[논문]해상 부유식 풍력 타워의 동적거동해석

장진석; 손정현

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.1.077

해상 부유식 풍력 타워의 동적거동해석
Analysis of Dynamic Behavior of Floating Offshore Wind Turbine System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.1, 2011년, pp.77 - 83

장진석 (부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 손정현 (부경대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 논문에서는 해상 부유식 풍력타워의 동역학 모델링이 제시되고, 다양한 해상환경하중인 풍하중, 파랑하중을 모델링하여 플랫폼의 동적 거동해석을 수행하였다. 풍하중을 모델링하기 위해 풍속은 높이에 따라 변하도록 고려하였고, 파랑하중은 상대운동 모리슨방정식을 이용하여 모델링 하였다. 동적 거동해석을 위해 동역학해석프로그램인 ADAMS 를 이용하였다. 부유식 플랫폼에 많이 쓰이는 tension leg platform 의 네 가지 타입에 대해 동적 거동특성을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the dynamic modeling of floating offshore wind turbine system is reported and the dynamic behavior of the platform for the offshore wind turbine system is analyzed. The modeling of the wind load for a floating offshore wind turbine tower is based on the vertical profile of wind speed. The relative Morison equation is employed to obtain the wave load. ADAMS is used to carry out the dynamic analysis of the floating system that should withstand waves and the wind load. Computer simulations for four types of tension leg platforms are performed, and the simulation results for the platforms are compared with each other.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 해상 조건에 알맞은 부유식 풍력발전기를 개발하기 위한 선행연구로써, 국내 해상환경조건에서 부유식 풍력발전기의 동적거동해석을 수행하였다. 부유식 풍력발전시설 개발 시 고려되어야 할 하중특성을 파악하고자 다물체동역학 기법을 이용하여 부유식 해상풍력발전시스템을 모델링하였다.
해상풍력발전시설은 육상 풍력발전시설과 다른 환경하중을 받게 된다. 본 연구에서는 육상운전조건으로 블레이드의 회전을 받을 때의 풍력타워의 거동과 해상운전조건인 파랑하중이 추가되었을 때의 거동특성을 비교하였다. 블레이드의 회전속도는 구속요소에 각속도를 초기 정지 상태부터 15초 동안 가속하여 정격발전 회전각속도인 18rpm을 유지하도록 motion 을 부여하였다.
3은 거동 특성을 분석하기 위해 사용한 풍력 발전기의 운동좌표계를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 육상풍력발전기와 달리 해양환경하중에 따른 해상풍력발전기의 운동을 예측하기 위하여 Surge 방향으로 풍하중 및 파랑하중이 가해질 경우 해상 풍력발전기의 거동을 분석하였다.
미국재생에너지연구실(NREL, National Renewable Energy Laboratory)에서는 해상부유식 풍력발전을 위한 플랫폼 개념설계도를 제시하였다⁽²⁾. 본 연구에서는 제시한 플랫폼 중 TLP 의 Leg 개수에 따라 거동을 비교 분석함으로써 어느 구조가 좀 더 나은 성능을 보이는지 확인하고자 동적거동해석을 수행하였다.

가설 설정

풍하중은 풍속에 따라 달라지며, 본 연구에서는 타워를 20개 요소로 나누어 각 요소에 풍하중을 적용하였다. 또한, 블레이드는 8개의 요소로 나누었으며, 블레이드의 3차원 기하학적 형상을 고려하지 않고 평판으로 가정하여 풍하중을 적용하였다. 동적거동해석에서는 블레이드의 회전운동을 고려하였다.
본 연구에서는 육상의 2MW 급 풍력발전기를 대상으로 해상 부유식 플랫폼 위에 설치하엿을 경우를 가정하여 동적 거동분석을 수행하였다. Tension leg platform 구조의 Leg 수에 따른 동적 거동 특성을 비교하였다.
동적거동해석에서는 블레이드의 회전운동을 고려하였다. 블레이드의 항력계수는 2로 가정하였으며 타워의 항력계수는 1.8 을 적용하였다. 공기 밀도는 1.

제안 방법

2는 허브 내에 Drive train을 동역학적으로 모델링 한 것이다. Drive train의 기어박스는 나셀(nacelle)과 두 개의 부싱으로 연결되어 있으며, 기어 연결은 구속조건으로 모델링 하였다. 기어박스와 타워, 블레이드, 플랫폼을 다물체 시스템으로 모델링하면, 향후 다양한 하중조건하에서의 거동 시뮬레이션을 통해, 거동특성, 조인트 반력 등을 분석하여 부품 설계 및 내구성능 해석에 유용하게 활용할 수 있다.
피치각, 변위, 가속도의 최대값 및 RMS(root mean square) 값을 Table 3에 정리하였다. Leg 수에 따른 거동 특성을 비교 분석하였다.
1은 ADAMS⁽⁴⁾를 이용하여 기구학적 구속조건을 부여하여 강제 모델링을 수행한 것이다. Tension Leg Platform 은 힘요소로 모델링 하였다. Fig.
본 연구에서는 육상의 2MW 급 풍력발전기를 대상으로 해상 부유식 플랫폼 위에 설치하엿을 경우를 가정하여 동적 거동분석을 수행하였다. Tension leg platform 구조의 Leg 수에 따른 동적 거동 특성을 비교하였다. 비교 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.
관성력 계수는 배제된 유체의 관성력과 부가질량 계수의 합으로 정의 되며 참고문헌⁽⁵⁾을 참고하여 총 관성력 계수는 2를 적용하였다. 식 (9)는 단위길이당 작용하는 힘이므로, 부유체 구조물의 길이에 대해 적분하여 구한 파랑하중을 ADAMS 동역학 모델의 플랫폼의 질량중심점에 외력으로 가하였다.
또한, 블레이드는 8개의 요소로 나누었으며, 블레이드의 3차원 기하학적 형상을 고려하지 않고 평판으로 가정하여 풍하중을 적용하였다. 동적거동해석에서는 블레이드의 회전운동을 고려하였다. 블레이드의 항력계수는 2로 가정하였으며 타워의 항력계수는 1.
해수 밀도인 p는 1023 kg/m³이다. 본 연구에서는 플랫폼을 원형실린더로 고려하였고, 실린더의 지름을 D로 표시하였다. 식 (9)에서 #과 #는 부유체의 surge 방향 속도와 가속도를 의미한다.
부유력은 플랫폼의 배제된 유체 체적과 유체의 비중량의 곱으로 표현 되며 플랫폼은 수면아래에 존재하도록 하였고, 플랫폼의 질량중심점에 힘 요소로 모델링 하였다. 본 연구에서는 파랑하중을 모델링하기 위하여 수립자 속도식을 이용하였으며, 심해조건에서 surge 방향의 수립자속도(u)는 식 (5)와 같이 수면깊이(z)와 시간(t)의 함수로 표현된다.
본 연구에서는 국내 해상 조건에 알맞은 부유식 풍력발전기를 개발하기 위한 선행연구로써, 국내 해상환경조건에서 부유식 풍력발전기의 동적거동해석을 수행하였다. 부유식 풍력발전시설 개발 시 고려되어야 할 하중특성을 파악하고자 다물체동역학 기법을 이용하여 부유식 해상풍력발전시스템을 모델링하였다. 풍력발전기 및 하중모델링과 같은 시스템 모델링을 2 장에 서술하였고, 하중조건에 따른 거동특성을 3 장에 기술하였다.
초기에는 하중이 없는 상태에서 15초 동안 설계하중만큼 증가시켜서 적용하며 15초 이후 120초까지 설계하중을 지속적으로 적용하여 동적 거동특성을 분석하였다. 하중의 크기는 풍속 및 파랑의 특성에 의해 설계된 풍하중 및 파랑하중 크기만큼 가해진다.
하중의 크기는 풍속 및 파랑의 특성에 의해 설계된 풍하중 및 파랑하중 크기만큼 가해진다. 파랑하중은 Beaufort Scale 을 참고하여 해양 환경 하중을 선정하였으며 Beaufort Scale No.5의 환경인 풍속 8.5m/sec 파고 2.5m 파장 39m, 파랑의 주기 5초의 해상 조건에서 해석하였다. Table 2는 Platform 구조에 따른 스펙을 나타낸 것이다.
풍하중은 풍속에 따라 달라지며, 본 연구에서는 타워를 20개 요소로 나누어 각 요소에 풍하중을 적용하였다. 또한, 블레이드는 8개의 요소로 나누었으며, 블레이드의 3차원 기하학적 형상을 고려하지 않고 평판으로 가정하여 풍하중을 적용하였다.

이론/모형

식 (9)는 상대모리슨방정식(relative Morison equation)을 나타내며, 일반적으로 파랑하중의 시간이력을 표현한다. 부유식 풍력발전을 위한 플랫폼은 풍하중과 파랑하중에 따라 수평방향으로 변위 및 속도가 발생하게 되므로 본 연구에서는 식 (9)와 같은 상대운동 모리슨 방정식을 사용하여 파랑하중을 모델링 하였다. 모리슨 방정식은 파력을 나타내는 함수로서 항력과 관성력의 합으로 나타낸다.

성능/효과

(1) 시공비 등의 이유로 부유식 플랙폼의 다리를 1개만 가지는 구조로 설계할 경우에는 3, 4 및 6개에 비해 피치각이 다소 불리하므로 이에 대한 검토가 요구되며, 3 Leg일 경우, 다리도 적고, 안정적인 자세를 유지함을 알 수 있다.
(3) Hub 위치에서 가속도 응답은 육상 풍력 발전과 지지기반이 다른 유체 내에서 운동하게 되어 해상풍력발전기는 구조의 가속도 응답이 나타나게 된다. 파의 주기에 따라 그 응답이 나타나며 기존 Nacelle 부의 기계 요소에 대한 해석에 활용할 수 있다.
가속도 응답은 1 Leg의 경우가 다른 구조에 비해 약간 더 크게 나타났다. RMS 값이 0.7~0.1g이며 최대값이 0.19~0.14g로 Leg 수가 증가할수록 가속도의 크기가 감소하는 경향을 나타냈으나 다른 응답에 비해 감소율이 비교적 적게 나타났다.
본 연구 수행결과, 풍력발전기는 Surge 방향의 운동보다 해상풍력발전기의 자세가 더 중요하며 3개의 Leg를 가진 구조가 비교적 안정적이고 효율적임을 알 수 있다. 본 연구에서 개발한 해상 부유식 풍력발전기의 다물체동역학 모델은 향후 부품 설계 및 내구성능 해석 등에 활용될 수 있다.

후속연구

Drive train의 기어박스는 나셀(nacelle)과 두 개의 부싱으로 연결되어 있으며, 기어 연결은 구속조건으로 모델링 하였다. 기어박스와 타워, 블레이드, 플랫폼을 다물체 시스템으로 모델링하면, 향후 다양한 하중조건하에서의 거동 시뮬레이션을 통해, 거동특성, 조인트 반력 등을 분석하여 부품 설계 및 내구성능 해석에 유용하게 활용할 수 있다.
본 연구 수행결과, 풍력발전기는 Surge 방향의 운동보다 해상풍력발전기의 자세가 더 중요하며 3개의 Leg를 가진 구조가 비교적 안정적이고 효율적임을 알 수 있다. 본 연구에서 개발한 해상 부유식 풍력발전기의 다물체동역학 모델은 향후 부품 설계 및 내구성능 해석 등에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세계 풍력기 발전시장은 어떻게 구성되어있나?	세계 풍력기 발전시장은 덴마크, 독일과 미국등 풍력발전산업이 발달한 선진국 상위 6개 업체에 의해 과점화 되어 있다. Vestas(덴마크), GE Wind(미), Enercon(독), Gamaesa(스페인), Siemens(독) 등 상위 6개 업체가 전체 시장의 80%를 차지하고 있다.
	풍력 에너지 기술의 보급이 제한적일 수 밖에 없던 이유는 무엇인가?	그 중에서 풍력 에너지 기술은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로써 세계 각국은 이미 1980년대에 대규모의 육상 풍력발전단지를 조성해 온 바 있으며 국내에서도 실질적인 정부 지원책이 활성화되고 전력 사업 인허가나 계통선 연결 등에 관한 법령이 정비되면 육상 풍력 발전 시스템의 보급은 가속될 것으로 예상되고 있다. 그러나 선진 외국의 풍력 발전 단지 건설 사례와 우리나라 제주 행원, 강원도 대관령의 풍력발전단지 조성계획시의 난점이었던 부지사용과 소음, 시계 및 전파방해 등의 거주환경 및 민원 문제의 사례는 거의 매번 발생하고 있으며 이로 인해 육상 풍력 발전 시스템의 보급은 제한적이 될 수밖에 없었다. 더구나 우리나라는 국토가 협소하고 인구밀도가 높아서 보급량은 결국 한계에 봉착하게 될 것이다.
	교토의정서가 발효되면서 발생한 현상은 무엇인가?	특히, Vestas(덴마크)는 2005년 기준 전세계 풍력발전설비 시장의 약 33%를 차지하며 풍력발전시스템 시장을 선도하고 있다. 2005년부터 발효된 교토의정서에 의해 이산화탄소의 의무감축은 이제 현실로 다가오면서, 전 세계는 화석 연료를 대체 할 수 있는 청정에너지에 관심을 크게 기울이고 있다. 그 중에서 풍력 에너지 기술은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로써 세계 각국은 이미 1980년대에 대규모의 육상 풍력발전단지를 조성해 온 바 있으며 국내에서도 실질적인 정부 지원책이 활성화되고 전력 사업 인허가나 계통선 연결 등에 관한 법령이 정비되면 육상 풍력 발전 시스템의 보급은 가속될 것으로 예상되고 있다.

참고문헌 (5)

Park, T. H. and Cho, J. W., 2002, “A Time Domain
Butterfield, Musial, W., Jongman, J. and Sclavounos,
Dyer, I., Eatock Taylor, R., Newman, J.N. and Price,
MSC/ADAMS User’s Guide, 2008, MSC Software
Kim, D.G., “Dynamics of Structures,” Goomibook,

저자의 다른 논문 :

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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].

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