| [스코틀랜드] 파랑에너지를 하베스팅하는 신기술 개발
스코틀랜드의 알라바턴 웨이브 에너지(Alabatern Wave Energy)사가, 전기를 생산하기 위해 파도의 움직임을 이용하며 연안에 설치되는 어레이 형태의 파랑 에너지 컨버터인 웨이브넷(WaveNET) 시스템을 개발했다. 이 시스템의 부유 구조는 모든 방향으로 플렉시블하며, 파도의 방향과 어레이의 좌표와는 무관하게 해양에서 전력을 캡처할 수 있다.
웨이브넷(WaveNET) 시스템의 어레이는 상호연결된 독특한 스퀴드(SQUID) 제너레이팅 유닛에 의해 형성된다. 이 웨이브넷(WaveNET) 시스템의 최초 개발품은 시리즈-6으로, 최소 수심 20미터 내에서 작동되도록 설계되어 0.3미터에서 6미터 범위의 높이를 가진 파도에서 전기를 생산하게 되어 있다. 웨이브넷(WaveNET) 시스템이 가진 가장 강력한 특징은 처음부터 기능 부분까지 모두 하나의 링크된 유닛 어레이로 작동되도록 설계되고 엔지니어링된 것에 있다. 각각의 스퀴드(SQUID) 유닛은 암으로 링크된 중공 구조의 2개의 튜브로 연결된 3개의 부력용 플로팅으로 구성되어 있다. 이 구성요소 각각 사이의 연결은 같은 6개의 완전 굴절 펌핑 모듈로 제작되었다. 또한, 이 부력용 플로팅은 중공 구조로, 서로 간의 통신과 유압 작동을 위해 다른 구성품과 작동되는 파워 테이크-오프 유닛(PTO, Power take-off unit)을 내장하고 있다.
파워 테이크-오프 유닛(PTO) 모듈은 유압모터, 전기 제너레이터, 제어장치 그리고 통신시스템으로 구성된다. 웨이브넷(WaveNET) 시스템 어레이에는 많은 파워 테이크-오프 유닛(PTO) 모듈이 포함될 예정인데, 최적의 수량은 현장에서 이용가능한 에너지, 어레이에 존재하는 유닛의 수 그리고 필요한 여유율의 정도에 달렸다.
파도 에너지에 대한 이러한 어레이에 기반을 둔 접근법의 가장 큰 장점은 전력 산출량의 개선으로부터 발생하며, 프로젝트 비용의 급격한 감소 가능성도 있다. 어레이의 길이 증가를 통해 웨이브넷(WaveNET) 시스템은 더 먼 거리의 파도로부터 전력을 캡처할 수 있으므로, 폭의 증가는 낮은 파도 밀도의 현장에서도 더 많은 에너지 캡처를 가능케 한다. 어레이로 상호연결되면, 웨이브넷(WaveNET) 시스템의 움직임은 3차원의 파도타기(Mexican wave)처럼 보인다. 즉, 해양의 에너지가 어레이 구조체를 밀고 당기는 형태이다. 각각의 스퀴드(SQUID) 유닛이 가진 굴절 조인트 플렉스는 파도 에너지의 일부를 흡수하고, 흡수되지 않은 에너지는 다음 단계의 유닛으로 패스하므로 어레이를 따라 모든 과정을 거치게 된다. 이 독특한 디자인은 어레이가 어느 방향에서든지 파도의 완벽한 주기 이동에 반응할 수 있도록 하고 파도 에너지의 5~6개 엘리멘트로부터 전력 캡처가 가능토록 한다. 이 엘리멘트는 피칭, 롤링, 히빙, 서징 그리고 스웨이(pitch, roll, heave, surge and sway)를 의미한다.
우주선 프레임 형태의 어레이 구조는 이러한 엄청난 양의 바다 면적이 상대적으로 작은 양의 재료를 사용하여 커버할 수 있도록 하여, 무게당 전력생산율을 높이게 된다.
스퀴드(SQUID) 제너레이팅 유닛은 혁신적인 특허 펌핑 모듈 디자인을 특징으로 하는데, 이것은 기계적 단락점의 사용을 피할 수 있게 한다. 이것은 일반적으로 강력한 기존 시스템의 파괴를 가져올 수 있는 매우 큰 에너지를 가진 강력한 파도를 만들 수 있는 태풍 상황에 직면하는 파도 에너지 컨버터에는 매우 중요한 특성이다. 더욱이, 웨이브넷(WaveNET) 시스템이 가진 물 내부에서의 낮은 프로파일, 플렉시블한 구조 그리고 여러 곳의 연결 포인트를 특징으로 하는 계류시스템은 거대한 파도가 그냥 지나치고 일부 어레이나 모든 어레이를 잠수시킴으로써, 피해를 최소화할 수 있다.
웨이브넷(WaveNET) 시스템 어레이는 담치 양어장의 그것과 비슷하게 일련의 구분된 부이로서만 표면에 보여서, 시각적인 영향과 다른 바다 이용자들과의 분쟁의 가능성도 감소시킨다. 대형 어레이의 경우, km²당 약 300MW 정도의 전력 생산이 가능할 것이다. 이것은 다른 파도에너지 장치의 km²당 약 15~20MW와 비교되며, 일반적으로 연안의 풍력발전소의 전력생산량이 km²당 약 10MW인 점과 비교된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 1월 5일]
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New method of harvesting wave energy
The company Alabatern Wave Energy from Scotland has created WaveNET, an offshore array-based wave energy converter that uses the motion of waves to generate electricity. The floating structure of the WaveNET is flexible in all directions, and capable of capturing power from the ocean regardless of wave direction and array orientation.
WaveNET arrays are formed by interconnecting the unique SQUID generating units. The first development scale of WaveNET is Series-6, designed to operate in in a minimum water depth of 20m and to generate electricity in waves with heights ranging from 0.3m to 6m. WaveNET's strongest features come from being designed and engineered from the start to function as an array of linked units. Each SQUID unit comprises a hollow central riser tube connected to 3 buoyancy floats by linking arms. The connections between each of these components is made by 6 identical fully articulated pumping modules. The buoyancy floats also have hollow structures, allowing them to house the PTO (Power take-off unit) along with other components for communications and hydraulic operation.
The PTO module comprises a hydraulic motor, electrical generator, control apparatus and communications. A WaveNET array will contain a number of PTO modules - the optimum quantity depends on the available energy at the site, the number of units in the array and the degree of redundancy required.
The most significant benefits of this array-based approach to wave energy come from improvements in power yield and potentially dramatic reductions in project costs. By increasing the length of the array WaveNET can capture more power from longer waves, increasing the width allows it to capture more energy from lower density sites. When interconnected as an array, WaveNET's movement is like a three-dimensional Mexican wave: the ocean's energy pushes and pulls the array's structure; each SQUID unit's articulated joints flex, absorb some of the wave's energy, with any unabsorbed energy passing to the next unit, all the way through the array. This unique design allows the array to respond to the full orbital motion of the waves, from any direction, and allows power capture from 5 of the 6 elements of wave energy: pitch, roll, heave, surge and sway.
The space-frame type construction of the array allows these large amounts of sea area to be covered using comparatively small amounts of material, resulting in a high power to weight ratio.
The SQUID generating units feature an innovative patented pumping module design, which avoids the use of mechanical end-stops. This is an extremely important feature for wave energy converters where storm conditions can create large waves with very high energy levels that can destroy normally robust systems added to this, WaveNET's low profile in the water, flexible structure and a mooring system featuring multiple points of connection allows large waves to pass over and submerge some or all of the array, minimising any potential damage.
WaveNET arrays appear from the surface as a series of isolated buoys, similar to those of mussel farms, reducing visual impact and potential conflict with other sea users. As much as 300 MW per km² is possible for large arrays. This compares to 15-20 MW/ km² for other wave devices, with offshore wind typically in the range of 10 MW/km².
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