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문제 정의
- ‘10MW급 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발’ 연구과제에서는 복합발전 구조물의 개념설계 및 기본설계와 더불어 이에 대한 운동성능을 해석하기 위한 수치해석 기법이 개발되었고 극한조건 및 생존조건에 대한 해양수조 모형시험이 수행되었다. 본 논문에서는 복합발전 구조물에 대한 해양수조 모형시험을 소개하고 복합발전 구조물에서 검토되어야 하는 주요 운동성능을 다룬다. 복합발전 구조물의 특성과 모형시험을 소개하고 모형시험에서 계측된 규칙파 중 운동응답 및 생존조건과 극한조건에서 운동성능 결과를 제시한다.
- 본 모형시험에서는 플랫폼의 최대 운동, 나셀 상부에서의 최대 가속도, 계류선의 최대 장력을 계측하여 복합발전 구조물의 성능을 평가하는 것이 주요 목적이다. 이를 위하여 Table 3에 나타난 계측 센서들이 적용되었다.
- 6(a)와 (b)에서 보는 바와 같이 계류선이 분포되는 영역의 수심을 계류판으로 맞추어 주는 것이다. 본 방법은 엄밀하게 수심의 효과보다 계류선의 기하학적 상사 효과를 맞추는 것이 주 목적이다.
- 그리고 설계된 계류선에 대한 모델링과 one-line test 및 static-pull out test에 의한 검증 결과를 보이고, 생존조건 및 극한조건에서의 계류하중 결과로부터 설계된 계류선의 안전성을 판단한다. 이를 바탕으로 복합발전 구조물에서 요구되는 운동특성을 토의하고 설계된 구조물의 안전성에 대하여 검토한다.
가설 설정
- 생존조건은 100년 재현주기의 환경조건이며 극한조건은 50년 재현주기이다. 각 조건에서 파력발전기와 풍력터빈은 운용하지 않는다고 가정한다. Table 4는 복합발전 구조물이 설치될 해역인 제주도 서쪽 해역에서의 환경조건(Kim et al.
- 플랫폼과 풍력발전기의 구조는 알루미늄 재질로 제작되었으며 파력발전기는 PVC로 제작되었다. 본 논문에서는 극한조건과 생존조건을 다룸으로 풍력터빈과 파력발전기는 고정된 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 자유감쇠의 초기 변위는 인력에 의하여 임의로 적용되었고 진동을 관찰할 수 있는 최소의 변위를 적용하였다. 강제 동요 후 불확실성을 제거하기 위하여 초기의 진동은 제외하고 고유주기를 해석하였다. Table 5는 자유감쇠 시험에 의한 6자유도 운동의 고유주기 결과를 나타내고 있다.
- 모형시험은 계류계를 포함하고 있으나 WADAM에서는 계류계의 영향이 고려되지 않는다. 그러나 공진주기 부근의 규칙파 운동응답은 계류계의 영향이 크게 중요하지 않으므로 WADAM의 결과와 비교하였다. 모형시험과 수치해석결과를 비교해보면 대체로 비슷한 경향이 나타나고 있는 것을 알 수 있다.
- 따라서 그네를 이용하여 관성을 측정하지 않고 모형제작 단계에서 CAD를 이용하여 요소별 부재, 모형에 배치되는 센서, 케이블 등의 구체적인 장비까지 모델링하고 최대한 설계된 관성반경에 근사하도록 모형을 제작하였다. 그리고 그네를 이용한 관성반경과 무게중심 측정을 하지 않고, 대신에 해양수조에서 경사시험을 통하여 메터센터 높이(GM)를 구하고 Table 5에서와 같이 자유감쇠시험을 통하여 고유주기를 맞추는 방향으로 시험을 수행하였다. 플랫폼과 풍력발전기의 구조는 알루미늄 재질로 제작되었으며 파력발전기는 PVC로 제작되었다.
- 따라서 본 연구에서는 임의로 공극률이 20% 정도인 타공판을 도입하여 파랑의 산란효과가 감소되도록 하였다. 그리고 플랫폼 주변의 파랑 스펙트럼이 설계환경조건에 근사하는지를 검토하였다. Fig.
- 6자유도 운동 계측에는 광학식 계측 장비인 RODYM이 적용되었다. 나셀 상부에 2축 가속도계를 배치하여 가속도를 측정하였고 12개 계류선의 페어리드 부근에 장력계를 배치하였다. 플랫폼 주변의 파고 계측을 위하여 3개의 파고계가 배치되었고 플랫폼의 공극(air gap)을 계측하기 위하여 19개의 파고계가 플랫폼에 부착되었다.
- 또한 모형의 길이와 폭이 모두 커서 관성을 측정하기 위한 대형그네 제작에 어려움이 있었다. 따라서 그네를 이용하여 관성을 측정하지 않고 모형제작 단계에서 CAD를 이용하여 요소별 부재, 모형에 배치되는 센서, 케이블 등의 구체적인 장비까지 모델링하고 최대한 설계된 관성반경에 근사하도록 모형을 제작하였다. 그리고 그네를 이용한 관성반경과 무게중심 측정을 하지 않고, 대신에 해양수조에서 경사시험을 통하여 메터센터 높이(GM)를 구하고 Table 5에서와 같이 자유감쇠시험을 통하여 고유주기를 맞추는 방향으로 시험을 수행하였다.
- 일반적으로 계류판의 바닥이 완전히 막혀 있는 경우에는 파랑의 산란효과가 더 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 임의로 공극률이 20% 정도인 타공판을 도입하여 파랑의 산란효과가 감소되도록 하였다. 그리고 플랫폼 주변의 파랑 스펙트럼이 설계환경조건에 근사하는지를 검토하였다.
- 바람 환경조건은 모형 설치 이전에 플랫폼의 중앙 위치, 수면 위 10 m 높이에 풍속계를 설치하여 계측 및 보정하였다. 바람발생장치의 전압을 조정하며 풍속을 조정하였고 설계풍속이 구현되는 전압을 찾아 모형시험에서 적용하였다.
- 바람 환경조건은 모형 설치 이전에 플랫폼의 중앙 위치, 수면 위 10 m 높이에 풍속계를 설치하여 계측 및 보정하였다. 바람발생장치의 전압을 조정하며 풍속을 조정하였고 설계풍속이 구현되는 전압을 찾아 모형시험에서 적용하였다. 풍속계는 미국 TSI ALNOR의 8465 (windowless hot wire anemometer probe)이다.
- [2015]에 나타나 있다. 복합발전 구조물의 설계는 기본설계가 진행 중에 있으며 본 연구에서 성능평가를 위하여 적용된 구조물은 초기 기본 설계안으로 제시된 모형이다. 복합발전 시스템은 기반구조물인 반잠수식 부유체와 계류시스템이 있고 다수의 풍력발전기와 파력발전기로 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 복합발전 구조물에 대한 해양수조 모형시험을 소개하고 복합발전 구조물에서 검토되어야 하는 주요 운동성능을 다룬다. 복합발전 구조물의 특성과 모형시험을 소개하고 모형시험에서 계측된 규칙파 중 운동응답 및 생존조건과 극한조건에서 운동성능 결과를 제시한다. 그리고 설계된 계류선에 대한 모델링과 one-line test 및 static-pull out test에 의한 검증 결과를 보이고, 생존조건 및 극한조건에서의 계류하중 결과로부터 설계된 계류선의 안전성을 판단한다.
- 초기 설치된 계류선은 부식되지 않은 상태(uncorroded)이며 부식(corroded)이 진행될수록 최소파단하중(minimum breaking load)이 줄어들게 된다. 본 모형시험에서는 초기 설계된 계류선의 중량을 적용하였고 최소파단하중은 부식된 상태의 값을 적용하였다.
- 본 연구에서는 ‘10MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발’ 연구과제에서 설계된 대형 반잠수식 구조물과 계류시스템에 대한 생존조건 및 극한조건 운동성능평가를 수행하였다.
- 그러나 모형을 더 크게 하는 경우는 계류선의 배치의 공간적 제약이 있으며, 절단계류방법은 계류선 모형 제작과 수치해석 기법의 보정에 많은 노력과 시간이 필요하다. 본 연구에서는 상대적으로 적용이 용이한 계류판 방법을 도입하였다. 계류판이라는 것은 계류선이 배치되는 영역에 테이블을 설치하여 계류선의 기하학적 상사를 맞추어주는 방법이다.
- 불규칙파 중 운동성능을 해석하기 전에 규칙파 중 운동응답을 계측하였다. Fig.
- 설치된 모형의 고유주기를 검토하기 위하여 자유감쇠 시험을 수행하였다. 자유감쇠의 초기 변위는 인력에 의하여 임의로 적용되었고 진동을 관찰할 수 있는 최소의 변위를 적용하였다.
- 페어리드(fairlead)에서 앵커(anchor) 위치까지는 시중에서 구할 수 있는 체인을 적용하였고 끝단에 스프링을 적용하였다. 실제 계류선 체인과 모형의 계류선 체인은 축척에 따라 거의 동일한 중량을 갖으나 동일한 강성을 갖지는 않으므로 변위가 커질수록 복원력에 차이가 있을 수 있으며 이를 스프링으로 보정하였다. 모형과 설계 계류선의 장력을 보면 대체로 유사하게 나타난다.
- 본 연구에서는 ‘10MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발’ 연구과제에서 설계된 대형 반잠수식 구조물과 계류시스템에 대한 생존조건 및 극한조건 운동성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 1/50 축척비의 모형을 제작하고 해양수조에서 바람, 파랑, 조류 환경조건을 적용하여 운동, 계류선 하중 등을 계측하였다. 계측된 결과를 유사구조물 및 설계기준에 따라 검토해보았고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 설치된 모형의 고유주기를 검토하기 위하여 자유감쇠 시험을 수행하였다. 자유감쇠의 초기 변위는 인력에 의하여 임의로 적용되었고 진동을 관찰할 수 있는 최소의 변위를 적용하였다. 강제 동요 후 불확실성을 제거하기 위하여 초기의 진동은 제외하고 고유주기를 해석하였다.
- 이는 열선형 풍속계로서 평면 양방향 계측, 0~50 m/s의 풍속 계측이 가능하다. 조류 환경조건은 바람 환경조건과 동일하게 모형 설치 이전에 플랫폼의 중앙 위치, 수면 아래 7.5 m 깊이에 유속계를 설치하여 계측 및 보정하였다. 조류발생장치의 전압을 조정하며 유속을 조정하였고 설계 유속이 구현되는 전압을 찾아 모형시험에서 적용하였다.
- 5 m 깊이에 유속계를 설치하여 계측 및 보정하였다. 조류발생장치의 전압을 조정하며 유속을 조정하였고 설계 유속이 구현되는 전압을 찾아 모형시험에서 적용하였다. 유속계는 3차원 전자식 유속계로서 일본 KENEK의 VM-1001RS 모델이다.
- 계류선 모형 제작에는 체인, 스프링이 적용되었다. 페어리드(fairlead)에서 앵커(anchor) 위치까지는 시중에서 구할 수 있는 체인을 적용하였고 끝단에 스프링을 적용하였다. 실제 계류선 체인과 모형의 계류선 체인은 축척에 따라 거의 동일한 중량을 갖으나 동일한 강성을 갖지는 않으므로 변위가 커질수록 복원력에 차이가 있을 수 있으며 이를 스프링으로 보정하였다.
대상 데이터
- 계류계는 12점 계류이며 각 칼럼에 3개씩 위치한다. R4 Studless 체인을 사용하며 직경은 136.535 mm (uncorroded)이고 계류선 길이는 600 m이다. Table 2에 계류선의 제원을 나타내었다.
- 조류발생장치의 전압을 조정하며 유속을 조정하였고 설계 유속이 구현되는 전압을 찾아 모형시험에서 적용하였다. 유속계는 3차원 전자식 유속계로서 일본 KENEK의 VM-1001RS 모델이다. 0~2 m/s까지의 유속 계측이 가능하며 x,y,z 방향 유속 계측이 가능하다.
- 나셀 상부에 2축 가속도계를 배치하여 가속도를 측정하였고 12개 계류선의 페어리드 부근에 장력계를 배치하였다. 플랫폼 주변의 파고 계측을 위하여 3개의 파고계가 배치되었고 플랫폼의 공극(air gap)을 계측하기 위하여 19개의 파고계가 플랫폼에 부착되었다. Fig.
- 그리고 그네를 이용한 관성반경과 무게중심 측정을 하지 않고, 대신에 해양수조에서 경사시험을 통하여 메터센터 높이(GM)를 구하고 Table 5에서와 같이 자유감쇠시험을 통하여 고유주기를 맞추는 방향으로 시험을 수행하였다. 플랫폼과 풍력발전기의 구조는 알루미늄 재질로 제작되었으며 파력발전기는 PVC로 제작되었다. 본 논문에서는 극한조건과 생존조건을 다룸으로 풍력터빈과 파력발전기는 고정된 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 이를 위하여 Table 3에 나타난 계측 센서들이 적용되었다. 6자유도 운동 계측에는 광학식 계측 장비인 RODYM이 적용되었다. 나셀 상부에 2축 가속도계를 배치하여 가속도를 측정하였고 12개 계류선의 페어리드 부근에 장력계를 배치하였다.
- Design 항목은 부유체, 계류계 해석 프로그램인 WAMIT과 ORCAFLEX를 이용하여 계산된 결과를 의미한다. 계산에서는 주요 및 보조부재 모두를 패널로 모델링 하여 WAMIT으로 동유체력 계수를 구하였고 ORCAFLEX를 이용하여 주요 및 보조부재에 대한 Morison 항력을 적용하였다. 대부분의 운동에서 5% 내외의 오차를 보이며 양호한 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
- 모형시험에 적용된 축척비는 1/50이며 Froude 축척법을 따른다. 본 구조물은 대부분 세장형 부재로 구성되어 점성 효과가 있을 수 있다.
- 5deg인 경우의 운동 응답을 나타내었다. 수치해석은 DNV-GL의 운동해석 프로그램인 WADAM을 사용하였으며 가상감쇠(artificial damping)를 적용하여 공진에서의 운동크기를 맞추었다. 가상감쇠는 WADAM에서 임의의 값을 속도에 비례하는 값으로 적용할 수 있으며 본 해석에서 적용된 감쇠값은 모형시험의 결과에 근사하도록 임계감쇠(critical damping)값의 5% 정도를 적용하였다.
성능/효과
- 5deg에서 크게 나타났다. 50년 재현주기의 환경조건도 100년 재현주기의 경향과 비슷하게 나타났으며 상대적인 운동이나 하중의 크기는 작았다.
- 복합발전 구조물의 특성과 모형시험을 소개하고 모형시험에서 계측된 규칙파 중 운동응답 및 생존조건과 극한조건에서 운동성능 결과를 제시한다. 그리고 설계된 계류선에 대한 모델링과 one-line test 및 static-pull out test에 의한 검증 결과를 보이고, 생존조건 및 극한조건에서의 계류하중 결과로부터 설계된 계류선의 안전성을 판단한다. 이를 바탕으로 복합발전 구조물에서 요구되는 운동특성을 토의하고 설계된 구조물의 안전성에 대하여 검토한다.
- 또한 파력발전기와 풍력발전기 및 일부의 전력설비 배치만이 요구되기 때문에 큰 갑판면적이 요구되지는 않는다. 따라서 엄밀하게 본 연구에서 적용되는 반잠수식 구조물은 일반적인 형태의 반잠수식 구조물과 크기, 중량의 배치가 다르기 때문에 기존 반잠수식 구조물과 운동 특성이 다를 수 있다.
- 부유식 복합발전 구조물에 있어서 무게중심으로부터 멀리 떨어진 풍력터빈에 의해 최대 회전운동, 나셀 상부에서의 최대 가속도 등이 검토되어야 하며, 본 연구에서 설계된 대형 반잠수식 구조물은 유사 부유식 풍력발전 구조물과 비교하였을 때 적절한 회전 운동 성능을 보여주었다. 또한 계류시스템의 설계는 기존에 제시된 규정에 따라 설계가 가능하며 본 연구에서 설계된 구조물은 최대 변위와 안전계수 조건을 만족하였다.
- 따라서 pretension은 500 kN이다. 모형시험에 적용된 계류선이 500 kN 정도의 pretension 결과를 보여주는 것을 알 수 있다. Fig.
- 2deg 정도인 것을 알 수 있다. 복합발전 구조물이나 WindFloat, WindSea에 적용된 환경조건이 엄밀하게 같지는 않지만 유사한 pitch 운동 크기를 나타내는 것을 알 수 있고 생존조건에서 운동성능이 크게 나쁘지 않음을 알 수 있다.
- 일반적인 반잠수식 구조물이 30 sec 부근에서 고유주기를 갖는 것을 볼 때 복합발전 구조물은 주기가 짧은 것을 알 수 있다. 본 연구결과로부터 반잠수식 구조물이어도 그 크기가 커지면 고유주기가 꽤 짧아지는 것을 알 수 있으며 이는 생존조건으로 적용되는 100년이나 500년 재현주기의 파랑주기에 가까워짐을 의미한다. 따라서 이와 같은 대형 반잠수식 구조물의 운동성능은 생존조건 관점에서 주의 깊게 검토될 필요가 있으며 향후 반잠수식 구조물의 설계에 있어서도 참고할 필요가 있다.
- 부유식 복합발전 구조물에 있어서 무게중심으로부터 멀리 떨어진 풍력터빈에 의해 최대 회전운동, 나셀 상부에서의 최대 가속도 등이 검토되어야 하며, 본 연구에서 설계된 대형 반잠수식 구조물은 유사 부유식 풍력발전 구조물과 비교하였을 때 적절한 회전 운동 성능을 보여주었다. 또한 계류시스템의 설계는 기존에 제시된 규정에 따라 설계가 가능하며 본 연구에서 설계된 구조물은 최대 변위와 안전계수 조건을 만족하였다.
- 최대 변위조건은 계류선과 전력선(power cable)의 간섭을 제한하기 위하여 필요하다. 설계된 계류선은 플랫폼의 최대 변위 조건과 안전계수 조건을 만족하는 것을 알 수 있다. 계류선 모델링에 오차를 10%로 고려한다고 하여도 변위나 안전계수는 주어진 조건을 만족한다.
후속연구
- 본 연구결과로부터 반잠수식 구조물이어도 그 크기가 커지면 고유주기가 꽤 짧아지는 것을 알 수 있으며 이는 생존조건으로 적용되는 100년이나 500년 재현주기의 파랑주기에 가까워짐을 의미한다. 따라서 이와 같은 대형 반잠수식 구조물의 운동성능은 생존조건 관점에서 주의 깊게 검토될 필요가 있으며 향후 반잠수식 구조물의 설계에 있어서도 참고할 필요가 있다.
- 본 연구에서 제시된 연구결과는 향후 복합발전 구조물의 운동성능평가에 대한 자료로 활용될 수 있을 것이며 대형 반잠수식 구조물의 설계에도 활용될 수 있을 것이다. 추후 풍력터빈과 파력발전기의 운용을 고려한 운동성능평가가 수행되면 복합발전 구조물에 대한 종합적인 성능검토가 가능할 것이다.
- 본 연구에서 제시된 연구결과는 향후 복합발전 구조물의 운동성능평가에 대한 자료로 활용될 수 있을 것이며 대형 반잠수식 구조물의 설계에도 활용될 수 있을 것이다. 추후 풍력터빈과 파력발전기의 운용을 고려한 운동성능평가가 수행되면 복합발전 구조물에 대한 종합적인 성능검토가 가능할 것이다.
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