[논문]자중조절 기능이 있는 해상풍력 지지구조의 하중 및 구조해석

오민우; 김동현; 김기하; 김석태

doi:10.18770/kepco.2016.02.03.453

자중조절 기능이 있는 해상풍력 지지구조의 하중 및 구조해석
Load and Structural Analysis of an Offshore Wind-Turbine Foundation with Weight Control Functionality 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.2 no.3, 2016년, pp.453 - 460

오민우 (Graduate Sschool of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ. and CAE-KOREA Co., Ltd.) , 김동현 (Graduate Sschool of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ. and CAE-KOREA Co., Ltd.) , 김기하 (Graduate Sschool of Mechanical and Aerospace Eng., Gyeongsang National Univ. and CAE-KOREA Co., Ltd.) , 김석태 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)

초록
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해상풍력터빈 시스템은 크게 상부의 풍력터빈과 하부의 지지구조로 구성된다. 해상풍력발전은 육상용 풍력발전보다 우수하다는 평가가 지배적이지만 육상용 풍력발전에서 고려되지 않는 파랑에 의한 주기적인 하중이 추가로 고려되기 때문에 다양한 외부 환경조건에 대하여 높은 안정성 확보가 요구된다. 본 연구에서는 전산유체역학 기법을 활용하여 설계된 해상풍력 하부구조에 대한 하중해석을 수행하고 유한요소해석을 통해 설계된 자중조절형 해상풍력 기초에 대한 구조 건전성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Offshore wind turbines are divided into an upper wind turbine and a lower support structure. Offshore wind turbine system is required to secure high reliability for a variety of external environmental conditions compared to ground wind turbines because of additional periodic loads due to ocean wave and current effects. In this study, extreme load analyses have been conducted for the designed offshore wind turbine foundation with weight control functionality using computational fluid dynamics (CFD) then structural analyses have been also conducted to investigate the structural design requirement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 고려한 해석 모델은 MW급 해상풍력터빈 기초의 해상 축소시험을 위한 목적으로 설계한 것이다. 앞서 구한 CFD 기반의 정밀 하중해석 결과를 적용하여 기본설계 모델에 대한 구조해석을 수행하였다.
본 논문에서는 기본 설계된 해상풍력터빈용 기초구조에 대해 3차원 CFD 해석기법에 기반하여 해양환경을 고려한 정밀 하중해석을 수행하고 유한요소 구조해석으로 설계 건전성을 검토하였다. 극한하중해석을 수행하기 위해 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려하였으며, 자중조절을 위한 내부 물채움 수위에 따른 영향을 고찰하였다.
김지환 [8] 등은 콘크리트 하부구조 연결부에 대해 3차원 설계 및 구조해석을 수행하여 안정성을 파악하였다. 하지만 기존 연구사례에서 하중해석을 정밀하게 수행한 경우는 드물며 본 연구에서는 수치해석 기법 관점에서 매우 정확한 해석이 가능한 3차원 전산유체역학 (CFD)기반으로 파랑과 조류영향이 동시에 고려된 하중해석을 수행하고 이를 구조해석에 응용한 결과를 제시하고자 한다.

가설 설정

일반적으로 중력식 기초구조는 콘크리트로 제작되며 자중으로 해저면에 고정시킨다. 해저면은 설치전 준설과 평탄화 작업이 필요하며 세굴 (scour) 방지구조가 요구된다. 이러한 중력식 기초구조는 유럽의 Vindeby해상풍력단지와 Nysted 해상풍력단지에 적용되었다.

제안 방법

따라서 본 논문의 범위에서는 Fig. 10과 같이 기초 하단부에 변위 구속조건을 적용하였으며, 기초 자체 구조에 대한 최대 하중에서의 응력해석을 수행하였다.
CFD 해석기법의 편차 가능성과 상세설계 단계에서의 구조설계 변동성을 고려하고 다소 보수적인 하중해석 결과 도출을 위해 3차원 CFD 유동해석 조건은 총 4가지 극한 해양상황을 고려하여 Table 2와 같이 적용하였다.
본 논문에서는 기본 설계된 해상풍력터빈용 기초구조에 대해 3차원 CFD 해석기법에 기반하여 해양환경을 고려한 정밀 하중해석을 수행하고 유한요소 구조해석으로 설계 건전성을 검토하였다. 극한하중해석을 수행하기 위해 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려하였으며, 자중조절을 위한 내부 물채움 수위에 따른 영향을 고찰하였다. 내부 물채움 수위를 조절하는 자중 조절이 가능한 기초의 경우 파랑하중 이외에도 외부 및 내부 수위차가 구조에 유발되는 응력수준에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보였으며, 구조해석을 통해 보강재를 보강하는 방법과 구조물 내부 물채움 높이를 제어하는 방법으로 설계 요구도를 충족시킬 수 있음을 파악하였다.
본 조건에 대한 구조해석은 수심 10 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 10 m인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다. 본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig.
본 조건에 대한 구조해석은 수심 20 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 10 m 인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다. 본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig.
본 조건에 대한 구조해석은 수심 20 m 조건에 대해 구해진 최대 해양환경 하중과 내부 물채움 수위 20 m인 경우의 정수압 하중을 동시에 고려하여 수행되었다. 본 조건에 대한 유한요소 구조해석 결과, Fig.
본 논문에서 고려한 해석 모델은 MW급 해상풍력터빈 기초의 해상 축소시험을 위한 목적으로 설계한 것이다. 앞서 구한 CFD 기반의 정밀 하중해석 결과를 적용하여 기본설계 모델에 대한 구조해석을 수행하였다. 본 논문에서 설계한 기초의 구조 및 내부 보강재 형상은Fig.
해상풍력용 기초의 자중조절을 위한 내부 물채움 수위 변화에 따른 정수압 조건과 앞서 CFD 해석으로 구한 최대 해양환경 하중을 고려하여 구조해석을 수행하였으며, 하중해석 안전계수는 1.25를 적용하였다.
22 m/s이다. 현재 지구 온난화로 인해 한반도에 진입하는 태풍의 세기가 지속적으로 강해지는 추세이므로 본 연구에서는 향후 50년간의 풍속 증가 불확도를 고려하여 55 m/s를 설계 극한 풍속으로 고려하였다. 또한, 극치설계파고 역시 보다 보수적인 6 m로 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 극한하중해석을 위한 조건의 산정은 전력연구원의 서남해 2.5 GW 해상풍력 실증단지설계근거 보고서에 근거하였다. 하중해석에 적용한 공기의 밀도는 1.

이론/모형

3차원 CFD해석기법을 적용하여 해양환경 극한하중해석을 수행하기 위해 공기와 바닷물의 이종 유체 특성을 동시에 고려하기 위해 Reynolds-Averaged Navier-Stokes 방정식에 Eulerian multiphase 모델을 적용하였고, 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델을 적용하였다. 파도효과는 VOF (Volume of Fluid) wave 모델을 적용하였다.
본 논문에서는 MW급 해상풍력터빈의 기초의 해상축소모형 실험이 가능한 크기의 모델을 설계하고 서남해 실증단지의 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려한 하중해석을 위해 3차원 비정상 (unsteady) 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 기법을 적용하였다. 기본설계 모델의 질량을 계산하기 위해 적용한 밀도는 철 (steel) 구조는 7,850 kg/m³를 적용하였고 콘크리트 (concrete)는 2,500 kg/m³을 고려하였다.
3차원 CFD해석기법을 적용하여 해양환경 극한하중해석을 수행하기 위해 공기와 바닷물의 이종 유체 특성을 동시에 고려하기 위해 Reynolds-Averaged Navier-Stokes 방정식에 Eulerian multiphase 모델을 적용하였고, 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델을 적용하였다. 파도효과는 VOF (Volume of Fluid) wave 모델을 적용하였다. 설계된 축소 시험용 해상풍력기초 모델의 극한하중해석을 위한 3차원 CFD 유동해석 격자는 Fig.

성능/효과

Case 4에 대한 하부기초의 각 섹션별최대 하중분포는 Table 6에 제시하였으며, X 방향 최대 하중성분은 Case 1에 비해 약 51% 가량 적은 수준을 나타내었다. Load Case 1-4의 해석 결과를 종합해 보면 수심이 가장 얕고 주기가 짧은 Case 1에서 오히려 하부구조 섹션에 대해 가장 높은 최대 하중특성을 나타내었으며, 수심이 깊고 주기가 파도조건인 Case 4에서 X 방향으로 가장 낮은 최대하중 수준을 보였다.
극한하중해석을 수행하기 위해 극치풍속, 파고 및 조류 유속을 동시에 고려하였으며, 자중조절을 위한 내부 물채움 수위에 따른 영향을 고찰하였다. 내부 물채움 수위를 조절하는 자중 조절이 가능한 기초의 경우 파랑하중 이외에도 외부 및 내부 수위차가 구조에 유발되는 응력수준에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보였으며, 구조해석을 통해 보강재를 보강하는 방법과 구조물 내부 물채움 높이를 제어하는 방법으로 설계 요구도를 충족시킬 수 있음을 파악하였다. 본 논문의 결과는 향후 경제성이 우수한 자중 조절식 실규모 해상풍력 지지구조 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

9와 같이 생성되었고 해양 환경 하중과 자중을 고려하였다. 또한, 현재 축소 시험용 기초 구조물의 하부구조물의 최종 설계는 지반조건을 고려하여 설계된 석션버켓 (suction bucket)이 추가로 장착될 예정이므로 지반에 대한 영향은 향후 연구로 고려하고자 한다. 따라서 본 논문의 범위에서는 Fig.
이 결과는 모델 표면에 작용하는 바람에 의한 공기력 (aerodynamic force), 정수압(hydrostatic pressure), 부력 (buoyancy) 하중을 모두 고려한 결과를 나타낸 것이다. 본 논문에서는 축소모델 시험용 하부기초 자체에 관점을 두고 있기 때문에 풍력터빈의 형상은 고려하지 않았으나 풍력터빈까지 고려한 정밀 해석도 추후 수행하는 것이 가능하다.
내부 물채움 수위를 조절하는 자중 조절이 가능한 기초의 경우 파랑하중 이외에도 외부 및 내부 수위차가 구조에 유발되는 응력수준에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보였으며, 구조해석을 통해 보강재를 보강하는 방법과 구조물 내부 물채움 높이를 제어하는 방법으로 설계 요구도를 충족시킬 수 있음을 파악하였다. 본 논문의 결과는 향후 경제성이 우수한 자중 조절식 실규모 해상풍력 지지구조 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중력식 기초구조를 설치하기 전에 해저면에 해야 하는 사전 작업은 무엇인가?	일반적으로 중력식 기초구조는 콘크리트로 제작되며 자중으로 해저면에 고정시킨다. 해저면은 설치전 준설과 평탄화 작업이 필요하며 세굴 (scour) 방지구조가 요구된다. 이러한 중력식 기초구조는 유럽의 Vindeby해상풍력단지와 Nysted 해상풍력단지에 적용되었다.
	한국에서 해상풍력발전의 연구가 더욱 주목 받는 이유는 무엇인가?	해상풍력발전은 광범위한 지역, 공급 잠재량, 민원발생여부, 경계층 효과 등을 고려할 때 육상용 풍력발전보다 우수하다는 평가가 지배적이지만 육상용 풍력발전에서는 고려되지 않는 파랑에 의한 주기적인 하중이 추가로 고려되기 때문에 다양한 외부 환경 조건에 대하여 높은 안정성 확보가 요구된다. 한국은 삼면이 바다인 반면 한정된 육상공간으로 인하여 해양공간의 활용이 매우 중요하기 때문에 해상풍력발전이 매우 중요하게 부각되고 있어 많은 연구가 요구되고 있는 실정이다. 일반적으로 중력식 기초구조는 콘크리트로 제작되며 자중으로 해저면에 고정시킨다.
	해상풍력발전의 장단점은 무엇인가?	풍력에너지는 신재생에너지의 주도적인 역할을 하며, 현재에도 주요 에너지원으로 인식되고 있으며 신뢰성과 비용 효율성 면에서 빠르게 성장하는 에너지원 중의 하나이다 [1]. 해상풍력발전은 광범위한 지역, 공급 잠재량, 민원발생여부, 경계층 효과 등을 고려할 때 육상용 풍력발전보다 우수하다는 평가가 지배적이지만 육상용 풍력발전에서는 고려되지 않는 파랑에 의한 주기적인 하중이 추가로 고려되기 때문에 다양한 외부 환경 조건에 대하여 높은 안정성 확보가 요구된다. 한국은 삼면이 바다인 반면 한정된 육상공간으로 인하여 해양공간의 활용이 매우 중요하기 때문에 해상풍력발전이 매우 중요하게 부각되고 있어 많은 연구가 요구되고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

Gravity Base Foundation (https://vimeo.com/79661595).
A. Attari, P. Doherty, E.R. Amoros, and C. Paulotto. "Design drivers for buoyant gravity-based foundations," WIND ENERGY, Vol. 10, 2015.
M.D. Esteban, B. Counago, J.S. Lopez-Gutierrez, V. Negro, and F. Vellisco. "Gravity based support structures for offshore wind turbine generators: Review of the installation process," Ocean Engineering, Vol. 110, Part A, 2015, pp. 281-291.

상세보기
I.R. de T. Alonso. "Gravity Base Foundations for Offshore Wind Farms: Marine Operations and Installation Processes," Master in European Construction Engineering, University of Cantabria, 2013.
H.G. Kim, H.K. Jeon, K.D. Kim, "Multi-Piled Concrete Foundation for Offshore Wind Turbines", Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No. 4, 2014, pp. 20-24.
K.D. Kim, J.S. Sim, S.Y. Choi, "New Concrete and Steel-Concrete Support Structure of Offshore Wind Turbine Using Pile Foundation in 40m Water Depth," Korean Society of Civil Engineers, Vol. 60, No. 7, 2012, pp. 33-38.
S.G. Lee, D.H. Kim, "Reliability Analysis of Gravity-based Offshore Wind Turbine Foundation Considering Ocean Environmental Loads and Soil Uncertainty," Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 29, No. 5, 2015, pp. 359-365.

원문보기 상세보기
J.H. Kim, G.G. Choi, G.S. Zi, "Tower-Support Connection on Offshore Concrete Wind Energy Substructures," Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No. 4, 2014, pp. 25-31.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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