[논문]해상풍력(Offshore Wind Power) 기술동향

나도백; 신효순; 나덕주

doi:10.5855/energy.2011.20.2.143

해상풍력(Offshore Wind Power) 기술동향
Offshore Wind Power, Review 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.20 no.2 = no.66, 2011년, pp.143 - 153

나도백 (한국과학기술정보연구원) , 신효순 (한국과학기술정보연구원) , 나덕주 (한국과학기술정보연구원)

초록
AI-Helper

해상풍력발전은 가장 유망한 재생 에너지의 하나이며, 육상풍력발전보다 풍력이 강력하고 일정해서 장시간 고출력 발생이 가능하고 소음, 공간적 한계, 경관훼손 등 기존 육상풍력발전의 단점을 보완하고 초대형으로 제작할 수 있다. 우리나라는 3면이 바다로 둘러싸여 해상풍력자원이 풍부하고 발전가능성이 크다. 이 고찰은 해상풍력발전기의 터빈과 하부구조물 기술동향, 국내외 시장동향, 학술 및 특허정보를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Offshore wind power(OWP) is one of the most promising renewable energy and gives higher output than onland one due to stronger and consistent wind in offshore. it offsets shortcoming of noise, spatial limit and less affects scenery, and can be built in larger size. Korea has plenty of offshore wind resources as it is surrounded by the sea in three directions. This review describes recent progress in offshore wind turbine and substructure technology. Market trend in local and overseas, Number of papers published and patents registered are analysed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

DWPI DB [15]를 활용하여 발표된 해상풍력 관련 특허정보(2000년~2010년 공개특허 기준)를 검색하여 출원을 기준으로 국가별, 연도별, 기술별 분포현황을 분석하였다. 조사결과 1,081건이 검색되었으며, 관련도가 적은 데이터를 제외하고 862건에 대하여 분석하였다.
Web of Science [14]에 발표된 해상풍력 관련 학술정보(2000년~2010년)를 다음과 같은 검색식으로 국가별, 연도별, 연구기관, 피인용 관련 등의 분포현황을 분석하였다.
이기학 [5] 등은 국내 연안의 해상풍력 자원을 고려하여 설계범위내의 설계요구조건과 제약조건을 만족하면서 연평균동력을 최대 목적함수로 가지는 해상풍력터빈 블레이드의 최적형상을 도출하였다. 블레이드 단면 익형은 NREL S830을 이용하였고, 익형의 공력성능은 XFOIL을 이용하여 예측하였다. Table 2는 3 MW의 요구풍력 설계조건에서 모든 제약조건을 만족하고 목적함수를 최대로 하여 설계된 풍력터빈 블레이드 형상의 각 설계 매개변수들을 보여 준다.
상대적 중요도(활동지수)와 상대 성장률의 상관관계에서 주요국의 기술위치를 분석하였다. 활동지수는 국가별로 특정 기술에 상대적으로 집중하는 정도를 살펴보기 위한 지표로서 그 값이 1보다 큰 경우는 비교국 대비 전체 특허 중에서 해상풍력 기술에 대해 상대적 특허 출원이 활발함을 나타낸다.
공기역학 하중을 평가하기 위하여 BEM(Blade Element Momentum)이 간단하고 우수한 컴퓨팅 효율 때문에 가장 널리 사용된다. 액추에 이터 라인(AL)모델이 경험을 덜 포함하기 때문에 곧 BEM 모델을 대체할 것이다. AL 모델과 함께 후류도 해법의 일부여서 더 하류에 설치된 풍력터빈에 대한 후류의 효과가 계산될 수 있다.
최소 5500개의 time series를 가지고 각 knot에 피로하중이 얼마만큼 걸리는가를 계산한다. 여기에 ASAS(NL) of ANSYS를 연계하여 dynamic load를 계산해서 전체 피로하중을 계산한다 [3]. 하중 수준을 계산하기 위해서는 전체시스템에 대한 고유진동수 특히 공진 근처의 고유진동수가 중요하다.
전통적 블레이드 설계는 외부 블레이드 형상과 공기 역학적 특성을 우선 결정 확인하고 그 다음 내부 구조를 설계한다. 최근에는 이 전통적 접근법과 반대로 구조설계에서 시작해서 공기 역학적 설계를 위한 제약 조건을 설정하는 설계절차를 따라 수행하기도 한다 [1].
해상풍력에 관한 주요 출원국별 대표적 기술내용에 대한 기술분류를 분석을 수행하였다. 출원특허의 해상 풍력 내용에 따라 크게 Foundation 분야, Installation 분야, Blade 분야, Generator(Generation) 분야, Main tenance 분야, Tower 분야, Turbine 분야, Connecting Line 분야, Etc(기타) 분야 등으로 나누어 세분하였다.
풍력터빈을 위해 좋은 공기역학 성능을 가진 S 시리즈 에어 포일을 블레이드 단면으로 결정하였다. 높은 연간 사용가능 에너지 패턴계수(Ku)를 얻기 위하여 블레이드 팁(U0)의 원주 속도는 100 m/sec의 특히 높은 값이 주어졌다.
해상풍력에 관한 주요 출원국별 대표적 기술내용에 대한 기술분류를 분석을 수행하였다. 출원특허의 해상 풍력 내용에 따라 크게 Foundation 분야, Installation 분야, Blade 분야, Generator(Generation) 분야, Main tenance 분야, Tower 분야, Turbine 분야, Connecting Line 분야, Etc(기타) 분야 등으로 나누어 세분하였다.

대상 데이터

상대 성장률은 연도별 성장률의 평균값으로 산정하며, 평균을 구할 때는 기하평균을 사용한다. 분석 대상연도는 최근의 동향을 파악하기 위해 최근 5년(2005년~2009년)으로 하였다.
모노파일의 정력학적 능력이 중요하지만 안전 설계는 장기적 주기 하중 후의 누적된 회전 및 강성 변화도 다루어야 한다. 수분을 제거한 모래에 박힌 파일에 8000에서 6000사이클 사이의 결합 모멘트 및 수평하중으로 실험실 테스트가 수행되었다. 파일 치수와 하중범위가 현실적인 것을 보장하기 위해 전형적인 해상 풍력터빈 모노파일 설계가 연구기준으로 사용되었다 [8].
DWPI DB [15]를 활용하여 발표된 해상풍력 관련 특허정보(2000년~2010년 공개특허 기준)를 검색하여 출원을 기준으로 국가별, 연도별, 기술별 분포현황을 분석하였다. 조사결과 1,081건이 검색되었으며, 관련도가 적은 데이터를 제외하고 862건에 대하여 분석하였다.

이론/모형

모사를 사용하여 해상풍력터빈의 장기적(20~30년) 극한하중 추정이 필요할 때는 통계적 외삽법을 사용한다. 20 m 수심에 위치한 5 MW 해상터빈의 피크 이상 경계(POT: Peak-Over Threshold)를 사용한 블레이드와 타워의 장기적 극한하중은 각각 15.
하중은 BLADED, FAST, FLEX나 ADAMS와 같은 상세한 모사모델로 계산된다. 파도하중 추정에 사용되는 기본식은 Morison 식인데 다음과 같이 해수의 가속도와 관련된 관성 성분과 해수의 속도와 관련된 드래그 성분이다 [7].
수분을 제거한 모래에 박힌 파일에 8000에서 6000사이클 사이의 결합 모멘트 및 수평하중으로 실험실 테스트가 수행되었다. 파일 치수와 하중범위가 현실적인 것을 보장하기 위해 전형적인 해상 풍력터빈 모노파일 설계가 연구기준으로 사용되었다 [8].

성능/효과

해상풍력 관련 주요 상위 출원국별, 상위 IPC 세부 분류별에 대해 분석을 수행한 결과, 전반적으로 거의 모든 출원에 대한 IPC 세부 분류는 F03D(풍력원동기)에 가장 많은 특허출원을 보이고 있으며, 대부분의 국가가 이 분야에 가장 많은 출원을 하고 있는 것으로 나타나고 있다.

후속연구

로드맵에 따라 2013년까지 부안 · 영광 지역 해상에 100 MW(5 MW급 20기) 국산해상풍력발전기 실증단지가 조성되며, 2016년까지 900 MW(5 MW급 180기) 시범단지로 확대된다. 2019년까지는 5 MW급 300기 해상풍력발전단지가 추가로 건설될 예정이다. Fig.
2010년 이후에 출원된 특허는 미공개 특허가 상당수 존재하기 때문에 2010년도 특허 출원이 2009년과 비슷한 성장을 보일 것으로 추정할 수 있다. 따라서 해상풍력에 관한 기술개발은 발전단계에 있는 것으로 나타나고 있으며, 광범위한 활용 및 응용이 확대될 것으로 사료된다(Fig. 9).
5). 또한 지금까지 유럽시장 중심으로 성장해 왔으나 향후에는 중국을 비롯한 아시아, 북미 지역 등 전세계 지역으로 확대될 전망이다.
풍력터빈의 연간 사용가능 에너지 패턴계수를 정확히 결정하기 위하여 두 가지 필요한 전제가 보증되어야 한다. 첫째 연간 풍속 회수특성과 풍력 단지의 기상학 조건을 조사하여 정확히 결정되어야 한다. 다음 블레이드 피치가 터빈로터의 가능한 높은 동력계수를 보장하기 위하여 저 풍속 조건에서 무리 없이 조절되어야 한다.
풍력 터빈에 작용하는 공력하중의 해석을 통해 풍력터빈의 블레이드 공기탄성해석을 비롯한 타워, 허브 등의 구조물에 대한 구조해석 등을 통해 다분야통합 최적설계기법에 대한 연구가 병행되어야 한다.
주요국 가운데서 중국의 특허 출원의 상대성장률이 가장 높지만, 출원 특허의 피인용 비가 가장 낮게 나타나고 있다. 한국의 특허 출원은 해상풍력에서 미미한 상태를 보이고 있으며, 향후 관련분야 진출을 위해서 덴마크, 독일, 미국, 영국 등과 같은 이미 진입 국가의 논문과 특허정보 기술을 면밀히 검토하고, 시장 선점 및 확대를 위해 보다 적극적인 방법과 전략이 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형터빈을 설치함으로써 어떤 비용을 낮출 수 있는가?	해상 풍력발전은 소음, 공간적 한계, 경관훼손 등 기존 육상풍력발전의 단점을 보완하고 초대형으로 제작할 수 있다. 대형터빈이 단위 kW-hr당 하부 구조비, 설치비, 운영보수비 및 그리드전기 인프라 비용을 낮춘다. 1기 용량이 2 MW에서 5 MW급이 개발되어 있고 10 MW 급의 해상풍력발전기도 Clipper Windpower, American Superconductor 및 Areva/SWAY에 의해 연구개발 중이다.
	해상풍력발전의 특징은?	해상풍력발전은 가장 유망한 재생 에너지의 하나이며, 육상풍력발전보다 풍력이 강력하고 일정해서 장시간 고출력 발생이 가능하고 소음, 공간적 한계, 경관훼손 등 기존 육상풍력발전의 단점을 보완하고 초대형으로 제작할 수 있다. 우리나라는 3면이 바다로 둘러싸여 해상풍력자원이 풍부하고 발전가능성이 크다.
	해상 풍력발전에서 유지관리보수가 용이하고, 신뢰성 있는 설계 제작이 요구되는 이유는?	해상 풍력발전은 육상 풍력발전에 비하여 풍력이 더 강력하고 일정해서 장시간 고출력 발생이 가능하나 풍력과 조력에 의해 구조물에 걸리는 하중이 더 크다. 염분에 의한 부식과 과다한 설치비용 및 유지보수의 어려움이 있어 20년 동안 고장이 발생하지 않도록 유지관리보수가 용이하고 신뢰성 있는 설계 제작이 요구된다.

참고문헌 (15)

S Tadigadapa et. al, "Review of Knowle dge Development for the Design of Offshore Wind Energy Technology", Wind Energy, 12, 2009, pp.411-430.

상세보기
M. O. L. Hansen et al, "State of the art in wind turbine aerodynamics and aeroelasticity", Progress in Aerospace Science 42, 2006, pp.285-330.
Seidel M, "Design, fabrication and installation of the offshore wind turbine REpower 5M", STAHLBAU, 76, 9, pp.650-656.
Zhao-xue CHENG et., al, "Criterion of aerodynamic performance of large scale offshore horizontal axis wind turbine", Applied Mathematics and Mechanics, 31, 1, 2010, pp.13-20.

상세보기
이기학 et., al, "효율적인 2단계 최적화를 통한 3차원 해상풍력터빈 블레이드 설계", 신재생에너지, 3, 3, 2007, pp.63-71.
Puneet Agarwal et., al, "Simulation of offshore wind turbine response for long-term extreme load prediction", Engineering Structures, 31, 2009, pp.2236-2246.

상세보기
J.F. Manwell et., al, "Review of design conditions applicable to offshore wind energy systems in the United States", Renewable Energy and Sustainable Energy Review, 11, 2007, pp.210-234.

상세보기
Leblanc C et., al, "Response of stiff piles in sand to long-term cyclic lateral loading", Geotechnique, 60, 2, 2010, pp.79-90.

상세보기
Duhrkop J et., al, "Monopile foundations for offshore-wind power plants - On the influence of multidirectional cyclic loading", BAUTECHNIK, 85, 5, 2008, pp.317-321.

상세보기
B.W. Byme, "Assessing Novel Foundation Options for Offshore Wind Turbines", PHILOSOPHICAL TRANSACT ONS of THE ROYAL SOCIETY A, 361, 2003, pp.2909-2930.

상세보기
Houlsby GT et., al, "Field trials of suction caissons in sand for offshore wind turbine foundations", Geotechnique, 56, 1, 2006, pp.3-10.

상세보기
EWEA(2010), New Energy Finance(2010), 지식경제부 홈페이지.
NEDO再生可能エネルギ一技術白書 (2010年7月).
http://apps.isiknowledge.com
DWPI DB.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증