비선형 PTO 시스템을 고려한 부유식 파력발전장치의 수치 모델링 연구

Abstract

파력발전장치는 설치 해역의 조건 및 발전 형태에 따라 다양한 발전 형태가 존재하는데, 시스템과 형태가 간단한 상하운동형 점 흡수식 발전 장치 (HPA, Heaving buoy type point absorber) 는 대량화 혹은 복합발전으로 발전될 가능성이 크다. 이러한 파력발전장치 설계 및 해석을 위해 주로 선형파 이론을 기반으로 한 해석이 주를 이루지만, 실제 파력 에너지를 주로 생산하는 조건은 파고가 높은 비선형파 조건인 경우가 많다. 그렇기 때문에 선형 해석 위주의 기존 해석 프로그램을 이용한 해석보다는 파랑과 부유체 운동의 비선형성을 고려하는 연구는 필수적이다. 이러한 비선형파 조건에서의 파력발전장치를 해석하기 위해, 본 연구에서는 3차원 완전 비선형 포텐셜 수치 조파 수조 (3D-FN-PNWT, Three-dimensional fully nonlinear potential numerical wave tank) 기법을 적용한 해석 프로그램을 개발하였고, 이를 이용하여 HPA의 유체동역학적 성능 해석을 수행하였다. 본 3D-FN-PNWT는 혼합 오일러리안 라그랑지안 기법을 기반으로 하여 비선형 파랑을 묘사하였고, 가속도 포텐셜 법과 간접법을 적용하여 부유체에 작용하는 순간적인 힘과 그에 따른 변위를 추정하였다. 또, 일정 패널법을 적용하였고, 이에 따른 공간 미분 값을 계산하기 위해 구배 재구성을 위한 최소 자승법을 적용하였다. 외해 조건을 위해 인공 감쇠 영역을 적용하였으며, 특히 옆쪽 인공 감쇠 영역을 새롭게 제안 및 적용하였다. 또, 다중극 전개법을 이용하여 영향함수 계산 시간을 단축하였으며, 행렬 연산을 위해 GMRES법을 적용하였다. 이와 같이 개발된 3D-FN-PNWT를 검증하기 위해, 파랑 생성 및 전파 문제, 산란 문제, 방사 문제, 부유체 자유 거동 문제 등을 해석하여 기존의 연구 결과 혹은 이론해 및 실험 결과 등과 비교 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 HPA의 유체동역학적 해석을 위한 3D-FN-PNWT 개발과 더불어 HPA에 적용가능한 유압형 PTO (Power take-off) 시스템을 수치 모델링하였다. 유압형 PTO 시스템을 특성을 고려한 근사 쿨룽 감쇠력의 형태로 나타냈으며, 이를 검증하기 위해 중소조선연구원에서 3차원 조파 수조에서 실제 유압 PTO 시스템을 적용한 HPA의 실험적 연구를 수행하였다. PTO 시스템의 수치 모델링을 고려한 선형 시간 영역 해석을 함께 수행하여 그 결과를 실험 결과와 비교 검증하였다. 검증된 유압형 PTO 시스템 수치 모델링을 3D-FN-PNWT에 적용하여, 부유체-파랑-PTO 시스템 간의 완전 연성 해석을 수행하였다. 보다 명확한 해석을 위해, 3D-PNWT를 이용한 선형 해석, 부분 비선형 해석, 완전 비선형 해석을 수행하였고 비선형 파랑 조건에서의 부유체 운동 및 추출 파워를 산정하였다. 이를 바탕으로, PTO 시스템 조건에 따른, 파 기울기에 따른, 물 깊이에 따른 HPA의 운동 성능 및 에너지 추출 성능 등을 산정하였다.