[논문]다층 TLD를 적용한 부유식 풍력 발전기 축소 모형의 운동에 대한 수치적 고찰

하민호; 정철웅

doi:10.5050/ksnve.2014.24.8.621

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In this paper, a possibility of controlling the motion of a floating wind turbine with the tuned liquid damper(TLD) is numerically investigated. First, motion of the scale model of a floating wind turbine without the TLD is predicted and its results are compared to the measured data. There are reaso...

In this paper, a possibility of controlling the motion of a floating wind turbine with the tuned liquid damper(TLD) is numerically investigated. First, motion of the scale model of a floating wind turbine without the TLD is predicted and its results are compared to the measured data. There are reasonably good agreements between two results, which confirms validity of the present numerical methods. Then, the effect of TLD is quantitatively assessed by comparing the prediction results for the floating wind turbine with and without the TLD. It is shown that the motion of the scale model derived by external forces can be reduced by using the TLD. On a basis of this result, a multi-layer TLD is proposed to generate larger reaction force of the TLD at the fixed target frequency. The motions of the scale model with the multi-layer TLDs are computed and compared with that of the single-layer TLD. It is shown that the multi-layer TLD generate stronger reaction force and thus more reduce the motion of the floating body than the single-layer TLD.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

검증된 수치방법을 사용하여 동일한 축소모형에 단층 및 다층 TLD를 설치한 모델의 운동을 해석하였다. 다층 TLD는 고정된 목적 주파수에서 보다 큰 감쇠를 주기 위하여 이 논문에서 제안한 모델이다. 다층 TLD를 적용한 결과와 단층 TLD, TLD를 적용하지 않은 모델의 해석결과를 비교하여 다층 TLD의 효율성을 제시하였다.
따라서 부유식 해상풍력발전의 광대한 보급을 위해서는 이러한 운동을 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요하다. 이 논문에서는 동조액체댐퍼(tuned liquid damper, 이하 TLD)를 이용한 부유식 해상 풍력발전기의 운동제어 가능성을 고찰하고자 한다.
이 반력으로 인하여 구조물에 대한 외력의 영향이 줄어들게 되어 구조물의 운동을 줄여주게 된다. 이러한 원리에 대한 이해를 바탕으로 TLD를 부유식 해상풍력발전기에 설치하여 외부 영향에 의한 운동을 제어할 수 있는 가능성을 수치적으로 고찰하고자 한다.

가설 설정

생성하려는 표면파의 진폭과 파장의 비가 작기 때문에 선형파동이론이 성립한다고 가정하여 난류모델을 층류(laminar) 모델로 설정하였다. Anant Lal & Elangovan의 연구⁽⁶⁾에서도 다른 난류모델을 사용하여 해석한 결과와 층류모델로 해석한 결과 사이에 차이가 없다고 보고하였다.
수치해석에서 부유식 해상 풍력발전기의 축소모형은 변형이 없는 강체로 가정하였다. 따라서 표면파와 강체의 운동을 같이 해석해야 하기 때문에 유체-구조 연성해석(fluid structure interaction, FSI)을 사용하였다.

제안 방법

TLD의 내부 슬로싱 현상과 내부 슬로싱 현상에 의한 부유체의 운동에 대한 선행연구^(2~4)를 바탕으로 TLD를 부유식 해상 풍력발전기에 설치하여 외부 영향에 의한 운동을 줄이는 현상을 수치적으로 해석하였다. 수치해석방법의 검증을 위하여 부유식 해상풍력발전기의 축소모형을 사용하여 대형 조파수조에서 실험을 수행하였고 이를 예측결과와 비교하였다.
수치해석방법의 검증을 위하여 부유식 해상풍력발전기의 축소모형을 사용하여 대형 조파수조에서 실험을 수행하였고 이를 예측결과와 비교하였다. 검증된 수치방법을 사용하여 동일한 축소모형에 단층 및 다층 TLD를 설치한 모델의 운동을 해석하였다. 다층 TLD는 고정된 목적 주파수에서 보다 큰 감쇠를 주기 위하여 이 논문에서 제안한 모델이다.
다층 TLD는 고정된 목적 주파수에서 보다 큰 감쇠를 주기 위하여 이 논문에서 제안한 모델이다. 다층 TLD를 적용한 결과와 단층 TLD, TLD를 적용하지 않은 모델의 해석결과를 비교하여 다층 TLD의 효율성을 제시하였다.
를 바탕으로 TLD를 부유식 해상 풍력발전기에 설치하여 외부 영향에 의한 운동을 줄이는 현상을 수치적으로 해석하였다. 수치해석방법의 검증을 위하여 부유식 해상풍력발전기의 축소모형을 사용하여 대형 조파수조에서 실험을 수행하였고 이를 예측결과와 비교하였다. 검증된 수치방법을 사용하여 동일한 축소모형에 단층 및 다층 TLD를 설치한 모델의 운동을 해석하였다.

대상 데이터

수치해석 방법을 검증하기 위해 길이 100 m, 폭 8 m 그리고 깊이가 3.5 m인 조파수조에서 수행한 축소모형 실험데이터를 사용하였다. Fig.
실험 데이터로 사용한 표면파의 진동수는 6.28 rad/s이고 진폭은 4.2 cm이다. Table 2에 생성된 표면파에 의한 축소모형의 실험결과를 나타내었다.

데이터처리

부유식 풍력발전기의 외력에 대한 강제운동의 제어를 위하여 다층 TLD의 적용 가능성을 수치적으로 확인하였다. 먼저 논문에서 사용한 FSI 수치해석 방법을 대형조파수조에서 수행한 부유식 풍력 발전기 축소모형의 운동에 대한 실험결과를 이용하여 비교/검증하였다. 수치해석에서 실험과 동일한 축소모형을 모델링하였고 동일한 표면파를 생성하였다.
이렇게 검증한 수치방법을 사용하여 다단층 TLD 를 설치한 경우와 TLD를 설치하지 않은 경우 각각에 대해서 부유식 풍력발전기의 운동을 예측하고 상호 비교하였다. 이를 통해 TLD를 적용한 경우 히브 운동은 변화가 없었으나 피치 운동이 감소하는 것을 확인하였다.

이론/모형

수치해석방법 중 자유표면을 가지는 문제를 해석하기 위해서는 다상(multiphase) 모델을 설정하여 해석을 진행해야 한다. 그 중에서도 많이 쓰이는 volume of fluid(VOF) 방법⁽⁵⁾을 사용하였다.
수치해석에서 부유식 해상 풍력발전기의 축소모형은 변형이 없는 강체로 가정하였다. 따라서 표면파와 강체의 운동을 같이 해석해야 하기 때문에 유체-구조 연성해석(fluid structure interaction, FSI)을 사용하였다. 여기서 사용된 강체의 운동방정식을 다음에서 기술한다.
수치해석에서 사용된 유체의 지배방정식은 식 (1)과 같이 Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes equations(URANS)를 사용하였다.
. 이 논문에서는 후자의 방법을 사용하였으며 그중 피스톤(piston) 방식을 사용하였다. 조파경계의 변위방정식은 다음 식으로 표현된다.

성능/효과

또한 TLD의 층을 증가시킬 경우 표면파에 의한 축소모형의 히브운동에는 영향이 없지만 피치 운동은 좀 더 감소시킴을 확인하였다. 3층 TLD의 경우 TLD를 설치 안한 경우에 비해 피치운동이 약 12 % 가까이 감소되는 것을 확인하였다.
다층 TLD가 단층 TLD와 비교하여 차지하는 부피의 변화 없이 동일한 목적주파수에 작용하면서도 좀 더 큰 감쇠를 나타낼 수 있다는 면을 고려할 때, 실제 적용가능성에서 매우 큰 장점을 가지고 있다고 판단한다. 또한 추후 각 층간 물의 양을 조절할 수 있는 능동제어개념을 적용시키면 좀 더 다양한 목적 주파수에 보다 능동적으로 작용하는 TLD를 개발할 가능성을 가지고 있다.
11에서 확인할 수 있다. 따라서 제시한 TLD는 축소모형의 피치운동을 감소시킬 수 있다는 것과 다층 TLD는 단층 TLD에 비해 좀 더 큰 감쇠 작용을 일으켜 보다 효율적으로 피치운동을 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 이 논문에서 비교한 다층 TLD는 Figs.
이를 통해 TLD를 적용한 경우 히브 운동은 변화가 없었으나 피치 운동이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 TLD의 층을 증가시킬 경우 표면파에 의한 축소모형의 히브운동에는 영향이 없지만 피치 운동은 좀 더 감소시킴을 확인하였다. 3층 TLD의 경우 TLD를 설치 안한 경우에 비해 피치운동이 약 12 % 가까이 감소되는 것을 확인하였다.
부유식 풍력발전기의 외력에 대한 강제운동의 제어를 위하여 다층 TLD의 적용 가능성을 수치적으로 확인하였다. 먼저 논문에서 사용한 FSI 수치해석 방법을 대형조파수조에서 수행한 부유식 풍력 발전기 축소모형의 운동에 대한 실험결과를 이용하여 비교/검증하였다.
이렇게 검증한 수치방법을 사용하여 다단층 TLD 를 설치한 경우와 TLD를 설치하지 않은 경우 각각에 대해서 부유식 풍력발전기의 운동을 예측하고 상호 비교하였다. 이를 통해 TLD를 적용한 경우 히브 운동은 변화가 없었으나 피치 운동이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 TLD의 층을 증가시킬 경우 표면파에 의한 축소모형의 히브운동에는 영향이 없지만 피치 운동은 좀 더 감소시킴을 확인하였다.

후속연구

다층 TLD가 단층 TLD와 비교하여 차지하는 부피의 변화 없이 동일한 목적주파수에 작용하면서도 좀 더 큰 감쇠를 나타낼 수 있다는 면을 고려할 때, 실제 적용가능성에서 매우 큰 장점을 가지고 있다고 판단한다. 또한 추후 각 층간 물의 양을 조절할 수 있는 능동제어개념을 적용시키면 좀 더 다양한 목적 주파수에 보다 능동적으로 작용하는 TLD를 개발할 가능성을 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부유식 해상 풍력 발전기는 무엇인가?	해상풍력발전은 근해의 고정식 풍력발전기를 중심으로 성장하여 왔는데 차세대 풍력발전기로써 심해의 부유식 해상 풍력발전기를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 부유식 해상 풍력 발전기는 부유식 해상 구조물 위에 풍력발전기를 설치한 것을 말한다. 최근에 몇몇 부유식 해상 구조물의 종류에 의한 발전기에 대하여 실증이 진행 중에 있다.
	육상에서의 풍력발전기 설치에 있어 문제점은 무엇인가?	신재생에너지원에 대한 관심의 증대와 더불어 풍력발전기 시장은 육상에서의 발전을 중심으로 매년 고성장을 거듭하여 왔다. 하지만 육상에서는 소음 및 경관훼손 등의 환경 문제로 인하여 점차 설치가 제한되고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로 해상풍력발전이 최근에 급속히 성장하고 있다.
	풍력발전기를 해상에 설치할 때의 단점은 무엇인가?	해상에서는 지상보다 지속적이고 강한 풍력자원을 가지고 있다는 장점이 있는 반면에, 해상에 설치하면 풍력발전기의 자유도 운동에 영향을 줄 수 있는 요인들 즉 바람, 파도 및 해류 등의 외부환경이 훨씬 많이 존재하고 이러한 운동은 풍력발전기의 효율에 악 영향을 줄 수 있다. 따라서 부유식 해상풍력발전의 광대한 보급을 위해서는 이러한 운동을 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요하다.

참고문헌 (9)

Kareem, A. and Kijewski, T., 1999, Mitigation of Motions of Tall Buildings with Specific Examples of Recent Applications, Wind and Structures, Vol. 2, No. 3, pp. 201-251.

상세보기
Ha, M. H., Kim, D. H., Choi, H. I., Cheong, C. U. and Kwon, S. H., 2012, Numerical and Experimental Investigations Into Liquid Sloshing in a Rectangular Tank, Advances in Wind and Structures 2012, Seoul, Korea.
Ha, M. H., Kim, D. H. and Cheong, C., 2012, Numerical Parametric Study on Liquid Sloshing in a Rectangular Tank, Advances in Wind and Structures 2012, Seoul, Korea.
Ha, M. H. and Cheong, C., 2013, Numerical Investigation on Surge Motion of a Rectangular Floating Body due to Inner Sloshing Phenomena, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 7, pp. 662-668.

원문보기 상세보기
Hirt, C. W. and Nichols, B. D., 1981, Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, Journal of Computational Physics 39, pp. 201-225.

상세보기
Anant Lal, M. Elangovan, 2008, CFD Simulation and Validation of Flap Type Wave-maker, WASET, 46, pp. 76-82.
Dean, R. G. and Dalrymple, R. A., 2000, Water Wave Mechanics for Engineers and Scientiscts, World Scientific.
Maguire, A. E., 2011, Hydrodynamics, Control and Numerical Modeling of Absorbing Wavemakers, University of Edinburgh.
Seo, M. W., Jeong, W. B. and Cho, J. R., 2012, Experiment on Sloshing of Annular Cylindrical Tank for Development of Attitude Control Devices of Floating Offshore Wind Turbines, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 1, pp. 25-33.

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