[논문]스파플랫폼 기반 신개념 해상풍력단지 연구

홍사영; 김윤호; 남보우; 홍석원

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문제 정의

본 논문에서는 시간영역 다수 부유체 운동시뮬레이션 기법을 이용하여 탄성 연결체와 선형장력 계류선이 설치된 해상풍력발전단지의 파랑 중 운동응답 및 연결체 구조해석을 수행하여 단독 부체와의 성능을 비교함으로써 부유식 해샹풍력발전단지의 기술적 가능성을 검토하였다. 2X2, 3X3 두 가지 정사각형 배치에 대해 Survival Condition에서 해석이 수행되었으며 특히 3X3의 경우 한 계류선이 영구적으로 파단된 경우에 대해서도 수치적 검토가 이루어졌다.
이에 선박해양플랜트연구소에서는 2012년부터 연계형 부유식구조물 기술 개발을 통한 신개념 해상풍력발전단지 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 다물체 연성해석 기법에 탄성 연결체를 고려하는 기법을 적용하여 건조비, 설치비 및 운용비를 대폭 절감할 수 있는 경량의 연계구조물을 적용한 대규모 부유식 해상풍력단지의 가능성을 기술적으로 검토하였다.

제안 방법

본 논문에서는 시간영역 다수 부유체 운동시뮬레이션 기법을 이용하여 탄성 연결체와 선형장력 계류선이 설치된 해상풍력발전단지의 파랑 중 운동응답 및 연결체 구조해석을 수행하여 단독 부체와의 성능을 비교함으로써 부유식 해샹풍력발전단지의 기술적 가능성을 검토하였다. 2X2, 3X3 두 가지 정사각형 배치에 대해 Survival Condition에서 해석이 수행되었으며 특히 3X3의 경우 한 계류선이 영구적으로 파단된 경우에 대해서도 수치적 검토가 이루어졌다.
다음으로 9개의 부유체를 3×3 정사각형 배치를 한 후 사이를 12개의 탄성 연결체 및 모서리에 위치한 2, 4, 7, 9번에 선형장력 계류선을 설치한 시스템을 모델링하였다.
환경외력으로는 파랑하중만 고려하였으며, 바람과 조류에 의한 하중은 본 연구에서는 포함되지 않았다. 두 배치 모두 Survival Condition인 180 deg 입사, Sea state 8 (Hs = 11.5m/s, Tp= 16.4sec, ITTC spectrum) 불규칙파 중 운동특성 및 연결체 끝단의 장력을 계산하였다.
마지막으로 4개의 선형장력 계류선이 모두 설치된 경우(Fig. 8 Upper graph)와 9번 부유체에 설치한 계류선이 파단되었을시에 대해 해석한 경우(Fig. 8 Lower graph)를 비교하였다.
본 연구에서는 2×2 및 3×3 정사각형 배치에 대한 수치해석이 수행되었으며, 후자의 전체 시스템은 Fig. 1에 모사되었다.

대상 데이터

본 연구에 활용되는 해양구조물의 하부 형상은 5MW급 해상풍력발전기 Hywind-OC3이며, 이에 대한 상세한 제원은 김윤호 등(2012)의 연구에서 찾아볼 수 있다. 본 연구에서는 2×2 및 3×3 정사각형 배치에 대한 수치해석이 수행되었으며, 후자의 전체 시스템은 Fig.

데이터처리

608kN/m의 선형 계류선이 설치되었다. 각 부유체의 운동 시계열에 대한 통계해석을 수행하였고, 이는 Fig. 2과 같다.

이론/모형

(2010)에 상세히 기술되어 있다. 운동방정식에서 동유체력 계수 및 파랑기진력, 파랑하중은 고차경계요소법으로 구하였다 (Hong, et al., 2012).
이를 위해 각 부유체의 동유체력은 고차경계요소법(High-Order BEM)을 이용하여 산정하였으며, 등가 스프링을 이용하여 선형장력 형식 계류삭을 모사, 연결체는 유한요소법을 이용하여 모델링하였다. 2X2, 3X3 정사각 배치의 해상풍력 발전 단지에 대한 파랑 중 운동 특성 및 연결체 끝단의 구조 해석을 통해 확장된 경우의 대규모 단지의 성능이 개별 구조물의 성능과 동일함을 확인하였다.

성능/효과

(1) 2X2 배열의 해석 결과, 전후 운동이 단독 부유체 운동에 비해 약 25% 감소하였고, 다른 운동의 경우 비슷한 값이 도출되었다. 연결체와 선형장력 계류선과의 연성으로 인한 좌우로의 운동영향은 미미한 것으로 나타났다.
(2) 3X3 배열의 해석 결과, 정성적으로는 2X2 배열의 계산과 유사한 결과가 나왔으며, 더 많은 연결체의 설치로 인해 전후운동이 소폭 감소하였다. 이로부터 대단위 부체의 경우 각 부체의 운동감소를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 영구적인 4번 선형장력 계류선의 파단 시에도 전체적인 성능 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
(4) 시간영역 다수 부유체 운동시뮬레이션 기법을 이용하여 탄성 연결체와 선형장력 계류선이 설치된 해상풍력발전단지의 파랑 중 운동응답 및 연결체 구조해석을 수행하여 대형 부유식 해샹풍력발전 단지 설계해석기술이 개발되었으며 단지를 구성하는 부체의 성능은 단독 부체에 비해 우수한 것으로 평가되었다.
이를 위해 각 부유체의 동유체력은 고차경계요소법(High-Order BEM)을 이용하여 산정하였으며, 등가 스프링을 이용하여 선형장력 형식 계류삭을 모사, 연결체는 유한요소법을 이용하여 모델링하였다. 2X2, 3X3 정사각 배치의 해상풍력 발전 단지에 대한 파랑 중 운동 특성 및 연결체 끝단의 구조 해석을 통해 확장된 경우의 대규모 단지의 성능이 개별 구조물의 성능과 동일함을 확인하였다.
x축에 평행한 연결체들에 걸리는 장력이 Y축에 평행한 연결체들에 걸리는 장력보다 지배적인 경향은 2×2 배치에서와 같이 나타났으며 절대적 크기도 2×2 배치와 큰 차이를 보이지 않음을 확인하였다.
이는 부유체보다 연결체가 더 많이 늘어남에 따라 나타난 변화로 추정된다. 또한 가운데 선상의 부유체들은 대칭적인 배치로 인해 좌우운동이 거의 발생하지 않음을 확인하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

본 연구에 활용되는 해양구조물의 하부 형상은 무엇인가?

본 연구에 활용되는 해양구조물의 하부 형상은 5MW급 해상풍력발전기 Hywind-OC3이며, 이에 대한 상세한 제원은 김윤호 등(2012)의 연구에서 찾아볼 수 있다. 본 연구에서는 2×2 및 3×3 정사각형 배치에 대한 수치해석이 수행되었으며, 후자의 전체 시스템은 Fig.

선박해양플랜트연구소는 2012년부터 하고 있는 연구는 무엇인가?

그러나 현재까지의 연구는 대부분이 단독 부유체 해석이 상당수를 차지하며, 해상풍력발전단지에 대한 연구는 제한적이다. 이에 선박해양플랜트연구소에서는 2012년부터 연계형 부유식구조물 기술 개발을 통한 신개념 해상풍력발전단지 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 다물체 연성해석 기법에 탄성 연결체를 고려하는 기법을 적용하여 건조비, 설치비 및 운용비를 대폭 절감할 수 있는 경량의 연계구조물을 적용한 대규모 부유식 해상풍력단지의 가능성을 기술적으로 검토하였다.

3X3 배열의 해석 결과, 정성적으로는 2X2 배열의 계산과 유사한 결과가 나왔으며, 더 많은 연결체의 설치로 인해 전후운동이 소폭 감소한 것으로 보아 기대할 수 있는 것은?

(2) 3X3 배열의 해석 결과, 정성적으로는 2X2 배열의 계산과 유사한 결과가 나왔으며, 더 많은 연결체의 설치로 인해 전후운동이 소폭 감소하였다. 이로부터 대단위 부체의 경우 각 부체의 운동감소를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

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