지혜 서 , 진학 이 , 진순 박 , 광수 이 
 Journal of Ocean Engineering and Technology . 2015 . Oct , 29 ( 5 ) : 366 - 372 
 DOI : http : / / dx . doi . org / 10 . 5574 / KSOE . 2015 . 29 . 5 . 366 
 삼 면 이 바다 로 둘러싸인 우리나라 는 잠재 되 어 있 는 풍부 한 해양 에 너 지 개발 을 위해 노력 을 기울여 왔 다 . 특히 강한 흐름 의 에너지 를 이용 하 는 조류 발전 은 울돌목 , 장죽수도 , 맹골수도 등 서남 해 안 을 중심 으로 1 , 000 MW 규모 의 발 전단지 를 개발 할 수 있 을 것 으로 전망 되 어 ‘ 조류 에너지 실용화 기술 개발 ( 2001 ~ 2011 ) ’ 및 ‘ 능동 제어 형 조류 발전 기술 개발 ( 2011 ~ 2018 ) ’ 등 여러 연구 가 진행 되 고 있 다 ( MOF , 2014 ) . 현재 가장 앞선 해양 에 너지 기술 을 보유 하 고 활발 한 개발 이 진행 되 고 있 는 영국 의 경우 2020 년 까지 조류 및 파력 을 중심 으로 해양 에 너지 를 이용 하 여 설치 용량 30 - 50 GW 와 국내 전력 소비량 의 20 % 를 충당 한다는 목표 를 세우 고 확고 한 정책 과 폭넓 은 지원 을 하 고 있 다 ( GOV . UK , 2013 ) . 이 에 따라 현재 1 . 2 MW 조류 발전 시스템 ( Seagen , MCT 사 ) 이 현장 실증 실험 을 성공 적 으로 마친 상태 이 며 실용화 단계 에 접어들 것 으로 전망 하 고 있 다 . 
 - 2 . 1 블레이드 요소 운동량 이론 ( BEMT , Blade element momentum theory ) 
 - 2 . 2 유전자 알고리즘 ( GA , Genetic algorithm ) 
 여기 서 , σ 는 무 차원 캐비테이션 수 ( Cavitation number ) 이 며 , CPmin 는 블레이드 표면 에서 의 최소 국부 유압 계수 , SFcav 는 공동현상 을 피하 기 위한 안전 계수 를 의미 한다 . 
 미국 에너지 국 ( US DOE , US Department of Energy ) 에서 는 해양 에 너지 의 기술 혁신 을 위해 6 가지 의 기준 모델 ( RM , Reference model ) 을 바탕 으로 에너지 균등화 비용 ( LCOE , Levelized cost of energy ) 을 예측 하 였 다 ( Neary et al . , 2014 ) . LCOE 는 설치 비용 및 운영 비용 등 시스템 구축 에 소요 되 는 총비용 을 생산 되 는 총 에너지 로 나눈 값 으로 경제 성 을 가장 잘 표현 할 수 있 는 값 이 다 . Fig . 2 에서 보 는 바 와 같이 RM - 1 과 RM - 2 는 흐름 을 이용 한 발전 모델 이 고 RM - 3 은 파력 발전 모델 이 다 . 이 중 RM - 1 ( 1 , 100 kW 급 수평축 조류 터빈 ) 이 상대 적 으로 가장 낮 은 , 우수 한 모델 로 예측 되 었 다 ( Fig . 3 ) . 한편 이 연구 에서 다루 고 있 는 수평축 터빈 과 동일 한 RM - 1 의 경우 , 설비 이용률 ( CF , Capacity factor ) 0 . 3 과 정격 용량 1 , 100 kW 를 고려 하 면 AEP 는 식 ( 3 ) 과 같이 구할 수 있 다 . 
 한편 본 연구 에서 대상 으로 하 는 울돌목 해역 특정 한 지점 , 즉 울돌목 시험 조류 발전소 재킷 구조물 안쪽 에서 관측 된 조류 의 유속 범위 는 Fig . 4 에서 와 같이 0 ~ 3 . 5 m / s 이 며 , 시스템 전체 의 효율 을 40 % 로 가정 할 때 출력 곡선 ( Power curve ) 은 정격 출력 에 따라 Fig . 4 ( a ) 와 같이 구할 수 있 다 . 여기 서 Fig . 4 ( b ) 의 유속 분포 는 특정 지점 에서 관측 한 값 이 고 , 또한 재킷 구조물 에 의한 후류 의 영향 이 포함 된 값 으로 진도 대교 부근 및 협수 로 가운데 위치 등 에서 는 더 높 고 다른 형태 의 유속 분포 를 가질 수 있 다 . 
 더불 어 , 유속 의 발생 빈도 와 출력 곡선 으로부터 연간 에너지 생산량 을 계산 하 고 이 로부터 LCOE 를 도출 한 결과 Table 1 에서 와 같이 200 kW 급 터빈 이 가장 낮 은 LCOE ( $ 0 . 68 / kWh ) 를 가지 는 것 으로 나타났 다 . 이 연구 의 수평축 조류 발전 용 터빈 블레이드 를 최적 화 하 는 과정 에서 는 증속 기 및 발전기 에서 의 손실 을 고려 하 여 정격 출력 을 220 kW 로 설정 하 여 형상 을 최적 화 하 고자 하 였 다 . 이 를 위한 기본 적 인 상세 설계 조건 은 Table 2 와 같 다 . 
 Table 2 에서 와 같이 대상 해역 의 수심 은 20 m 로 , 이 에 적합 한 수평축 조류 터빈 의 로터 직경 은 상 · 하단 의 여유고 ( Clearance ) 를 5 m 로 고려 하 여 10 m 로 선정 하 였 다 ( Fig . 5 ) . 일반 적 으로 , 쇄파 영향 및 해상 활동 에 지장 을 최소 화 하 기 위해 로터 의 상단 여유고 ( Top clearance ) 는 최소 5 m 이상 을 확보 하 며 , 해 저면 으로부터 전단 하중 과 난류 의 영향 을 최소 화 하 기 위해 수심 의 25 % 혹은 5 m 이상 의 하단 여유고 ( Bottom clearance ) 를 확보 하 는 것 을 권장 하 고 있 다 ( Legrand , 2009 ) . 
 Fig . 7 은 변수 에 따른 블레이드 의 형상 을 표시 한 결과 이 며 횡축 은 로터 의 반경 대비 비율 ( Radial distance ratio ) 로 무 차원 화 하 였 다 . 블레이드 지점 부 에서 끝단 으로 갈수록 선속도 가 증가 하 기 때문 에 각 위치 에서 정격 유속 에 대한 최적 유효 받음각 ( Optimal AOA ) 을 유지 하 기 위해 끝단 으로 갈수록 비틀림 각도 는 감소 하 게 된다 . 
 Fig . 7 ( a ) 와 같이 비틀림 각도 의 경우 변수 와 상관없이 모두 유사 한 결과 를 보여 주 고 있 으나 , 시위 길이 와 두께 는 블레이드 의 수 에 따라 최적 형상 결과 가 서로 상이 함 을 알 수 있 다 . Fig . 7 ( b ) 과 ( c ) 에서 보이 는 바 와 같이 3 엽 에 비해 2 엽 의 경우 블레이드 지점 부 에서 끝단 으로 갈수록 시위 길이 가 길 고 두꺼운 형상 을 가지 나 두께 비율 은 큰 차이 가 없 다 ( Fig . 7 ( d ) ) . 
 한편 , Fig . 8 은 흐름 에 따른 블레이드 성능 을 평가 한 결과 이 다 . 수중 에 설치 되 는 조류 터빈 의 성능 은 흐름 에 대해 추력 , 토크 , 동력 계수 로서 평가 될 수 있 다 . 먼저 로터 의 추력 은 수중 구조물 의 설계 에 매우 큰 영향 을 주 는 인자 이 며 , 토크 는 증속 기 ( Gear box ) 와 발전기 등 에서 의 축계 설계 를 결정 한다 . 또한 동력 은 로터 에 의해서 얻 어 지 는 에너지 의 양 을 결정 한다 . 따라서 이 세 가지 의 성능 을 파악 하 는 것 은 조류 터빈 의 성능 평가 에 매우 중요 하 다 . Fig . 8 ( a ) 에서 알 수 있 는 바 와 같이 정격 출력 을 220 kW 로 고려 하 였을 때 유속 이 대략 2 . 3 m / s 에서 정격 출력 이 발생 하 며 , 이때 의 최대 터빈 효율 은 45 . 7 ~ 49 . 0 % 로 최적 의 정격 출력 을 결정 할 때 가정 한 터빈 효율 40 . 0 % 에 비해 6 ~ 9 % p 정도 더 높 은 값 을 보이 고 있 다 . 또한 가변 피치 ( ●, ◌) 일 경우 정격 유속 이상 에서 는 블레이드 피치 각도 를 제어 함 으로써 일정 한 출력 이 발생 하 도록 제어 하 고 있 고 , 고정 피치 ( ■, □) 의 경우 RPM 을 제어 하 여 정격 출력 을 나오 게 함 을 알 수 있 다 . 
 Fig . 8 ( b ) 를 살펴보 면 , 정격 유속 이하 구간 에서 터빈 효율 이 2 엽 ( □, ◌) 에 비해 3 엽 ( ■, ●) 의 경우 약 2 % 가량 낮 은 경향 을 보이 나 정격 유속 이상 의 구간 에서 는 거의 같 은 값 을 가진다 . 정격 유속 이상 의 구간 에서 의 조류 발생 빈도 도 상당 한 값 을 가지 므로 블레이드 수 에 의한 터빈 효율 의 차이 와 이 에 근거 한 연간 에너지 생산량 의 차이 는 미소 하 다고 판단 된다 . Fig . 8 ( c ) 와 ( d ) 에서 는 지점 부부 분 에 가해 지 는 모멘트 와 추력 을 나타내 었 다 . 정격 유속 이상 의 범위 에서 고정 피치 ( ■, □) 의 경우 그 값 이 거의 일정 하나 가변 피치 ( ●, ◌) 의 경우 크 게 감소 하 는 것 을 볼 수 있 다 . 터빈 에 작용 하 는 토크 역시 고정 피치 일 경우 약 10 % 더 크 게 작용 됨 을 알 수 있 다 ( Fig . 8 ( e ) ) . 즉 , RPM 을 줄이 기 때문 에 토크 는 커 지 게 된다 . RPM 을 줄이 면 선속도 와 유속 의 비율 ( TSR , Tip speed ratio ) 이 변하 고 , 이 에 따라 출력 계수 가 변하 며 제어 를 하 는 원리 이 다 . 
 Fig . 8 ( f ) 를 살펴보 면 , 지점 부 에 가해 지 는 최대 모멘트 가 2 엽 의 경우 평균 199 . 34 kN - m 로 3 엽 일 때 평균 126 . 83 kN - m 에 비해 크 게 작용 하 는 것 으로 보이 나 , 블레이드 수 에 따라 터빈 전체 에 가해 지 는 힘 을 고려 하 면 2 엽 터빈 의 경우 398 . 68 kN - m , 3 엽 터빈 의 경우 380 . 49 kN - m 로 , 2 엽 터빈 이 전체 적 으로 는 4 . 78 % 정도 더 큰 모멘트 를 받 음 을 알 수 있 으나 큰 차이 는 없 다고 할 수 있 다 . 
 또한 , 4 가지 블레이드 형상 및 운영 조건 에서 의 가장 우수 한 성능 을 보이 는 변수 는 3 엽 의 고정 피치 일 경우 ( VS - FP / 3 blades ) 로 , 연간 에너지 생산량 ( AEP ) 은 최대 1 , 017 , 369 kW - hr / y 이 며 설비 이용 율 ( CF ) 은 52 . 8 % 로 분석 되 었 다 . 전반 적 으로 2 엽 에 비해 3 엽 이 다소 더 우세 한 성능 을 나타내 었 으나 , 이 는 CF 측면 에서 평균 1 . 65 %, AEP 측면 에서 는 평균 3 . 28 % 차이 에 불과 하 다 . 또한 피치 제어 방식 의 경우 도 가변 피치 에 비해 고정 피치 의 경우 가 다소 우세 한 성능 을 나타내 나 , 이 또한 CF 측면 에서 평균 0 . 15 %, AEP 측면 에서 는 평균 0 . 32 % 차이 에 불과 하 다 ( Table 3 ) . 이 는 실제 블레이드 제작 시 개수 에 따른 경제 성 을 고려 한 설계 가 필요 함 은 물론 피치 제어 를 도입 함 에 따른 장단점 등 을 충분히 검토 하 여 RPM 제어 만 으로 정격 유속 상 에서 도 전력 제어 를 하 는 시스템 의 채택 도 고려 할 수 있 음 을 의미 한다 . 실제 고정 피치 방식 을 적용 할 경우 , 피치 제어 와 관련 된 여러 구성 요소 를 단순 화 할 수 있 어 터빈 유지관리 측면 에서 는 매우 큰 장점 이 있 다고 할 수 있 다 . 한편 3 엽 대신 2 엽 을 사용 하 는 경우 제작비 등 이 줄어들 수 있 으나 출력 이나 하중 등 의 변동성 이 증가 할 수 있 으므로 이러 한 측면 을 충분히 검토 하 여 설계 에 반영 하 여야 할 것 이 다 . 
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