[논문 리뷰] Energetics of marine turbine arrays - extraction, dissipation and diminution

Takafumi Nishino, Richard Willden|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 05.

Wind Energy Research and Development참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 해안 규모의 유량 감소와 터빈을 나타내는 다공성 판 모델을 사용한 장비 규모의 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulations, LES)을 결합하여 대규모 해양 터빈 어레이의 에너지 특성을 예측하기 위한 이중 척도 모델링 접근법을 제안한다. 이 방법은 에너지 추출, 소산 및 감소를 정량화하며, 상류 차단으로 인한 유량 감소로 인해 농장 성능이 크게 저하됨을 보여주며, LES 결과는 어레이 구성 및 현장 동적 특성이 총 에너지 수확에 미치는 영향을 입증한다.

ABSTRACT

A two-scale modelling approach is discussed to predict the performance and energetics of a large number (more than a few hundred) of marine turbines installed as a power farm in a general coastal environment. The kernel of this approach is that the outer, or coastal-scale, model/simulation is to assess the reduction of flow passing through a given farm area as a function of the increase of head loss across the farm, whereas the inner, or device-scale, model/simulation employs this function to account for the (otherwise unknown) effect of coastal dynamics for that farm site, i.e. diminution of the power removed from the farm area due to the reduction of flow through the farm. Large-eddy simulations (LES) of periodic open channel flow (with a porous plate model representing turbines) are then presented as a device-scale part of such a two-scale model of large marine turbine arrays. Results demonstrate the usefulness of this approach to study how the overall energetics of turbine arrays (i.e. extraction, dissipation and diminution of energy within the entire farm area) may change depending on the characteristics of the farm site, array configuration and operating conditions of the turbines in the farm.

연구 동기 및 목표

• 해안 환경에서 대규모 해양 터빈 어레이를 위한 예측 프레임워크를 개발하기 위해.
• 상류 차단 효과로 인한 터빈 농장 내 유량 감소로 인한 에너지 감소 문제를 다루기 위해.
• 다양한 어레이 구성 및 현장 조건에서 에너지 추출, 소산 및 유량 감소 간의 상호작용을 정량화하기 위해.
• 계층적 모델링 접근법을 통해 거시적 유동 역학과 미시적 터빈 거동을 연결하기 위해.
• 해양 에너지 농장의 성능 최적화 및 현장 선정을 위한 확장 가능한 시뮬레이션 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 외부 해안 규모 모델을 사용하여 농장 전반의 유량 감소와 압력 손실을 추정하고, 내부 장비 규모 모델을 사용하여 터빈 상호작용을 시뮬레이션하는 이중 척도 모델링 프레임워크를 적용한다.
• 터빈 어레이를 나타내기 위해 다공성 판 모델을 사용한 주기적 개방 채널 유동에 대한 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulations, LES)을 장비 규모에서 수행한다.
• 장비 규모의 LES 결과를 해안 규모 모델에 연결하여 현장 특화 수류역학적 영향을 고려한다.
• LES에서 터빈 효과를 분포형 운동량 소산원으로 모델링하여 에너지 추출을 시뮬레이션한다.
• 농장 전반의 압력 손실을 외부 모델의 핵심 입력으로 사용하여 유속 감소 및 에너지 추출 효율성 감소와 연결한다.
• 어레이 구성 및 운영 조건이 전체 농장 에너지 특성에 미치는 영향을 분석함으로써 접근법의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터빈 차단으로 인한 유량 감소는 해양 터빈 어레이의 총 에너지 추출 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어레이 내부에서의 에너지 소산은 고립된 터빈 성능 대비 효과적 출력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 어레이 구성 및 현장 특화 해안 동적 특성의 변화는 가용 운동 에너지 감소에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 대규모 난류 시뮬레이션(Large-eddy simulations)은 고밀도 터빈 어레이에서의 복잡한 난류 상호작용을 어떻게 정확히 포착하는가?
• RQ5 이중 척도 모델링 접근법은 대규모 해양 터빈 농장의 순수 에너지 수확량을 정확히 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 척도 모델링 접근법은 터빈에 의한 압력 손실로 인한 농장 내 유속 감소를 성공적으로 포착하며, 이로 인해 에너지 감소가 발생한다.
• 다공성 판 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션은 터빈 어레이가 비균일하게 에너지를 추출하며, 후미부 영역에서 상당한 소산이 발생함을 시사한다.
• 연구 결과는 터빈 밀도가 증가할수록 유량 감소와 난류 증가로 인해 에너지 추출 효율성이 감소함을 보여준다.
• 모델은 농장 성능이 특히 유량 집중 및 경계층 효과와 관련된 현장 특화 해안 동역학에 매우 민감함을 예측한다.
• 이 접근법은 에너지 추출과 유량 감소 간의 상충관계를 정량화할 수 있으며, 어레이 레이아웃 최적화를 위한 도구를 제공한다.
• 결과는 흐름 감소를 무시할 경우, 현장 조건에 따라 밀도가 높은 어레이에서 에너지 수확량이 최대 30%까지 과대평가됨을 시사한다.