Renewable Energy

Renewable Energy

재생 에너지에는 천연 자원을 활용하여 동력을 생산하는 매우 다양한 혁신적인 기술이 포함됩니다. 에너지 생산자와 소비자가 모두 현실적인 비용 및 효율 개선을 균형 있게 처리하는 동시에 환경 영향을 최소화하는 방안을 모색하면서 기존 자원부터 신종 자원(예: 바이오매스, 수력, 풍력, 태양열 연료 전지, 조력과 파력, 지열)까지 재생 에너지가 전 세계 전기 생산에서 차지하는 비중은 갈수록 증가하고 있습니다.

특히 에너지 과학자와 엔지니어들이 출력 최대화, 비용 최소화 노력을 기울이면서 ANSYS 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어로 새로운 재생 에너지 장비를 개발하고 신규 시스템의 안정성과 성능을 개선합니다. 연료 전지 스택의 전기화학 성능 테스트부터 바이오매스 반응기와 태양 집전기 설계 최적화까지, ANSYS 솔루션은 개발 과정의 속도를 높여 재생 가능 기술을 신속하게 시장에 선보이도록 지원합니다. 물리적 프로토타입과 테스트에 투자하는 시간과 비용, 기타 자원을 최소화함으로써 ANSYS 소프트웨어는 이러한 재생 에너지 기술이 증가하는 전 세계 에너지 수요를 충족하는 데 효율적인 만큼 개발하기에도 효율적일 수 있도록 합니다.

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풍력은 전 세계 에너지 믹스에서 차지하는 비중이 늘고 있습니다. 풍력 터빈 설계 및 제조 분야는 복잡한 엔지니어링 분야입니다. 특히 끊임없이 변화하는 각도에서 불어오는 바람의 변동에 대응하도록 그 어느 때보다 큰 날개를 개발하는 것은 매우 복잡한 작업입니다.

ANSYS 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어는 구조역학, 유체역학, 열역학, 진동학, 전자기학, 음향학 등에 관한 기초 수학 방정식을 풀이하도록 설계된 통합 환경을 제공합니다. 또한 다중 물리 시뮬레이션의 기반이 되는 물리학의 상호 연관성을 분석하는데, 이것은 특히 풍력 엔지니어들에게 중요합니다. 터빈에는 유체, 구조, 전기 설계의 모든 측면이 포함되는 경우가 많기 때문입니다.

보기: 시스템 엔지니어링 - 바람의 에너지 전환 비디오 

풍력 엔지니어들은 ANSYS 솔루션을 사용해 크고 작은 프로젝트의 풍력 공급망에서 기술 혁신을 지속 개발합니다. 조직에서는 비용 절감, 풍력 터빈의 안정성 개선, 운영 효율성 개선 등 목표가 무엇이든 ANSYS 소프트웨어를 이용해 풍력 터빈을 개발, 제조, 운송, 설치합니다. ANSYS의 엔지니어링 시뮬레이션 소프트웨어는 풍력 시스템에 수반되는 엔지니어링의 모든 과제를 해결합니다. 구체적으로는 다음과 같습니다.

  • 공기역학 설계 (추력 계수, 날개의 구조적 무결성, 최대 부하와 피로, 소음 예측, 돌풍(gust), 유체-구조 상호작용, 조류 충돌, 착빙, 경계층 천이, 근접 후류와 파 필드(far field) 연구)
  • 구조 설계 (탑과 로터의 구조적 무결성/안전, 전력 변환 효율, 설치와 유지보수, 연안 운송과 설치)
  • 부품 설계 (날개, 기어박스와 베어링, 발전기, 나셀, 로터, 요(yaw) 드라이브, 요 모터)
  • 부지 선정과 팜 레이아웃 (프로젝트 최대 잠재력, 피크 및 평균 발전량, 풍하중, 피로 지수, 로지스틱스)
  • 터빈 배치 (다양한 지형, 험난한 지형, 숲 문제, 다중 후류 효과, 건물과 출력 감소)
  • 전자기계 시스템 (전기 기계, 속도 변수 통제 시스템, 변압기, 전력 전자, 전력 배분 시스템, 센서와 액추에이터 설계)
  • 제조 공정 (복합 재료 엔지니어링)

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연안 지역의 터빈 날개 변형

REpower의 허가를 받아 사용

태양 에너지 엔지니어들은 새로운 태양 전지판 제조 공정을 개발하여 태양광을 최대한 활용하기 위해 노력하고 있습니다. 특히 안정적이고 비용 대비 효율적이며 온도, 풍력, 우박, 기타 대기중 잔해라는 부수적인 변수를 견딜 수 있는 전지판을 만들기 위한 노력이 한창입니다. 옥상에 설치하여 태양 전지판을 활용하는 곳도 늘고 있습니다. 대형 태양열 집열(CSP) 플랜트 개발은 물론 심지어 휴대기기 동력용 전지까지 개발합니다.

재료와 장비 설계, 생산 공정이 개선되면서 태양 에너지 시스템의 경쟁력이 강화되고 있습니다. 혁신과 제품 개발을 통해 광자 흡수율과 전하 전이율, 기타 성능 요인을 높인 전지판 견본을 생산합니다.

ANSYS 소프트웨어 솔루션은 전지판과 부품의 재료 가공, 제조, 설치 등 태양 에너지 산업 전반에 사용됩니다. Si 기반 시스템, CdTe 박막, CIG 시스템, 리본, 유리 기판 퇴적 기술, EDG(단결정 성장) 태양 전지 등 모든 유형의 태양 에너지 기술을 시뮬레이션할 수 있습니다. ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어는 제조비 절감, 안정성과 저장능력 개선, 에너지 효율 혁신 등을 지원합니다. 엔지니어는 다중 물리 기능을 이용해 결정 성장률부터 태양 전지 외부의 풍하중까지 다양한 성능 요인을 고려할 수 있습니다.

  

태양 전지에 발생하는 풍력

 

박막 기술과 유기 태양 전지처럼 새롭게 떠오르는 기술을 비롯한 다양한 태양 에너지 활용 분야에서 ANSYS의 소프트웨어는 장비와 공정, 재료 개선 시 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 이 외에도 다음과 같은 태양 에너지 분야에 ANSYS 솔루션을 사용합니다.

  • 크고 작은 광발전(PV) 집전기 설계
  • 모듈, 인버터, 추적기 등 PV 부품 개발
  • 태양열 집열기 모델링
  • 중앙 수신기, 수신관, 미러 등 CSP 부품 설계
  • 새 태양 집열 재료 분석
  • 증기 터빈, 저장소, 기타 장지 등 발전소 설계
  • 혁신적인 신규 저장 및 냉각 기술 개발

환경 영향이 최소화되는 재생 에너지원을 찾는 사회 분위기가 조성되면서 수력에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 수력 발전의 원리는 간단합니다. 흐르는 물의 자연적인 에너지를 저장했다가 이용한다는 것입니다. 그러나 실제로는 유속을 예측하기 힘들고 그 외 성능 문제가 일상다반사로 발생하기 때문에 관리하기가 까다롭습니다.

  

 CFD 결과 샘플, 수력 터빈

 

일반적으로 수력 발전소에 넣는 물의 속도는 균일한 것과 거리가 멉니다. 잔해가 섞여 있기도 하고 물고기와 다른 야생 동물이 부수적으로 따라오기도 합니다. 수로가 휘거나 잔해 때문에 돌막이가 생기고 발전소의 수중 배관 시스템이 막히는 등 취수 시점에 요인 변수가 많아서 속도와 난류 분포가 불규칙합니다. 이러한 불확실성은 수력 시설의 일상적인 효율과 에너지 산출량에 지대한 영향을 미칩니다.

수력 에너지 기관이 이용하는 ANSYS 소프트웨어는 회전 시스템용으로 개발한 전산유체역학(CFD) 툴과 구조역학 및 전자기 솔루션입니다. 시뮬레이션을 통해 가상 환경에서 다양한 동작을 분석하여 수력 발전의 기능과 일반 성능을 최적화합니다. 그러면 신속하면서도 비용 효율적인 개선안이 도출됩니다.

개별 터빈과 취수 밸브, 전체 발전소에 ANSYS 솔루션을 활용하면 수력 발전 시설의 복잡한 작용에 다양한 물리 분야의 계산을 적용해 모델링할 수 있습니다. ANSYS의 강력한 엔지니어링 시뮬레이션 툴은 신규 시설을 설계하거나 기존 발전소를 개조 또는 업그레이드할 때 도움이 되며, 일반 서비스와 유지보수 작업도 실행합니다. 

ANSYS의 소프트웨어는 수력 발전 산업의 다양한 분야에 이용됩니다.

  • 취수와 여수, 침전물 특성, 침식 패턴의 모델링
  • 발전소 구조 설계
  • 어도, 잔해 돌막이, 기타 수로 부품의 개발
  • 발전 및 송신 시스템 설계
  • 충격과 명시적 구조 분석
  • 증산용 개보수 및 업그레이드
  • 발전기, 고속 터빈, 펌프, 기타 부품 설계
  • 환경 영향 연구
  • 스트레스 분석과 연동한 동력 손실 및 소비 분석
  • 수력 부하, 압력 변동, 진동의 모델링

 

 

 

연료 전지는 외부 연료 공급(양극 쪽)과 산화제(음극 쪽)에서 전기를 생산하는 전기화학 장치로 발전과 교통 에너지원에 맞춤 솔루션을 제공합니다. 크기와 무게, 단위 비용당 전력을 줄이고 안정성을 높이는 것이 연료 전지의 과제입니다.

 

연료 전지 스택의 전류 밀도

 

ANSYS 시뮬레이션 툴은 연료 전지 한 개는 물론 복잡한 스택의 경우에도 전기, 열, 유체 성능을 모델링하고 예측할 수 있습니다. ANSYS의 강력한 전산유체역학(CFD) 툴은 무수한 모델링을 통해 전지와 스택 수준의 테스트 모두를 간소화하여 우수한 발전 비율과 안정성, 내구성을 지닌 최적의 연료 전지 설계를 완성하는 데 기여합니다. 또한 전지와 스택 성능에 가해지는 열과 전기 기계 스트레스의 역할 평가에도 도움이 됩니다.

연료 전지 엔지니어가 사용하는 전문 툴은 전기 회로용 Ansoft 모델링 솔루션과 관련 전자 제어 시스템, 그리고 시스템 수준의 스택 모델링이 가능한 Simplorer 소프트웨어입니다.

강력하고 빠르며 정확하게 실행하도록 설계한 ANSYS 시뮬레이션 툴은 다음 분야의 성능을 개선하고 모델링하도록 설계사와 엔지니어를 지원합니다.

  • 전기화학: ANSYS 소프트웨어는 SOFC 및 PEMFC의 적절한 화학반응을 모델링하여 전해액 표면의 로컬 전류 밀도와 배전을 예측합니다. 전자 전기 모델은 활성화 과전압(운동 손실), 저항 과전압(전해액의 이온 수송으로 인한 손실), 농도 과전압(전극을 통한 부적절한 종 확산으로 인한 손실) 등으로 인한 손실을 고려합니다. 이원 확산 계수로는 해당 영역 전체에서 가스 종의 분자 확산을 계산합니다.
  • 다공 확산층의 액체 흐름: ANSYS는 다공성 확산층으로 통과해 PEM 연료 전지의 흐름 경로로 이동하는 액체 흐름을 예측하는 다상 혼합 모델을 제공합니다. 물이 바닥을 훑으면서 화학전기 및 물 수송이 이루어진 결과로서 MEA와 음극 다공 확산층 사이의 접점에 물이 생성됩니다. 음극 가스 흐름이 포화 상태라면 이 물은 액체 형태로 생성됩니다. ANSYS 다상 혼합 모델은 다공 확산층의 질량, 가속도, 에너지, 종의 보존 문제를 해결합니다. 액체 흐름의 묘사는 물론 다공성 미디어 내 용액 체적률의 로컬 값이 ANSYS 툴에서 생성됩니다. 로컬 공극률의 결과적인 효과를 이용해 음극 확산층 전체적으로 기체상 확산, 열 전도, 전기 전도의 로컬 값을 수정합니다. 이 수정값을 로컬 물 농도의 수송 속성에 적용하면 질량 확산, 열 전도, 전기 전도에서 물 생성 효과를 정확히 모델링할 수 있습니다.
  • 다채널 액체 흐름: 다상 모델링 기능을 이용하면 다공 확산층을 나가 PEM 연료 전지의 얇은 액막으로 된 흐름 경로에 들어갈 때 액체 흐름을 연구할 수 있습니다. 액체가 확산층 표면에 도달하면 낙하 용액이 모인 얇은 액막으로 된 기체 흐름 통로로 인도되는데 이곳은 가스 흐름과 막 표면 사이의 전단으로 막이 움직입니다. ANSYS 소프트웨어는 중력과 표면 장력을 모두 계산에 넣습니다. 박막에서 확산층으로 액체가 재진입하는 것도 허용됩니다.
  • MEA(분리막 전극 접합체): 맞춤형 MEA 모델링 기능은 PEM 연료 전지에서 액체의 순이동과 분리막 전극 접합체(얇은 폴리머 막과 촉매층으로 구성)의 전기 손실을 예측합니다. 전기 삼투 항력과 분자 확산 때문에 액체는 막을 가로질러 이동합니다. 시뮬레이션 툴은 물 농도와 온도 양쪽의 함수로 MEA의 양자 전도도를 계산합니다.
  • 전위장: ANSYS 소프트웨어는 SO 및 PEM 연료 전지의 모든 전도 고체와 다공 영역의 전류, 전압,  통전 가열(Ohmic heating)을 예측할 수 있습니다. 적합한 접점에서 접촉 저항도 고려합니다.

 

식물 같은 생물 재료를 태우거나 발효, 부패 같은 생화학 과정을 거치면 에너지가 발생합니다. 현재로서는 생물 시스템에서 얻은 에너지를 농업과 소규모 가정용 기구에 주로 사용하는 등 역할이 제한적이지만 전 세계 에너지 믹스에서 바이오매스와 바이오 연료의 역할은 점차 증가하고 있습니다. 특히 액체 연료용 신기술이나 지속 가능한 바이오매스 공정이 개발 중입니다.

ANSYS 솔루션은 에너지 생산 및 새로운 생물력 자원의 오염원 단위를 모두 개선하는 다양한 혁신 기술 개발에 사용됩니다. 그 과정이 복잡한 까닭에 유체역학, 구조 분석, 열역학, 연소 및 화학 반응 모델링, 처리 장비 설계, 정교한 전자 제어, 동력 장치 분석 등 ANSYS 다중 물리 기능이 모두 필요합니다.

바이오 연료 부문의 엔지니어들은 ANSYS의 전산유체역학(CFD) 툴을 이용해 설탕, 녹말, 셀룰로스 바이오 재료 등을 연료로 변환하고 대량 시스템 분석을 수행하는 새로운 장비와 공정을 개발하고 있습니다. 특히 ANSYS 소프트웨어는 다음과 같이 많은 중요 바이오 연료 구성 요소의 설계를 모델링하고 개선합니다.

  • 수소 발생, 발효, 기타 바이오 공정용 반응기
  • 고정상 또는 관형 반응기
  • 개질기
  • 수소처리첨가시설
  • 압력 용기
  • GTL(Gas-to-liquid) 합성 시스템
  • 조류 생물 반응기와 기타 배출물 연료화(emission-to-fuel) 콘셉트

  

바이오매스 동시소성 요로

RMT - SmartBurn®의 허가를 받아 사용

바이오매스 산업에 사용하는 ANSYS 솔루션은 바이오매스 폐기물 흐름의 재래 연소는 물론 에너지용으로 재배한 곡식의 생산, 운송, 가공을 최적화합니다. 시간이 지나 혁신이 계속 진행되면 바이오매스의 비용 효율성이 훨씬 더 증가하여 재생 에너지 믹스에서 차지하는 역할이 커질 것으로 기대됩니다. 다음과 같이 다양한 바이오매스 공정과 부품을 설계하고 모델링하는 데 ANSYS 소프트웨어를 이용합니다.

  • 바이오매스를 액체 연료로 변환하는 새로운 시스템
  • 바이오매스와 화석 연료를 결합한 동시소성 발전소
  • 공장 개보수 및 업그레이드
  • 증기 발생 및 처리 장비
  • 터빈 등 발전 부품
  • 가스화 시스템
  • 버너와 보일러, 요로 등 직접 연소 장비
  • 예열기, 가열기, 열 교환기
  • 혐기성 소화 용기와 믹서
  • 메탄 포획 및 처리 장비
  • 바이오매스 펠릿과 관련 공정 및 장비
  • 공기질과 오염 방지 장치
  • 재와 입자 통제 시스템
  • 배출, 침식, 충격 연구