[논문]계류장치 연결 위치가 Spar Type 부유식 해상풍력 발전기의 동적 응답에 미치는 영향 해석

조양욱; 조진래; 정의봉

doi:10.5050/ksnve.2013.23.5.407

계류장치 연결 위치가 Spar Type 부유식 해상풍력 발전기의 동적 응답에 미치는 영향 해석
Analysis of Effects of Mooring Connection Position on the Dynamic Response of Spar type Floating Offshore Wind Turbine 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.5, 2013년, pp.407 - 413

조양욱 (Graduate School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 조진래 (Research and Development Institute, Midas IT Co. Ltd.) , 정의봉 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the analysis of dynamic characteristics of mooring system of floating-type offshore wind turbine. A spar-type floating structure which consists of a nacelle, a tower and the platform excepting blades, is used to model the floating wind turbine and connect three catenary cables to substructure. The motion of floating structure is simulated when the mooring system is attached using irregular wave Pierson-Moskowitz model. The mooring system is analyzed by changing cable position of floating structure. The dynamic behavior characteristics of mooring system are investigated comparing with cable tension and 6-dof motion of floating structure. These characteristics are much useful to initial design of floating-type structure. From the simulation results, the optimized design parameter that is cable position of connect point of mooring cable can be obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 자체적으로 개발하고 있는 spar type 부유식 해상 풍력발전기 모델에 대하여 hydrodynamics 해석 프로그램인 ANSYS AQWA를 사용하여 불규칙한 해상파에 대한 시간응답 해석을 수행하고자 한다. 그리고 계류장치 연결 위치에 따른 해상 풍력발전기의 6자유도 거동과 계류장치 케이블의 장력의 동적 특성에 대해서 조사하고자 한다.
이 연구에서는 자체적으로 개발하고 있는 spar type 부유식 해상 풍력발전기 모델에 대하여 hydrodynamics 해석 프로그램인 ANSYS AQWA를 사용하여 불규칙한 해상파에 대한 시간응답 해석을 수행하고자 한다. 그리고 계류장치 연결 위치에 따른 해상 풍력발전기의 6자유도 거동과 계류장치 케이블의 장력의 동적 특성에 대해서 조사하고자 한다.
3에 나타내었다. 파도의 방향이 0˚일 때 구조물의 6자유도 운동 중에서 surge와 pitch의 응답 변화가 지배적으로 크게 나타나기 때문에, 이 연구에서는 surge와 pitch의 응답 변화만을 살펴보았다.

가설 설정

비회전성, 비압축성, 비점성인 이상유체로 가정하였고 표면장력은 무시하였으며 운동의 크기와 속도는 작다고 가정하였다. 그리고 ANSYS AQWA를 이용해 수치해석을 수행하여 계류 라인과 플랫폼의 연결 위치가 플랫폼의 동적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
2와 같이 spar type으로 선정하였으며, 그 재원은 Table 1에 나타내었다. 상부 블레이드는 강체(rigid body)로 가정하여 ANSYS AQWA에서 PMAS(point mass and inertia) 기능을 이용하여 전체 질량을 부여하였다.

제안 방법

Pierson-Moskowitz 스펙트럼에서 주파수의 최대값(ωmax)과 최소값(ωmin)을 결정하고 주파수를 N개의 등 간격으로 나누고, 이 때 파의 시간이력은 총 16개(N=16)의 조화 파들을 중첩하였다.
비회전성, 비압축성, 비점성인 이상유체로 가정하였고 표면장력은 무시하였으며 운동의 크기와 속도는 작다고 가정하였다. 그리고 ANSYS AQWA를 이용해 수치해석을 수행하여 계류 라인과 플랫폼의 연결 위치가 플랫폼의 동적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
다음으로 케이블 연결 위치 별로 케이블 장력을 peak값과 RMS(root mean square)값으로 비교해 보았다. 3개의 케이블의 장력 변화가 유사므로 가장 큰 장력이 걸리는 케이블의 장력을 Fig.
부유식 해상 풍력 발전기의 계류장치 연결 위치에 따른 계류 라인의 동적 특성을 해석하기 위해서 부유식 해상 풍력 발전기를 3개의 계류선을 갖는 spar type으로 모델링 하여 구조물의 surge와 pitch의 운동과 케이블의 장력을 계류선 연결 위치에 따라 해석해 비교해 보았다.
케이블의 연결위치는 해수면으로부터 22.5 m 되는 위치에서부터 2 m 간격으로 총 12가지 경우의 응답을 비교해 보았다. Fig.

대상 데이터

유한요소 해석을 위한 구조물의 절점 수는 10,438개, 요소 수는 10,464개이다. 계류 라인은 120˚ 간격으로 3개의 라인으로 구성하였으며 주요 입력자료는 Table 2와 같다.

이론/모형

파도의 에너지 스펙트럼 밀도함수는 Pierson-Moskowitz 스펙트럼을 사용하였으며 ANSYS AQWA에서 다음 식과 같이 표현된다⁽¹⁰⁾.

성능/효과

5 m 근처에서 응답이 최소가 되었다. Pitch 응답을 줄이기 위해서는 계류장치를 플랫폼의 아래쪽에 연결할수록 유리함을 확인하였다.
주파수 응답을 보면 surge의 주파수는 0.01367 Hz로 무게중심에서와 nacelle에서의 주파수가 동일하였고, pitch의 주파수도 마찬가지로 0.03167 Hz로 무게중심과 nacelle에서의 주파수가 동일하였다. nacelle에서의 surge의 주파수 응답이 무게중심에서의 응답보다 크게 나타나는 것을 Fig.

후속연구

계류장치 케이블의 장력을 비교해보면 계류장치의 연결 위치가 플랫폼의 아래쪽에 있을수록 장력이 줄어드는 것을 알 수 있다. 이 논문에서 제시한 부유식 해상 풍력 발전기의 응답을 줄이기 위한 계류장치의 동적 특성을 활용하여 이후 계류장치 초기 설계에 유용한 자료가 될 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 해석 결과를 실험으로 검증할 필요가 있다고 판단된다.
이 논문에서 제시한 부유식 해상 풍력 발전기의 응답을 줄이기 위한 계류장치의 동적 특성을 활용하여 이후 계류장치 초기 설계에 유용한 자료가 될 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 해석 결과를 실험으로 검증할 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전의 특징은 무엇인가?	풍력발전은 육상에서 보다 먼 바다로 나갈수록 바람의 질이 좋아 높은 발전효율을 기대할 수 있고 환경문제나 소음문제를 해소시킬 수 있기 때문에 현재 얕은 수심에서의 고정식 타입의 해상 풍력 발전기가 많이 설치되고 있으며 더 나은 양질의 바람을 찾아 더 깊은 심해에 부유식 풍력발전기가 설치 될 것이다. 이에 심해에 설치되는 부유식 해상 풍력발전기에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있다.
	계류 시스템에 관한 동적 특성에 관한 연구는 무엇을 통해 수행되어왔는가?	일반적인 계류 시스템에 관한 동적 특성에 관한 연구는 수치해석 및 실험적 연구를 통하여 수행되어왔다. 계류 라인의 비선형적 특성을 고려한 수치적 접근 방법에 대해 실행된 많은 연구 중에서 Ansari(4)는 정적 주파수 영역 접근 방법과 동적 시간 영역 접근 방법을 비교해 주파수 영역 해석은 선박과 계류 라인의 비선형 연성 문제를 정확히 다루지 못한다고 말하고 있고, Huse(5)는 항력에 대한심해 계류 라인의 저 주파수 운동에 대해 많은 연구를 수행하였으며 많은 모형 테스트 및 완전 연성 시간 영역 해석을 통해이 점을 증명하였다.
	본 연구의 surge와 pitch의 응답에 대한 결과는 무엇인가?	Surge 응답의 경우에 계류선 연결 위치가 플랫폼의 아래쪽에 위치할수록 응답이 작아지다가 다시 증가하는 경향을 보였으며 38.5 m 근처에서 응답이 최소가 되었다. Pitch 응답을 줄이기 위해서는 계류 장치를 플랫폼의 아래쪽에 연결할수록 유리함을 확인하였다.

참고문헌 (12)

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Kim, M. H., Kim, D. H., Kim, D. H. and Kim, B. Y., 2011, Structural Dynamics Analyses of a 5MW Floating Offshore Wind-turbine Using Equivalent Modeling Technique, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 614-622.
Jung, D. H., Nam, B. W., Shin, S. H., Kim H. J. and Lee, H. S., 2012, Investigation of Safety and Design of Mooring Lines for Floating Wave Energy Conversion, The Korean Society of Ocean Engineers, Vol. 26, No. 4, pp. 77-85.

원문보기 상세보기
Ansari, K. A. and Khar, N. U., 1986, The Effect of Cable Dynamics on the Station-keeping Response of a Moored Offshore Vessel, Transactions of the ASME, Vol. 108, No. 1, pp. 52-58.
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Barltrop, N. D. P., 1998, Floating Structures : a Guide for Design and Analysis Vol. 2, CMPT, England.

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