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초록
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본 연구에서는 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템의 기반구조물 개념설계에 대한 내용을 다루고 있다. 세계적으로 해양 신재생에너지에 대한 관심이 커져가고 있다. 파력과 해상풍력은 다른 해양에너지원과 더불어 주요 관심이 되는 에너지원으로서 발전적지가 대체로 일치한다는 특징이 있다. 따라서 파력과 해상풍력을 복합하여 발전하는 시스템은 경제적으로 많은 이점이 있고 이미 여러 나라에서 파력-해상풍력 복합발전 시스템을 개발하고 있다. 이에 따라 우리나라에서도 10MW급의 파력-해상풍력 복합발전 시스템을 개발하기 위한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 다수 풍력발전기와 파력발전기의 배치를 고려하여 반잠수식 구조물이 설계되었다. 또한 설치해역의 환경을 고려하여 계류시스템과 파워케이블이 설계되었다. 본 논문에서는 이러한 복합발전 플랫폼의 개념설계 결과를 제시하고 다양한 발전시스템의 배치를 고려한 설계상의 어려움을 토의하고 설계 방법을 제시한다.

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The present paper considers the conceptual design of floating wave-offshore wind hybrid power generation system. The worldwide demand for ocean renewable energy is increasing rapidly. Wave and offshore wind energy have been attractive among the various ocean renewable energy sources, and the site to...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • ·계류시스템과 파워케이블의 설계에 대하여 선급과 미국석유협회에서 적절한 규정이 제시되어 있으며 본 연구에서는 이에 따른 설계를 수행하였다.
  • 본 논문에서는 다수 풍력발전기와 파력발전기의 배치를 고려한 대형 반잠수식 구조물의 설계 결과를 제시하고 부유식 복합발전 구조물의 설계상에서 발생할 수 있는 어려움에 대하여 논의한다. 나아가 설치해역에 적합한 계류시스템과 파워케이블의 설계 방법과 결과를 제시하고 고찰한다. 개념설계는 각 요소 및 구조설계 부분의 설계를 포함하나 본 연구에서는 부유체와 계류시스템/파워케이블 개념설계의 내용만 다룰 것이다.
  • 이에 따라 부유체 구조물도 기존의 석유 및 가스 채취를 위한 전통적인 해양구조물들과 다른 기능이 요구된다. 본 논문에서는 다수 풍력발전기와 파력발전기의 배치를 고려한 대형 반잠수식 구조물의 설계 결과를 제시하고 부유식 복합발전 구조물의 설계상에서 발생할 수 있는 어려움에 대하여 논의한다. 나아가 설치해역에 적합한 계류시스템과 파워케이블의 설계 방법과 결과를 제시하고 고찰한다.
  • 최근 개발되는 풍력발전기들은 5 MW를 넘어서 8 MW에 이르기까지 개발이시도되고 있다. 본 연구에서 개발되는 복합발전 구조물은 대용량의 풍력발전기를 1기 배치하는 것보다 용량이 작더라도 다수의 풍력발전기를 배치하는 것을 주요 목표로 하고 있다. 다수 풍력터빈의 배치 기술이 검증되면 추후 대용량의 풍력발전기 배치를 통하여 발전량을 확장할 수 있는 장점이 있으며 단일 발전시스템보다 경제성이 뛰어나다는 점이 검증된다면 향후 단일 발전시스템을 대체하는 발전구조물이 될 수 있다.
  • 복합발전 플랫폼 설계를 위하여 우선 플랫폼 설계를 위한 기능이 정의되어야 한다. 본 연구에서 개발된 복합발전 시스템은 최대 10 MW 이상의 발전량을 목표로 하고 있다. 이를 위하여 8MW를 풍력터빈에서 발전하며 2 MW를 파력발전기에서 발전하는 것을 목표로 한다.
  • 운동 성능은 파력발전기보다는 풍력터빈의 영향을 많이 받는다고 할 수 있는데 풍력터빈의 주요구동부인 나셀이나 로터가 부유체 운동 중심으로부터 멀리 떨어진 곳에서 움직이기 때문에 부유체의 작은 회전운동에도 크게 제한을 받을 수 있다. 본 연구에서는 설계된 복합발전 구조물의 운동을 해석하고 이를 유사 부유식 풍력터빈 구조물들의 운동 결과와 비교하여 성능을 평가하였다.
  • 본 연구에서 개발된 복합발전 시스템은 최대 10 MW 이상의 발전량을 목표로 하고 있다. 이를 위하여 8MW를 풍력터빈에서 발전하며 2 MW를 파력발전기에서 발전하는 것을 목표로 한다. 풍력터빈은 이미 상용화된 기술이기 때문에 높은 발전량이 책정되었고 파력발전기는 풍력터빈에 비하여 기술발전 단계가 낮기 때문에 낮은 용량이 책정되었다.

가설 설정

  • 파워케이블의 정확한 설계를 위해서는 부력모듈의 위치와 길이, 굽힘 반경의 길이 등 다양한 요소에 대한 민감도 해석이 필요하다. 개념설계에서는 설계사의 경험에 기반하여 hang-off로부터 84 m 위치에 부력모듈이 놓이는 것으로 가정하고 정적 및 동적 해석을 수행하였다. 정적해석으로부터 파워케이블의 hang-off에서의 파워케이블 각도와 touch-down point가 계산되며 주어진 하중조건에 대한 최대하중과 최소 굽힘반경을 만족하는지 확인할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Poseidon 프로젝트의 목표는? 이에 따라 최근에는 유럽을 중심으로 파력과 해상풍력을 복합하여 발전하는 복합발전 시스템들이 등장하고 있다. Poseidon 프로젝트는 3기의 풍력터빈과 다수의 파력발전기를 결합한 부유식 발전구조물로서 20 MW의 전력생산을 목표로 하고 있다. 해당 구조물은 해상에서의 성능시험 평가까지 이루어졌으며 상용화를 앞두고 있다.
복합발전 플랫폼에 설계기준에 부합하는 계류시스템과 파워케이블이 적용되어야 하는 이유는? 복합발전 플랫폼은 심해에 설치 가능한 부유식 구조물이어야 하며 풍력터빈과 파력발전기의 안정적 운용을 위하여 최대 회전운동, 가속도 등이 허용기준을 만족하여야 한다. 또한 부유체 구조물의 안정적 계류와 전력의 안정적인 송전을 위하여 설계기준에 부합하는 계류시스템과 파워케이블이 적용되어야 한다.
해양에서의 신재생에너지원은 무엇이 있는가? 온실가스의 증가에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 더욱 커지고 있다. 해양에서의 신재생에너지원은 파력, 풍력, 조력 등 다양한 형태가 있으며 수십 년 동안 이를 개발하기 위한 연구들이 진행되어 왔다. 해상풍력은 다른 발전원에 비하여 비약적으로 발전되었다.
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참고문헌 (17)

  1. ABS, 2013, Guide for Floating Offshore Wind Turbine Installations, American Bureau of Shipping. 

  2. ABS FPI Guide, 2013, Guide for Building and Classing Floating Production Installations, American Bureau of Shipping. 

  3. API RP 2RD, 1998, Recommended Practice for Design of Risers for Floating Production Systems and TLPs, American Petroleum Institute. 

  4. API RP 2SK, 2005, Recommended Practice for Design and Analysis Stationkeeping Systems for Floating Structures, 2nd Edition, American Petroleum Institute. 

  5. API SPEC 17E, 2003, Specification for Subsea Umbilicals, American Petroleum Institute. 

  6. Bae, Y.H. and Kim, M.H., 2014, "Coupled Dynamic Analysis of Multiple Wind Turbines on a Large Single Floater", Ocean Engineering, Vol. 92, pp. 175-187. 

  7. Cermelli, C., Roddier, D., Aubault, A., 2009, "WindFloat : A floating foundation for offshore wind turbines Part II: hydrodynamics analysis", Proc. of the ASME 2009 28th Int. Conf. on Ocean, Offshore and Arctic Eng., May 31 - June 5, Hawaii, USA. 

  8. Cho, I.H. and Choi, J.Y., 2014, "Design of wave energy extractor with a linear electric generator Part II. Linear generator", J. Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 17, No. 3, pp. 174-181. 

  9. ISO 13628-5, 2009, Petroleum Natural Gas Industries - Design and Operation of Subsea Petroleum Production Systems - Part 5: Subsea Umbilicals, International Organization for Standardization. 

  10. Karegar, S., 2013, Flexible Riser Global Analysis for Very Shallow Water, Master Thesis, University of Stavanger. 

  11. Kim, J.R., Bae, Y.H. and Cho, I.H., 2014, "Design of wave energy extractor with a linear electric generator Part I. design of a wave power buoy", J. Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 17, No. 2, pp. 146-152. 

  12. KIOST, 2005, Estimation of Deepwater Design Wave Height on Korean Sea(전해역 심해설계파 추정보고서 II), Korea Institute of Ocean Science Technology(KIOST), Ministry of Oceans and Fisheries, Korea. 

  13. Park, S.W., Kim, K.H., Lee, K.S., Park, Y.S., Oh, H., Shin, H. and Hong, K., 2015, "Arrangement design and performance evaluation for multiple wind turbines of 10 MW class floating wave-offshore wind hybrid power generation system", Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 18, No. 2, pp. 123-132. 

  14. Roddier, D., Cermelli, C. and Weinstein, A., 2009, "WindFloat: a floating foundation for offshore wind turbines Part I: Design basis and qualification process", Proc. of the ASME 2009 28th Int. Conf. on Ocean, Offshore and Arctic Eng., May 31 - June 5, Hawaii, USA. 

  15. U.S. Army Corps of Engineers, 2002, Coastal Engineering Manual. 

  16. WindFloat, 2015, "WindFloat", http://www.principlepowerinc.com/products/windfloat.html (accessed July, 06, 2015). 

  17. WindSea, 2015, "About WindSea", http://www.windsea.no/sfiles/07/1/file/windsea.pdf (accessed July, 06, 2015). 

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