즐겨찾기 등록 RSS 2.0
장바구니 주문내역 로그인 회원가입 아이디/비밀번호 찾기
home
기사 분류 > 특집/기획
[해양에너지 발전기술의 최신동향 ③] 파력발전의 최신동향
2016년 3월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2016년 3월호 - 전체 보기 )

[해양에너지 발전기술의 최신동향 ③]
파력발전의 최신동향


본고에서는 일본 NEDO사업의 일환으로 미쓰이조선㈜, 오양건설(五洋建設), 도쿄대학이 공동으로 진행하는 파력발전시스템의 실증연구를 중심으로 미쓰이조선㈜의 파력발전시스템 개발현황에 대해 보고한다. 먼저 종류별로 △근해형 △연안형 △해상독립전원형으로 나눠 개발한 파력발전장치를 살펴보고, 이어 동조제어 및 TLP 계류 방식에 대해 소개한다.

정리 편집부

일본 미쓰이조선㈜은 과거 방파제 삽입식 진동 수주형 파력발전장치의 선구자로서 1980년대~90년대에 걸쳐 많은 실증시험을 실시해 왔다. 그러나 발전단가 등의 경제성을 최우선시한 당시의 배경하에 석유의 대체에너지로서는 발전단가가 비교적 높은 파력발전은 보급되지 못하고, 원자력발전 및 천연가스에 의한 화력발전이 적극적으로 도입되었다.하지만 이상기후의 원인이 되는 지구온난화에 대한 대책, 동일본대지진 이후의 신재생에너지 전반에 대한 기대치가 높아지고, 배타적 경제수역(EEZ)의 해양에너지, 광물자원의 개발 등이 거론되면서 해양신재생에너지가 다시 한 번 주목받게 되었다. 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 2010년도에 발행한 「신재생에너지 기술백서」에는 파력발전이 명기되는 등 보급을 위한 활동이 활발해지고 있다.미쓰이조선㈜은 2010년도에 환경성이 도쿄대학 생산기술연구소에 업무 위탁한 「지구온난화대책기술개발사업(파력에너지의 지역특성평가와 계류시스템의 연구)」 가운데 부체식 파력발전장치의 계류시스템 개발을 담당하여 2011년도부터는 NEDO의 「풍력 등 자연에너지 기술 연구개발/해양에너지 기술 연구개발/해양에너지 발전시스템 실증연구」를 수탁하였으며, 2015년도의 실해역 실증시험을 목표로 새로운 부체식 파력발전시스템을 개발하고 있다.

파력발전장치의 개발

파력발전장치
미쓰이조선㈜은 설치해역 및 용도로 분류하면 3종류의 파력발전장치를 개발하고 있다. 첫 번째는 비교적 앞바다에 설치해 계통연계를 목적으로 한 파력발전장치(근해형), 두 번째는 항만 등에 설치하여 지산지소(자급자족)를 목적으로 한 파력발전장치(연안형), 세 번째는 해상에서 사용하는 기기의 전원공급을 목적으로 한 파력발전장치(해상독립전원형)이다.
 
(1) 근해형
미쓰이조선㈜은 1980~90년대에 진행한 실증시험에서는 국산기술을 주로 채용했지만, 이번에는 조기 사업화를 목표로 하여 실적이 있는 해외기술에 독자적인 기술을 더해 일본의 파도상태 및 해저지형 등에 적합한 파력발전시스템을 개발하기로 했다. 유럽과 미국의 파력발전장치를 조사하여 △일본의 파도상태 및 해저지형에의 적합성 △발전장치가 점유하는 해역면적 △장치의 내구성 △실증시험의 실적 등을 비교검토한 결과, OPT사(Ocean Power Technologies, Inc.)의 파력발전장치인 파워부이(Power Buoy)를 기반으로 하여 일본용 파력발전장치(PB-MES)를 개발하기로 했다. PB-MES의 외형 및 기기구성을 [그림 1]에 나타냈다.
PB-MES의 특장점은 OPT사의 파워부이에 독자적인 동조제어와 TLP(Tension Leg Platform) 계류 기술을 더해 에너지 변환효율의 대폭 향상과 점유해역 면적의 최소화를 실현할 수 있다는 점이다.근해형은 수심 70~100m 정도에서의 설치를 상정하고 있다. 이 수심은 비교적 경사가 큰 일본의 해저지형을 생각하면 근해 1~2km의 해역에 상당한다. NEDO사업의 발전단가 목표치인 40엔/kWh 이하를 달성하기 위해서는 15kW/m 정도의 파도에너지가 필요하며, 이 파도에너지를 확보할 수 있는 해역은 [그림 2]의 동그라미로 표시된 이즈(伊豆)·오가사와라(小笠原) 제도와 류큐(琉球) 제도의 도서해역과 홋카이도 에리모(襟裳) 근해, 산리쿠(三陸) 해안 앞바다, 보소반도(房總半島) 앞바다의 본토 해역이다. 근해형은 이 해역들의 앞바다 1~2km에 설치한다.낙도(落島)인 이즈(伊豆)·오가사와라(小笠原)와 류큐(琉球) 제도의 발전비용은 연료의 수송거리에 비례하여 높아지고 본토(本土) 발전비용의 몇 배, 섬에 따라서는 100엔/kWh 이상이 된다고 한다.
또 이 낙도들은 태풍의 통로에 위치하며, 발전설비의 설비용량도 작아 대형 풍력발전의 도입이 어려운 것으로 알려져 있다. 더욱이 낙도는 원래부터 평지가 적어 태양광발전의 대량 도입 또한 어려운 실정이다. 그리하여 근해형 파력발전의 초기 시장에서는 이러한 낙도를 염두에 두고 있었다.


(2) 연안형
연안형은 2013년도에 환경성으로부터 「CO₂ 배출 절감대책 강화 유도형 기술개발·실증사업/고효율·소형 파력발전 시스템에 관한 기술개발·실증사업」을 수탁하여 2014년도의 실해역 실증시험을 목표로 개발되었다.연안형은 자체 개발한 파력발전장치이며, 계선항(繫船杭, bitt poll)으로 해저에 직접 축을 고정할 수 있고, 수평방향의 흔들림 없이 파도의 상태에 정확하게 맞출 수 있기 때문에 독자기술인 동조제어의 능력을 극대화할 수 있다. 구체적으로는 시시각각 변화하는 파고 및 주기를 관측하고 효율적으로 발전이 이루어질 수 있도록 진동 부력체(플로트)의 속도를 액티브 제어하고 있다. 이를 통해 주기가 불규칙한 파도에 있어서도 적절한 주기로 플로트가 진동하게 되고 기존형에 비해 높은 효율로 발전이 가능해짐과 동시에 점유면적의 축소화를 실현시킬 수 있었다. 연안은 어업, 항만, 공장용지 등으로 이미 이용되고 있는 경우가 많아 근해에 비해 설치 장소에 제한이 있다. 그리하여 콤팩트한 본 장치의 특장점을 살려 △항만 및 낙도의 자립전원 △해상풍력발전설비와의 병설 △어항(漁港)의 에코전원 등의 용도로 이용을 검토하고 있다. 연안형의 외형 및 기기구성을 [그림 3]에 나타냈다.


(3) 해상독립전원형
해상독립전원형은 OPT사가 개발한 파력발전장치로 내부에 2개, 외부에 1개의 페이로드를 탑재할 수 있으며, 축전지를 장착하여 장기간 안정된 전원을 공급할 수 있는 파력발전장치이다. 수심이 얕은 곳에서 깊은 곳까지 대응하기 위해 완계류(緩係留)를 채택했고, 그로 인해 기존의 저항제어를 채용했다.그 용도는 국경 경비용 기기의 전원, 무선중계기기의 전원 등 보안용 전원에서부터 최근의 해양에너지 및 광물자원 개발기기용 전원 등으로 점차 확대되고 있다. 미쓰이조선㈜은 해상독립전원을 사용한 응용 프로그램을 개발하고 있으며, 현재 해외의 석유개발회사와 애플리케이션 개발을 진행하고 있다.
[그림 4]에 해상독립전원의 외형을 나타냈다.



동조제어 및 TLP 계류
상술의 동조제어 및 TLP 계류에 대한 개요를 이하에 설명한다.

(1) 동조제어
발전과 관계된 기기를 [그림 5]에 나타냈다.
파도에 따라 플로트가 오르내리면 그 운동을 래크에 전달해 피니언 및 발전기를 구동한다. 발전효율을 향상시키기 위해서는 플로트 상하 움직임의 고유주기를 목표치의 파도 주기와 일치시켜 동조현상을 발생시키면 된다고 알려져 있다. 미쓰이조선㈜은 시험수조용 조파소파(造波消波) 기술을 응용하여 새로운 동조제어법을 개발했다. 미쓰이조선㈜이 개발한 동조제어는 플로트 상하 움직임의 고유주기와 크게 벗어난 파도의 주기에서도 플로트를 동조상태에서 상하로 움직이게 하여 파도에너지를 효율적으로 흡수한다. 기존형의 제어에서는 과부하의 경우(이른바, 높은 파장·파고의 파도가 발생하는 상태)에만 플로트의 움직임을 제어하기 때문에 부하가 작은 경우(이른바, 작은 파장·파고의 파도가 발생하는 상태)에는 플로트의 움직임을 제어하지 않아 파도에너지를 남김없이 전력으로 변환하지 못했지만, 이번에 도입한 동조제어를 실시함으로써 발전효율을 대폭적으로 개선할 수 있었다.
대형 수조에서의 성능시험에서는 유의파고 125mm (실제기기 환산 2.0m), 주기 1.5초(실제기기 환산 6초), 2초(실제기기 환산 8초), 2.5초(실제기기 환산 10초)의 불규칙파에 대해 동조제어를 이용한 경우의 발전효율을 확인했다. [그림 6]에 실험장치를 [그림 7]에 실험결과를 나타냈다.
플로트를 상하로 움직이는 파도에너지를 피니언의 회전으로 변환하는 효율(파도에너지를 기계에너지로 변환하는 효율: 1차 변환효율)은 불규칙파 중에서도 40~50% 이상을 보였다. 동조제어를 하지 않는 기존형의 1차 변환효율은 플로트 상하동의 고유주기에서 벗어나게 되면 크게 저하되고, 고유주기가 일치하는 경우라도 30% 정도를 나타내어 동조제어가 발전효율의 향상에 매우 유효한 수단이라는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 동조현상을 발생시키는 조건에 대해 간단하게 설명한다.
플로트의 운동을 제어하는 모터의 회생에너지를 이용해 발전하는 파력발전장치를 상정한 경우, 플로트 상하동의 운동방정식은 (1)의 식과 같다. 질량항은 플로트의 질량과 상하동 가속도의 곱, 감쇠항은 이 속도에 따른 마찰감쇠, 스프링항은 이 변위에 비례하는 탄성을 나타낸다.

질량항+감쇠항+스프링항= 파강제력(波强制力)………………(1)

(1)의 식에서 플로트가 동조하는 조건은 (2)의 식이다.

질량항+스프링항=0…………………………………(2)

(2)식을 (1)식에 대입하면 동조 시 플로트 상하동의 운동방정식은 (3)의 식이 된다.

감쇠항=파강제력(波强制力)………………………(3)

플로트의 지름이 파장(wave length)에 비해 작은 경우 파강제력의 위상은 파도의 위상과 동일하다고 볼 수 있으므로 파강제력은 파형에 비례한다. 이 관계를 이용하면 감쇠항 (3)의 식은 (4)의 식과 같이 근사하게 표시된다.

감쇠항≒파형…………………………………………(4)

따라서 입사파의 파장에 비해 플로트 지름이 작은 파력발전장치의 플로트를 임의의 파주기(wave period)에서 동조시키기 위해서는 이하의 2가지 방법이 있다.

① 모터로 변위에 비례하는 힘을 조정하고, (2)식의 동조상태를 만든다.
② 플로트의 상하속도가 입사파에 비례하도록 운동시킨다.

미쓰이조선㈜의 동조제어는 관측되는 파고, 주기에 있어 발전량이 최대가 되도록 ① 또는 ② 중 하나의 방법에 의해 최적제어를 실시하고 있다.



(2) TLP 계류
TLP 계류는 해양구조물의 계류에 널리 사용되고 있는데 최근 미쓰이조선㈜에서는 해상풍력발전용 계류장치를 개발했다.
일본해의 주요특징으로는 ①파도에너지가 미국과 유럽만큼 크지는 않지만, 태풍 등의 악천후 시에는 그 정도가 구미(歐美) 못지않다 ②해저 지질은 자갈과 바위가 많고, 그 경사 또한 크다는 점을 들 수 있다.위의 내용을 전제로 하여 △파력발전장치의 설치 증대, △어업과의 협조를 도모하기 위한 점유해역 면적의 최소화 △동조제어의 효율성을 실현하기 위한 계류 방식으로서 TLP 계류를 채용하게 되었다. TLP는 부력탱크에 의해 늘 위쪽으로 인장력(당기는 힘)이 가해지기 때문에 해역에서의 수평 방향 위치가 정해지며, 1대당 점유해역 면적이 작아 여러 대의 발전장치를 인접시킬 수 있다는 특징이 있다.
또한, 발전장치 자체의 수직 방향 위치도 정해지기 때문에 정확한 플로트 제어가 가능해진다.

TLP 계류의 설계조건은 아래와 같다.
[조건1]
악천후 시의 상태를 추정하기 위한 재현기간 50년
(50년에 1번꼴로 발생하는 악천후)
[조건2]
파력발전장치의 최대 계류력 4MN 이내, 피치각의 진동폭 ±20도 이내

재현기간은 국토교통성 「부체식 해상풍력발전시설 설계기준」을 참고로 하여 50년을 채용하였고, 설치 예정 해역의 악천후 시 파도 상태 추정을 도쿄대학 측에 위탁했다. 그 결과, 악천후 시의 파도 상태를 유의파고(H⅓)=11m, 유의파주기(TH⅓)=14초로 설정했다.최대 계류력과 최대 피치각은 경제성 및 발전기기의 내구성 등을 고려해 설정했다. 악천후 시의 파도 상태(유의파고 11m, 유의파주기 14초)를 대형수조에서 재현하여 최대 계류력 4MN 이내, 피치각의 진동폭 ±20도 이내를 만족하는 파력발전장치(주요구성기기)의 크기와 설치 위치를 구했다. [그림 8]에 실험모형을, [그림 9]에 실험풍경을 각각 나타냈다.


 

 

<Energy News>

인쇄하기   트윗터 페이스북 미투데이 요즘
네이버 구글
태그 : 해양에너지 발전기술 최신동향 파력발전 파력 발전 최신 동향
이전 페이지
분류: 특집/기획
2016년 3월호
[특집/기획 분류 내의 이전기사]
(2016-03-01)  [해양에너지 발전기술의 최신동향 ①] 조류발전의 최신동향
(2016-03-01)  [해양에너지 발전기술의 최신동향 ②] 해류발전의 최신동향
(2016-02-01)  [광섬유 계측기술의 최전선 ①] 광섬유 센서의 특징과 적용분야
(2016-02-01)  [광섬유 계측기술의 최전선 ②] 광섬유 전류센서의 실용화 현황
(2016-02-01)  [광섬유 계측기술의 최전선 ③] 최신 광섬유망 측정기술 및 응용
[관련기사]
이동식 발전기도 ‘친환경 스마트’ 바람 (2019-11-01)
LG전자, 소규모 태양광 발전용‘ 올인원 ESS’ 출시 (2019-09-01)
테슬라, 대용량 ESS‘ 메가팩’ 발표 (2019-09-01)
[신기술]IoT 무선 센서와 체내이식 의료기기를 위한 전원 (2019-09-01)
[신기술] TVS의 회전익 자동 강성 조절 장치 (2019-08-01)
[신제품]전력연구원, 디젤발전기 고장경보시스템 개발 (2019-07-01)
[글로벌마켓] 폴란드, 석탄에서 신재생으로 에너지전환 '박차' (2019-06-01)
[글로벌마켓] KEMRI, 국외 해상풍력 건설장애 극복 사례 (2019-05-01)
[글로벌마켓] KOTRA, 이집트 전력 및 송배전 시장동향 분석 (2019-04-01)
[글로벌마켓] 미국 풍력발전 산업, 5년간 연평균 10.5% 성장 (2019-03-01)
핫뉴스 (5,254)
신제품 (1,462)
전기기술 (792)
특집/기획 (759)
전시회탐방/에너지현장 (265)
업체탐방 (252)
자격증 시험대비 (205)
전기인 (115)
분류내 최근 많이 본 기사
[지열에너지 활용 및 기술개...
[진상콘덴서의 역할 및 설치...
[진상콘덴서의 역할 및 설치...
[역률개선을 위한 제어기술 ...
형상기억합금
[태양광에너지 보급 및 기술...
자성재료
[전기철도, 더 빠르게 더 스...
[SPECIAL FEATURE Ⅰ] 전기산...
[기술특집]<해외편-일본> 릴...
과월호 보기:
서울마포구 성산로 124, 6층(성산동,덕성빌딩)
TEL : 02-323-3162~5  |  FAX : 02-322-8386
정기간행물등록번호 : 마포 라00108  |  통신판매업신고번호 : 마포 통신 제 1800호
개인정보관리책임자 : 강창대 팀장 (02-322-1201)

COPYRIGHT 2013 JEONWOO PUBLISHING Corp. All Rights Reserved.
Family Site
네이버 포스
회사소개  |  매체소개  |  정기구독센터  |  사업제휴  |  개인정보취급방침  |  이용약관  |  이메일주소 무단수집 거부  |  네이버 포스트  |  ⓒ 전우문화사