본 논문에서는 해양 풍력발전기를 해상 크레인으로 리프팅하기 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였다. 운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다. 외력으로는 유체정역학 힘, 규칙파에 의한 유체동역학 힘, 와이어로프의 장력, 계류력, 그리고 중력이 고려되었다. 두 개의 탄성 붐을 사용한 시뮬레이션 결과는 탄성 붐 한 개를 사용한 경우와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 5-MW(megawatt)급 해양 풍력 발전기를 해상 크레인이 리프팅하는 경우에 대해 동적 거동을 시뮬레이션하고 그 결과를 분석하였다.
본 논문에서는 해양 풍력발전기를 해상 크레인으로 리프팅하기 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였다. 운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다. 외력으로는 유체정역학 힘, 규칙파에 의한 유체동역학 힘, 와이어로프의 장력, 계류력, 그리고 중력이 고려되었다. 두 개의 탄성 붐을 사용한 시뮬레이션 결과는 탄성 붐 한 개를 사용한 경우와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 5-MW(megawatt)급 해양 풍력 발전기를 해상 크레인이 리프팅하는 경우에 대해 동적 거동을 시뮬레이션하고 그 결과를 분석하였다.
The dynamic responses of a 5 MW wind turbine lifted by a floating crane with two elastic booms are analyzed. Dynamic equations of motions of a multibody system that consists of a floating crane, two elastic booms, and a wind turbine are derived. The six-degree-of-freedom (DOF) motions for the floati...
The dynamic responses of a 5 MW wind turbine lifted by a floating crane with two elastic booms are analyzed. Dynamic equations of motions of a multibody system that consists of a floating crane, two elastic booms, and a wind turbine are derived. The six-degree-of-freedom (DOF) motions for the floating crane and the wind turbine are considered in the equations of motions. The hydrostatic force, the hydrodynamic force due to a regular wave, the mooring force, the wire rope force, and the gravitational force are considered as external forces. By solving the equations numerically, the dynamic responses of cargo are simulated. The simulation results are compared with those in the case of one elastic boom. Finally, the dynamic responses of the wind turbine lifted by the floating crane are analyzed under regular wave condition.
The dynamic responses of a 5 MW wind turbine lifted by a floating crane with two elastic booms are analyzed. Dynamic equations of motions of a multibody system that consists of a floating crane, two elastic booms, and a wind turbine are derived. The six-degree-of-freedom (DOF) motions for the floating crane and the wind turbine are considered in the equations of motions. The hydrostatic force, the hydrodynamic force due to a regular wave, the mooring force, the wire rope force, and the gravitational force are considered as external forces. By solving the equations numerically, the dynamic responses of cargo are simulated. The simulation results are compared with those in the case of one elastic boom. Finally, the dynamic responses of the wind turbine lifted by the floating crane are analyzed under regular wave condition.
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문제 정의
본 논문에서는 해상 크레인을 이용한 해양 풍력 발전기 리프팅 해석을 수행하였다. 두 개의 탄성 붐을 포함한 해상 크레인과 중량물의 운동 방정식을 구성하고, 외력으로는 유체정역학 힘, 유체동역학 힘, 와이어로프 장력, 계류력 그리고 중력을 고려하였다.
조선소에서는 대형 해양 생산 블록을 리프팅하는 풍부한 경험과 설비를 가지고 있기 때문에, 해양 풍력 사업의 경쟁력을 위해 이것들을 활용할 필요가 있다. 본 논문은 조선소가 보유하고 있는 용량의 해상 크레인을 이용하여 5-MW 급 풍력 발전기를 리프팅할 때의 동적 거동을 해석하였다. 2 장에서는 관련 연구에 대해 소개하고, 3 장에서는 탄성 붐(elastic boom)을 고려한 해상 크레인 모델 및 운동 방정식을 설명한다.
가설 설정
와이어 로프는 스프링과 같이 모델링하며 와이어 로프의 MBL (Maximum Breaking Load)와 신율(elongation) 사양에 따라 스프링 상수 값을 계산한다. 계류력은 계류선(mooring line)을 현수선(catenary)로 가정하고 해상 크레인에 수평방향의 힘과 모멘트로 고려하였다. 외력에 대한 자세한 식은 박광필 등(10)을 참고한다.
제안 방법
두 개의 붐을 가진 해상 크레인 모델을 사용하여 해양 풍력 발전기의 리프팅 해석을 수행하였다. 해양 풍력 발전기의 제원은 Table 2 와 같으며 5-MW 급 참조 모델(reference model)(11)을 대상으로 하였다.
본 논문에서는 해상 크레인을 이용한 해양 풍력 발전기 리프팅 해석을 수행하였다. 두 개의 탄성 붐을 포함한 해상 크레인과 중량물의 운동 방정식을 구성하고, 외력으로는 유체정역학 힘, 유체동역학 힘, 와이어로프 장력, 계류력 그리고 중력을 고려하였다. 길이 126m, 진폭 0.
하지만 이 두 논문에서 사용하는 모델은 붐을 하나로 고려하였기 때문에 풍력 발전기와 같은 형상의 대형 구조물에 대해서는 와이어 로프와 연결관계를 구성하기 어려운 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 해상 크레인의 붐을 두 개 로 모델을 확장하고 기존 모델과의 차이점을 비교한 후에 5-MW 급 풍력 발전기의 동적 거동을 해석하였다.
유체정역학적 힘이 가장 지배적이기 때문에 비선형적 효과까지 고려된 유체정역학 힘을 적용하였다. 규칙 해양파의 파형(wave profile)과 그 순간의 해양 크레인의 자세를 고려한 침수 부피 V(q,t) 로부터 식 (2)와 같이 구한다.
주파수 영역에서 상용 프로그램을 이용해서 구한 부가 질량(added mass)과 감쇠 계수(damping coefficient)를 시간 영역에서 적분하여 유체동역학힘 중 방사력(radiation force)을 구한다. 파기진력(wave exciting force)은 주파수 영역에서 구한 RAO(Response Amplitude Operator)를 이용하여 시간 영역에서 계산한다.
대상 데이터
본 논문에서 Fig. 2 와 같이 3,600 ton 의 중량물을 리프팅할 수 있는 해상 크레인 ‘DAEWOO 3600’호를 대상으로 한다.
두 개의 붐을 가진 해상 크레인 모델을 사용하여 해양 풍력 발전기의 리프팅 해석을 수행하였다. 해양 풍력 발전기의 제원은 Table 2 와 같으며 5-MW 급 참조 모델(reference model)(11)을 대상으로 하였다. 해상 크레인을 이용한 풍력 발전기 리프팅 구성은 Fig.
이론/모형
G1은 바지의 질량 중심, G2 는 중량물의 질량 중심이며, B1 과 B2 는 각각 붐의 위치를 나타낸다. 붐은 유한 요소 정식화(finite element formulation) 방법에 의해 탄성체로 모델링되며, 절점 좌표(nodal coordinates)를 일반화 좌표로 사용된다. C1,C2 와 D1,D2 는 와이어 로프에 연결된 중량물의 위치와 해상 크레인의 위치이며, A1,A2 는 붐의 끝단이다.
성능/효과
(1) 설치에는 풍력 발전기를 육상에서 부분적으로 제작한 후 해상에서 조립하는 방법과 육상에서 발전기 전체를 조립한 후 한번에 설치하는 방법이 있다.(2,3) 풍력 발전기를 한번에 설치하는 방법은 해상에서의 작업 시간을 단축하여 비용 감소의 효과가 있으며 Fig. 1 과 같이 5-MW 급 시범 프로젝트에서 시도된 바가 있다.(4,5)
길이 126m, 진폭 0.5m 의 규칙파가 선미 45°의 방향에서 입사하는 조건에서 풍력 발전기는 전후 동요(surge), 좌우 동요(sway), 상하 동요(heave), 종동요(roll), 횡동요(pitch) 그리고 선수 동요(yaw)가 각각 1.5 m, 0.22 m, 2.0 m, 0.55°, 0.43° 0.3° 이며 동적 거동으로 인한 장력의 증가는 No.1 과 No.2 의 와이어 로프에 각각 12.7%와 9.5%이다.
후속연구
4 와 같이 해상 크레인 바지에는 유체정역학 힘, 유체동역학 힘, 계류력, 와이어 로프의 장력, 그리고 중력이 고려되었고, 중량물과 붐에는 와이어 로프의 힘과 중력이 고려되었다. 바람에 의한 영향은 본 논문에는 고려되어 있지 않으며 후속 연구에서 포함될 예정이다.
하지만 동적 거동에 의해 길이 53m 의 블레이드가 와이어 로프와 충돌하지 않도록 미리 점검할 필요가 있다. 후속 연구는 다양한 해양파의 파고와 방향을 고려하여 리프팅 해석을 수행하고, 블레이드의 탄성을 고려하여 동적 거동에 의한 와이어 로프와의 간섭 여부를 해석할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상 풍력 발전의 발전 용량은 5- MW급 이상으로 대형화 되는 이유는 무엇인가?
최근 신재생 에너지 분야에서 풍력 발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 해상 풍력 발전의 경우 육상에 비해 초기 투자비가 크기 때문에, 단위 생산 전력당 단가를 낮추기 위해 발전 용량이 5- MW(Megawatt)급 이상으로 대형화 되고 있다. 초기 투자비 중 제반 해상 작업은 전체 초기 비용의 55%를 차지하며, 그 중에서 풍력 발전기 설치 작업은 11%에 해당한다.
두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 할 때 외력으로는 무엇이 고려되었는가?
운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다. 외력으로는 유체정역학 힘, 규칙파에 의한 유체동역학 힘, 와이어로프의 장력, 계류력, 그리고 중력이 고려되었다. 두 개의 탄성 붐을 사용한 시뮬레이션 결과는 탄성 붐 한 개를 사용한 경우와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 무엇을 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였는가?
본 논문에서는 해양 풍력발전기를 해상 크레인으로 리프팅하기 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였다. 운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다.
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