• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.433-433
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• 2021

본 연구는 개수로 흐름에서 조류발전단지의 터빈 최적 배열의 거시적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 천수방정식을 통해 직사각형 개수로의 흐름장을 해석하였고, 상류와 하류단에 대해 각각 유입경계조건(inlet boundary condition)과 Flather 형식의 개방경계조건(open boundary condition)을 부여하여 일정 유량으로 흐르는 개수로 흐름을 구현하였다. 더불어, Strickler의 법칙을 확장한 반력공식을 연계하여, 개수로 흐름에 대한 조류 터빈의 영향을 반영하였다. 주어진 상류의 흐름 조건에 대해 조류발전량을 최대로 하는 최적 배열을 구하기 위해 터빈 반력모형을 연계한 천수방정식, 터빈간 최소간격, 그리고 발전단지영역을 제한조건으로 하는 발전량 최대화 문제를 구성하였다. 여기서 조류 터빈의 위치를 나타내는 벡터를 설계변수로 두었는데, 설계되는 터빈의 수가 증가함에 따라 최적화 문제의 계산량이 증가하지 않도록 수반법(adjoint method)을 경사도기반법(gradient-based method)에 연계한 방법이 이용되었다. 다수의 터빈초기배치로 상당한 수치실험이 수행되었고, 발전량 최대화를 이루도록 최적화된 터빈의 배치들이 큰 규모에서 고유한 형상으로 수렴함을 확인하였다. 이러한 특성은 발전단지의 너비와 터빈의 최소간격의 함수로 정의된 무차원수 E를 바탕으로 설명되었다. 구체적으로, E가 1보다 작을 때에는 선형배열이 최적배열로 나타났고, E가 1을 넘어 점차 커짐에 따라 하류에 오목한 형상을 보이다가 V-형태로 발전하는 양상을 보였다. 또한, 어느 임계 수 이상의 터빈이 배치되는 경우 일열 배열을 유지하지 못하고 이열 배열로 분리됨이 관찰되었다.

• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2016.11a
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• pp.15-18
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• 2016

본 연구는 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 해석 시스템 개발에 대한 사전연구의 일환으로 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈 주위 유동장에 대한 수치해석을 수행하였다. TSR 조건 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이에 대한 power, total coefficient를 동일한 조건에서 수행된 실험결과와 비교 검증하여 해석자의 신뢰도를 확인하였다. 또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body 해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body 해석 결과를 비교하여 경제적이면서 정도 높은 터빈 성능해석 프로세스를 제안하였다. 조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 $C_P$가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. 이를 통해 suction side의 압력 분포, 팁 와동의 강도 등 성능개선을 위한 주요한 설계변수를 식별하였다.

• Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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• v.21 no.4
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• pp.301-307
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• 2009

The Korean peninsula has a number of coastal sites where the rhythmic rising and lowering of water surface due to tides results in strong tidal current. The kinetic energy of these currents can be efficiently exploited by use of tidal current turbines. This paper investigates the characteristics of helical turbine based on in-field test. The experimental frame was constructed at the Uldolmok narrow channel between Jindo and Haenam and installed the helical turbine of diameter 2.2 m and height 2.5 m. 3-blade turbine had the maximum efficiencies of about 30% in the current velocity range between 1.5 and 2.3 m/s and 6-blade turbine han the maximum efficiencies of about 25%. The efficiency was constant with the current velocity. TSRs of 3-blade and 6 blade turbines were observed as 2.4 and 1.9 respectively.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.163.1-163.1
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• 2011

세계는 지금 지구 온난화 및 화석연료의 고갈로 인해 대체 에너지 자원의 확보문제가 급속히 대두되고 있다. 이에 조류발전은 오염이 발생하지 않는 친환경 에너지원으로서, 날씨나 계절에 상관없이 항상 발전할 수 있는 신뢰성 있는 에너지이며, 높은 밀도를 가지는 작동유체가 수차에 미치는 영향 또한 크므로 지속적으로 예측이 가능한 장점을 가지고 있다. 이러한 조류에너지는 실 해역에 적용하기 위해서는 전격유효 전력이 생산 가능한 지리적 요인에 대한 고찰과 더불어 조류발전 터빈의 개념설계가 고려되어야 한다. 본 연구는 다양한 설치 공간을 형성할 수 있으며, 장, 단점이 보완될 수 있는 조류발전 터빈의 개념설계 연구 단계로서, 내부 유동 특성을 고려하여 입구를 설계하였으며, 일정한 속도로 유입되는 유량을 노즐의 장착을 통해 에너지 밀도를 높일 수 있게 된다. 이러한 개념형상 설계로 추가 작동이나, 장치의 사용 없이 양방향 발전이 가능해 진다.

• Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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• 2018.05a
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• pp.193-194
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• 2018

최근 정부의 RPS(신재생에너지 의무할당제, Renewable Energy Portplio Standard) 확대 시행과 신재생 3020 정책에 맞물려 정부뿐만 아니라 기업체의 신재생에너지 발전설비용량과 발전량의 확대가 요구되는 시점이다. 특히 조류에너지는 환경친화적이며 지속가능한 에너지원으로서 그 관심이 더욱 커지고 있다. 그러나 조류발전 후보지는 유속이 매우 빠르고, 설치가 어려워 그에 따른 제반사항들이 다른 에너지원에 비해 상대적으로 많다는 단점이 있어, 조류발전단지 구축 시에는 후보지를 선정하고 타당성 조사를 수행하는 과정이 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 최대의 조류에너지를 얻을 수 있는 해역을 선정하여 조류발전단지를 설계하고 후류의 특성을 분석하였다. 먼저 전자해도의 상세 수심 자료를 추출해 상용 프로그램인 ADCIRC 프로그램에 실제 지형을 수치 모형화하였고, 잠재적 에너지 분포가 높은 해역에 1MW급 수평축 조류발전 터빈을 설계하여 적용하였다. 또한 조류발전단지 내의 터빈의 배치 방법(Centered, Staggered Layout)에 따른 후류의 특성을 분석하여 연간 전력 생산량을 계산하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.164.2-164.2
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• 2011

지구온난화에 따른 대체에너지 자원확보가 국가적으로 중요한 과제로 대두되고 있고 여러 대체에너지원 중 국내의 해양에너지는 잠재량이 매우 높다. 여러 해양에너지 중에서 빠른 흐름을 이용하는 조류발전은 서해안과 남해안에 적용하기에 적합하며 해양환경을 보존하면서 많은 에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다. 조류발전에서 1차적으로 에너지를 변환시키는 로터는 주요한 장치중의 하나로 여러 변수에 의해 그 성능이 결정된다. 로터의 블레이드 수, 형상, 단면적, 허브, 직경 등 여러 요소를 고려하여 설계되어야 한다. 또한 조류발전을 적용하는 해양환경에서 최대 출력을 생산할 수 있는 로터가 적용될 수 있도록 블레이드의 후류 영향을 고려해야한다. 본 논문에서는 날개요소이론을 바탕으로 수평축 조류발전 터빈을 설계하여 실험 및 유동해석을 통해 성능을 평가하고, 후류에 미치는 영향을 분석하였다.

• Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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• v.17 no.1
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• pp.20-26
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• 2014

It is essential to consider the effect of blade deformation in order to design a better tidal stream turbine being operated in off-design condition. Flow load causes deformation on the blade, and the deformation affects the turbine performance. In the present study, CFD analysis procedures were developed to predict open water performance of horizontal axis tidal stream turbine (HATST). The developed procedures were verified by comparing the results with existing experimental results. Fluid-structure interaction (FSI) analysis method, based on the verified CFD procedure, have been carried out to estimate the turbine performance for a turbine with flexible composite blades, and then the results were compared with those for rigid blades.

• Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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• v.19 no.2
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• pp.151-158
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• 2016

Tidal farm is a multi-arrayed turbine system for utilizing tidal stream energy. For horizontal-axis turbine(HAT) system, it is recommended that each unit has to be deployed far apart in order to avoid hydrodynamic interference among turbines, as proposed by the European Marine Energy Centre(EMEC). But there is no rule for the arrangement of vertical-axis turbine(VAT) yet. Moreover it has been reported that a proper arrangement of adjacent turbines can enhance the overall efficiency even greater than an arrangement without mutual interference effect. This paper suggests the layout of VATs showing the better performances, which turned out to be quite different from HATs' arrangement. Numerical calculations were performed to investigate the performance variation in terms of the rotational direction as well as the distance between turbines. It has been shown that the best combination of rotational direction and distance between turbines can increase its performance higher about 9.2% than that of two independently operated turbines. It is likely that such improvement is due to the increased velocity between adjacent turbines. For diagonally arranged turbines, the maximum normalized mean power coefficient was obtained to be higher about 5.6% than that of two independent turbines. It is expected that the present results can be utilized for conceptual design of tidal farm to harness the tidal stream energy.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.39 no.8
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• pp.661-668
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• 2015

We present a design methodology for horizontal-axis tidal turbine blades based on blade element momentum theory, which has been used for aerodynamic design and power-performance analysis in the wind-energy industry. We design a 2-blade-type 1 MW HATT blade, which consists of a single airfoil (S814), and we present the detailed design parameters in this paper. Tidal turbine blades can experience cavitation problems at the blade-tip region, and this should be seriously considered during the early design stage. We perform computational fluid dynamics (CFD) simulations considering the cavitation model to predict the power performance and to investigate the flow characteristics of the blade. The maximum power coefficient is shown to be about 47 under the condition where TSR = 7, and we observed cavitation on the suction and pressure sides of the blade.

• Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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• v.17 no.3
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• pp.167-173
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• 2014

In this work, based on the blade element-momentum theory (BEMT), we proposed the geometry of a lab-scale horizontal axis tidal turbine with a diameter of 80cm, which can demonstrate the maximum power coefficient, and investigated the effect of blade pitch angle increase on the power coefficient. For validation of the computed power coefficients by the BEMT, we also computed the power coefficient using the computational fluid dynamics (CFD) for each case. For the CFD, 15 times of the turbine radius was used for the length and diameter of the computational domain, and the open boundary condition was prescribed at the boundary of the computational domain. The maximum power coefficients of the turbine acquired by the BEMT and CFD were about 48%, showing a good agreement. Both of the power coefficients computed by the BEMT and CFD tended to decrease when the blade pitch angle increases. The two power coefficients for a given tip-speed ratio were in good agreement. Through the present study, we have confirmed that we can trust the proposed geometry and the computed power coefficients based on the BEMT.