완

⦁ ,

시작품 상세설계 및 제작 보완 내용 < , >

(30)

상세 설계 제작 및 보완 조류펌프, Wing몸체 회전축계 직선운동, ,

축계 토크센서 지지프레임 안전장치, , , 설계부품가공 및 조립

펌프 및 축계 계산서, 2D & 3D도면구성 실해역 시험결과 분석 및 보완

차년도 3) 3

개발 목표 ①

주관기관

- (필즈엔지니어링 주( )) : 융합발전소 구축 발전시스템 제작 및 시운전, 참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 적지선정(II), 설계도구 완성 융합발전기 , 시스템 실증

참여기관

- 2(( )주 원방포스텍) : 조류펌프 제작 및 실증 지원

울돌목 추가 지지구조물 및 진동식 조류 터빈 설치

< >

주관기관

- (필즈엔지니어링 주( )) : 부품 장비 자재 발주

⦁ / / 시공 설치 ⦁ /

시공 및 설치에 대한 절차서 작성 :

시공 설치 실시 및 절차서 적용 수정

: / /

설치 시공 시 발생 문제점 분석 ⦁ /

운용 시험 ⦁

개별장비 운전 시험 :

장비 통합 운전 시험 :

설비 최적화 방안 검토 ⦁

참여기관

- 1(한국해양과학기술원) : 적지 선정(2)

(31)

조류 현지 조사 및 정밀해수유동 수치모형 수립 및 적용 ⦁

설계 및 검증용 통합 S/W 완성

⦁ 적지 조건에 맞춤식 H/W의 설계 및 검증용 통합 S/W 완성

실내외 실험 실증 시스템 제작 및 수정에 사용되었던 설계 방법 반영 : ,

⦁ H/W에 맞춤식 통합제어시스템 S/W 완성

실증 시스템에 적용한 자료를 분석하여 수정방안 반영 :

융합시스템 실증 시스템 보강 및 변경 ⦁

실증 시스템 자료 분석 후 필요시 수정 반영

: ,

융합시스템 실증 ⦁

조류펌프의 목표 출력 검증 및 운영 ⦁

참여기관

- 2(( )주 원방포스택) :

시제품 8 kW 조류펌프 시스템 설계, 제작 및 보완 조류 펌프시스템 상세설계 제작 및 수정

⦁ ,

조류 펌프시스템 실증시험 및 분석 보완

⦁ ,

시제품 설계 및 제작 내용 < >

설 계 제 작

조류 펌프시스템 8kW 설계부품가공 및 조립

안전장치 중량 지지구조물 호환성 검토, , 육상시험 구동부 및 현장설치( )

기술개발 추진 방법

□ ․전략

기술개발 방법 1)

o 조류 펌프 설계 제작 실험검증 , ,

와 를 이용한 최적 설계 도출 후 서울대학교 예인수조의 실내실 - BEMT CFD

험용 장치 제작

실내 실험 검증을 통한 수정설계 후 한국해양과학기술원 울돌목시험조류 -

(32)

발전소의 실외실험용 장치 제작

수치해석 실내외실험검증 결과를 이용하여 최종 시제품 제작

- BEMT, (CFD),

o 맞춤식 지지구조물은 조류발전용 기존 지지구조물 기술을 기반으로 조류력 펌프에 맞춤식 설계

급 수직축 터빈에 대한 외팔보 잔교 와 기존 외팔보 잔교

<20kW (cantilever pier) >

o 저장소 양식수조 수로 소수력 발전기는 기존 사양 중 적합한 제품선정 후 , , , 결합

양식수조의 경우 광어 양식장에서 사용되는 콘크리트 수조

- (10m×10m)

건설 예정

소수력 발전기는 양식수조의 건설높이와 해수의 양에 맞추어 결정 -

o 적지는 진도 연안 중에 유속 및 수심 등 해양조건과 지대 기존 전력선과의 ,

거리 등 육지조건을 고려하여 선정하고 적지에 맞는 조류양수 융합발전

시스템 설계

위험극복 방법 2)

o 해역이용협의

국유지 사용허가를 위해 관계부처와 해당지방정부와 협의가 필요하고 -

개월 이내로 소요됨 6

국유지 사용의 경우 원상복구 원칙이며 최근 연구개발 목적의 경우는

- ,

허가율이 높음

가급적 빠른 시기 차년도 초반 에 착수하여 실증 년도 전에 확보하는

- (2 )

방향으로 진행하고자함

o 실증연구의 불확실성

기술의 난이도는 높지 않으나 국내외 실증 사례가 없는 상황임

- ,

따라서 연구개발 업무는 혁신성이 있는 조류력 터빈에 초기 차년도 에

- (1 )

(33)

집중하고 그 외는 기존기술을 최대한 활용하는 방안을 이용함

또한 적지선정에도 해양자료 및 육지정보가 많은 진도지역을 중심으로 -

진행함

즉 기술적 불확실성을 빠른 시일에 해결하고 기존 기술과 정보를 최대한

- ,

활용 불확실성을 최소화 하여 위험극복을 할 계획임

제 절 수행 결과의 보안 등급 3

보안등급 분류 보안과제 일반과제

결정 근거 및 사유

제 절 4 유형적 발생품 연구시설 연구장비 등 구입 및 관리현황

구입 기관

연구시설/

연구장비명

규격 모델명

( ) 수량 구입 연월일 구입 가격 천원 ( )

구입처 전화번호

( )

비고 설치 장소

( )

필즈

마이크로소 수력 발전시스템

급

1kW 1 2016.10.12 14,000

에스피테크(

042-824-1 979)

필즈 분계천

( )

기술원 - - - - - - -

원방 센서

신호계측기 1 2016.08.25 14,860

스펙트리스 코리아 (031-786-

0860)

원방 부설연구소

( )

원방

회류수조 유속제어용

모터

350HP

-380V 1 2016.6.3 11,800

효성종합

㈜ 중전기 (032-562-

3338)

원방 회류수조

( )

해당연도 연구개발 수행 시작부터 현 작성 시점까지 현금으로 구입한 개 건 당 1 ( )

※

만원 부가세 포함 이상의 모든 유형적 발생품 표기 1,000 ( )

(34)

제 장 결과 3

제 절 연구 개발 최종 결과 1

추진 일정 1.

일련

번호 개발 내용 1차년도 필즈엔지니어링 주( ( )) _달성도

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (%)

1 CODE 분석 100%

2 환경반영 설계요구

분석 100%

3

용량 요구 Sizing( )

및 기술사양 분석 결/ 정

100%

4 수치해석용 환경 DB

확보 100%

5 위험요소 분석 100%

6 유지보수 요구분석 100%

7 Safety / Emergency 요구분석

Shut Down 100%

8 육상구조물 기본설계 100%

9 1차년도 결과정리 100%

일련

번호 개발 내용 차년도 해양과학기술원 _달성도

검증용 조류펌프 설계 예인수조실험 시험분석 및 보완

검증용 조류펌프 평가 및 추가실험

구동부 제어부, 수중구조물 기본설계

후보지 조사 차년도 결과정리 1

(35)

일련

번호 개발 내용 차년도 주 원방포스택 달성도

자료조사 펌프 조사 및 선정

예인수조 시험용 펌프시스템 설계 에인수조 시험용 펌프시스템 제작 회류수조 유속제어

시스템 제작 및 수중익 단독시험 결과 분석 및 보완

차년도 결과정리