Numerical Investigation of Flow Velocity Enhancement by a Submerged Mound and a Ducted Tidal Turbine in Low-Current Waters

Abstract

해양에너지 중 조류에너지는 예측 가능하고 안정적인 전력 생산이 가능하다는 점에서 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 조류발전 시스템의 출력은 유속의 세제곱에 비례하므로, 발전 효율을 향상시키기 위해서는 유속 증폭 기술이 필요하다. 본 연구에서는 해상 교량 교각 주변과 같은 저 유속 해역에서 조류 터빈 발전 효율을 높이기 위해, 해저 둔덕과 덕트를 조합한 총 5가지 유속 증폭 구조물 형상을 제시하였다. 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics; CFD) 기반의 수치 해석 프로그램(STAR-CCM+)을 활용하여 유동장을 해석하고, 각 형상에 따른 유속 변화 및 증폭률을 비교 분석하였다. 본 연구에서 제시한 조건에서, 수중 둔덕과 덕트가 결합된 형상은 약 47%의 평균 유속 증폭률을 보였고, 자유수면 효과가 추가되면 최대 약 60%의 유속 증폭 효과가 발생하였다. 이는 자유수면의 하강 현상으로 인해 덕트 상부로 우회하려는 유동이 억제되어 유체장 내부로 강하게 밀어 넣는 추가 증폭 기제로 작용하기 때문으로 판단된다. 본 연구 결과는 저 유속 해역에서 조류발전 터빈의 성능 향상을 위한 설계 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.