해상풍력을 이용한 발전량은 2020년에는 75GW에 이를 것으로 예상될 정도로 성장 가능성이 무궁무진하나, 여전히 과다한 초기투자비용으로 어려움을 겪고 있다. 현재 풍질이 상대적으로 우수한 심해를 대상으로 한 부유식 풍력발전체가 개발단계에 진입한 것으로 보이나, 해상풍력단지 대부분은 여전히 저면에 고정된 monopile, gravity based, tripod, steel jacket 등의 전통적인 기초양식을 사용하고 있다. 전술한 기초양식 중 거치, 제작, 조립이 비교적 용이하며 비용이 상대적으로 저렴하다는 수월성으로 인해 monopile이 가장 선호되고 현재 계획 중인 풍력발전단지의 대부분이 수심이 10~30m, 해안으로부터의 이격거리가 12m 이내인 천해역에 설치된다. 전술한 해역의 해저지질은 모래나 실트질의 연안퇴적물로 구성되어 있어 해저하상은 매우 유동적이다. 또한, 천해라는 해역특성으로 인해 파랑과 해류의 풍력발전 기초부와의 상호작용은 발전체에 작용하는 총 하중에 상당한 영향을 미치며 대략 총 하중의 50% 정도를 차지한다. 기초부에 가해지는 가장 주요한 위험요소는 파랑과 조류에 의한 ...
해상풍력을 이용한 발전량은 2020년에는 75GW에 이를 것으로 예상될 정도로 성장 가능성이 무궁무진하나, 여전히 과다한 초기투자비용으로 어려움을 겪고 있다. 현재 풍질이 상대적으로 우수한 심해를 대상으로 한 부유식 풍력발전체가 개발단계에 진입한 것으로 보이나, 해상풍력단지 대부분은 여전히 저면에 고정된 monopile, gravity based, tripod, steel jacket 등의 전통적인 기초양식을 사용하고 있다. 전술한 기초양식 중 거치, 제작, 조립이 비교적 용이하며 비용이 상대적으로 저렴하다는 수월성으로 인해 monopile이 가장 선호되고 현재 계획 중인 풍력발전단지의 대부분이 수심이 10~30m, 해안으로부터의 이격거리가 12m 이내인 천해역에 설치된다. 전술한 해역의 해저지질은 모래나 실트질의 연안퇴적물로 구성되어 있어 해저하상은 매우 유동적이다. 또한, 천해라는 해역특성으로 인해 파랑과 해류의 풍력발전 기초부와의 상호작용은 발전체에 작용하는 총 하중에 상당한 영향을 미치며 대략 총 하중의 50% 정도를 차지한다. 기초부에 가해지는 가장 주요한 위험요소는 파랑과 조류에 의한 세굴로 인식됐다. 해양 수환경에 거치된 momopile로 인해 인근 수역 흐름은 변화하며 표사이송은 증가한다. 증가된 표사이송으로 인해 monopile 주변의 기부는 침식되며, 과도한 경우 풍력발전체의 안정성은 중대한 위험에 직면하게 된다. Horseshoe vortex, 경계층에서의 streaming, 난류유동계의 구조적 특징인 Large eddy 등으로 인한 국부세굴로 해상풍력발전체 인근 수역에 웅덩이가 형성되면 해상풍력발전체는 미세한 진동을 겪게 되며 이는 종국에는 피로파괴에 이어질 수 있다. 또한 세굴로 깊어진 수심만큼 증가하는 수충력으로 인해 구조물의 안정성은 위협받을 수 있다. 이와 더불어 터빈에서 생성된 전기를 송전하기 위해 해저에 거치된 케이블은 기부침식으로 인해 설계조건을 뛰어넘는 휨응력에 노출될 수 있다. 전술한 위험요소로 인해 monopile에는 세굴 보호공이 흔히 차용되며, 절대 적지 않은 비용이 소요되 이미 충분히 고가인 해상풍력발전단지 초기건설비용을 한층 가중시키는 요소로 작용하고 있다. 그러나 세굴방지공에 드는 비용은 해석의 어려움으로 인해 평균유동계와 사석에 기댄 그동안의 설계관행에서 유발된 것으로 보이며 개선의 여지가 상당하다. 본고에서는 이러한 인식에 기초하여 해상풍력발전체 경제성 제고를 위해 더욱 합리적인 세굴방지공이 모색된다. 먼저 주 표사이송 유발기작인 horseshoe vortex의 강도는 해상풍력발전체 인근 수역에 형성되는 정상파동계에 비례한다는 사실을 토대로 기부에 turbine이 장착된 hybrid monopile이 제안되었다. Hybrid monopile에 장착된 turbine은 파랑 혹은 조류에 노출되는 경우 회전하며, 내습하는 파랑 에너지를 소산시키는 역할을 수행하도록 고안되었다. 이렇게 약해진 정상파는 표사이동 제어로 이어질 수 있다. 이어 제안된 hybrid monopile의 세굴제어효과를 검증하기 위한 수치모의가 수행된다. 수치모형은 가장 강건한 동수역학 모형인 Navier-Stokes식과 질량보존식에 준거하여 구성하였으며 수치모형의 이산화는 정교한 수치해석기법인 VOF법에 기초하여 수행되었다.
해상풍력을 이용한 발전량은 2020년에는 75GW에 이를 것으로 예상될 정도로 성장 가능성이 무궁무진하나, 여전히 과다한 초기투자비용으로 어려움을 겪고 있다. 현재 풍질이 상대적으로 우수한 심해를 대상으로 한 부유식 풍력발전체가 개발단계에 진입한 것으로 보이나, 해상풍력단지 대부분은 여전히 저면에 고정된 monopile, gravity based, tripod, steel jacket 등의 전통적인 기초양식을 사용하고 있다. 전술한 기초양식 중 거치, 제작, 조립이 비교적 용이하며 비용이 상대적으로 저렴하다는 수월성으로 인해 monopile이 가장 선호되고 현재 계획 중인 풍력발전단지의 대부분이 수심이 10~30m, 해안으로부터의 이격거리가 12m 이내인 천해역에 설치된다. 전술한 해역의 해저지질은 모래나 실트질의 연안퇴적물로 구성되어 있어 해저하상은 매우 유동적이다. 또한, 천해라는 해역특성으로 인해 파랑과 해류의 풍력발전 기초부와의 상호작용은 발전체에 작용하는 총 하중에 상당한 영향을 미치며 대략 총 하중의 50% 정도를 차지한다. 기초부에 가해지는 가장 주요한 위험요소는 파랑과 조류에 의한 세굴로 인식됐다. 해양 수환경에 거치된 momopile로 인해 인근 수역 흐름은 변화하며 표사이송은 증가한다. 증가된 표사이송으로 인해 monopile 주변의 기부는 침식되며, 과도한 경우 풍력발전체의 안정성은 중대한 위험에 직면하게 된다. Horseshoe vortex, 경계층에서의 streaming, 난류유동계의 구조적 특징인 Large eddy 등으로 인한 국부세굴로 해상풍력발전체 인근 수역에 웅덩이가 형성되면 해상풍력발전체는 미세한 진동을 겪게 되며 이는 종국에는 피로파괴에 이어질 수 있다. 또한 세굴로 깊어진 수심만큼 증가하는 수충력으로 인해 구조물의 안정성은 위협받을 수 있다. 이와 더불어 터빈에서 생성된 전기를 송전하기 위해 해저에 거치된 케이블은 기부침식으로 인해 설계조건을 뛰어넘는 휨응력에 노출될 수 있다. 전술한 위험요소로 인해 monopile에는 세굴 보호공이 흔히 차용되며, 절대 적지 않은 비용이 소요되 이미 충분히 고가인 해상풍력발전단지 초기건설비용을 한층 가중시키는 요소로 작용하고 있다. 그러나 세굴방지공에 드는 비용은 해석의 어려움으로 인해 평균유동계와 사석에 기댄 그동안의 설계관행에서 유발된 것으로 보이며 개선의 여지가 상당하다. 본고에서는 이러한 인식에 기초하여 해상풍력발전체 경제성 제고를 위해 더욱 합리적인 세굴방지공이 모색된다. 먼저 주 표사이송 유발기작인 horseshoe vortex의 강도는 해상풍력발전체 인근 수역에 형성되는 정상파동계에 비례한다는 사실을 토대로 기부에 turbine이 장착된 hybrid monopile이 제안되었다. Hybrid monopile에 장착된 turbine은 파랑 혹은 조류에 노출되는 경우 회전하며, 내습하는 파랑 에너지를 소산시키는 역할을 수행하도록 고안되었다. 이렇게 약해진 정상파는 표사이동 제어로 이어질 수 있다. 이어 제안된 hybrid monopile의 세굴제어효과를 검증하기 위한 수치모의가 수행된다. 수치모형은 가장 강건한 동수역학 모형인 Navier-Stokes식과 질량보존식에 준거하여 구성하였으며 수치모형의 이산화는 정교한 수치해석기법인 VOF법에 기초하여 수행되었다.
The total offshore wind power capacity is expected to touch 75GW by 2020 and the possibilities are immense. However, the offshore wind energy industry is still stricken with the burden of heavy capital investments. Although floating wind turbines for adapting deep water are being developed, most off...
The total offshore wind power capacity is expected to touch 75GW by 2020 and the possibilities are immense. However, the offshore wind energy industry is still stricken with the burden of heavy capital investments. Although floating wind turbines for adapting deep water are being developed, most offshore wind farms still utilize traditional fixed-bottom foundation technologies. These traditional fixed-bottom foundation technologies include monopile, gravity based, tripod and steel jacket structures. Of these, monopile foundations have been the preferred, mainly with regards to construction, production, assembly and cost efficiency. Many of the planned offshore wind farms are going to be installed on monopile foundations and installed in shallow waters at water depths ranging between 10-30m and generally at distances within 12km from the shore. The coastal sediments in these are-as are often defined by sand and silt, making the seabed very mobile. At such locations, the wave and current in-teraction with the foundation has a significant effect on the total load on the turbine (nearly 50%). One of the most prominent risks to the offshore foundations is scouring, which occurs due to the constant wave and current action. The presence of a monopile in a marine environment changes the flow pattern in its immediate neighborhood, resulting in an increased local sediment transport. This causes scouring of the seabed around the monopile. This is a serious risk. If there is excessive excavation of the immediate seabed, the stability of the wind turbine foundation can be gravely compromised. Also, the structure can suffer increased hydraulic loading. The cables on the seabed which transport electricity generated by the turbines, can be exposed to bending stresses beyond the design conditions, due to the eroded seabed around the monopile. Owing to the abovementioned threats, monopiles have to be protected against the effects of scouring. This is a steep price to pay and it adds on to the already high investment costs of setting up an offshore wind farm. However, most of the cost by scour protection has seen by average flow system by difficulty of analysis and design practice leaning on the rubble scour protection. So is considerable room for improvement. In this paper, basing on this recognition, more reasonable scour protection is suggested for improving the economics of offshore wind power generator. In the fact that the strength of the horseshoe vortex of sediment transport mechanism is proportional to the standing wave formed near offshore wind generator, we propose hybrid monopile which has turbine at the toe. If the turbine mounted on hybrid monopile is exposed to wave or current, the turbine is rotate to dissipate wave energy. The standing wave weakened in this way can control sediment transport. Numerical simulation has been performed to verify the effectiveness of the hybrid monopile scour control. Numerical simulation is composed of basic to mass conservation equation and Navier-Stokes equation which is the most durable hydrodynamic model. Numerical modeling was performed based on the VOF method.
The total offshore wind power capacity is expected to touch 75GW by 2020 and the possibilities are immense. However, the offshore wind energy industry is still stricken with the burden of heavy capital investments. Although floating wind turbines for adapting deep water are being developed, most offshore wind farms still utilize traditional fixed-bottom foundation technologies. These traditional fixed-bottom foundation technologies include monopile, gravity based, tripod and steel jacket structures. Of these, monopile foundations have been the preferred, mainly with regards to construction, production, assembly and cost efficiency. Many of the planned offshore wind farms are going to be installed on monopile foundations and installed in shallow waters at water depths ranging between 10-30m and generally at distances within 12km from the shore. The coastal sediments in these are-as are often defined by sand and silt, making the seabed very mobile. At such locations, the wave and current in-teraction with the foundation has a significant effect on the total load on the turbine (nearly 50%). One of the most prominent risks to the offshore foundations is scouring, which occurs due to the constant wave and current action. The presence of a monopile in a marine environment changes the flow pattern in its immediate neighborhood, resulting in an increased local sediment transport. This causes scouring of the seabed around the monopile. This is a serious risk. If there is excessive excavation of the immediate seabed, the stability of the wind turbine foundation can be gravely compromised. Also, the structure can suffer increased hydraulic loading. The cables on the seabed which transport electricity generated by the turbines, can be exposed to bending stresses beyond the design conditions, due to the eroded seabed around the monopile. Owing to the abovementioned threats, monopiles have to be protected against the effects of scouring. This is a steep price to pay and it adds on to the already high investment costs of setting up an offshore wind farm. However, most of the cost by scour protection has seen by average flow system by difficulty of analysis and design practice leaning on the rubble scour protection. So is considerable room for improvement. In this paper, basing on this recognition, more reasonable scour protection is suggested for improving the economics of offshore wind power generator. In the fact that the strength of the horseshoe vortex of sediment transport mechanism is proportional to the standing wave formed near offshore wind generator, we propose hybrid monopile which has turbine at the toe. If the turbine mounted on hybrid monopile is exposed to wave or current, the turbine is rotate to dissipate wave energy. The standing wave weakened in this way can control sediment transport. Numerical simulation has been performed to verify the effectiveness of the hybrid monopile scour control. Numerical simulation is composed of basic to mass conservation equation and Navier-Stokes equation which is the most durable hydrodynamic model. Numerical modeling was performed based on the VOF method.
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