[논문]부유식 파력-해상풍력 복합발전 플랫폼의 운동저감장치 개념설계

박세완; 김경환; 홍기용

doi:10.26748/ksoe.2018.2.32.1.009

부유식 파력-해상풍력 복합발전 플랫폼의 운동저감장치 개념설계
Conceptual Design of Motion Reduction Device for Floating Wave-Offshore Wind Hybrid Power Generation Platform 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.32 no.1, 2018년, pp.9 - 20

박세완 (선박해양플랜트연구소 해양에너지연구부) , 김경환 (선박해양플랜트연구소 해양에너지연구부) , 홍기용 (선박해양플랜트연구소 해양에너지연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study deals with the conceptual design of a motion reduction device for a floating wave-offshore wind hybrid power generation platform. A damping plate attached to the bottom of a column of a large semi-submersible is introduced to reduce the motion of the platform. Performance analyses on various shapes and configurations of damping plates were performed using the potential flow solver, and the appropriate configuration and size of the damping plate were selected based on the numerical results. In order to see the effect of viscous damping, a small scale model test was performed in a 2D wave flume. The performances of five different damping plates were measured and discussed based on the results of free decay tests and regular wave tests.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

, 2004), 운동응답은 감쇠판의 부착형태 및 크기에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 감쇠판의 다양한 배치형태와 크기를 개념설계의 설계인자로 정의하였다.
상하동요 관점에서는 해당 모델은 최적 설계안이 아니지만 운동저감장치의 주요목표인 종동요 운동저감 효과 측면에서 가장 적합한 크기라고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 컬럼 단면적 대비 5.1배의 면적을 갖는 감쇠판 설계안(Num. model B₊₁⁾을 복합발전 플랫폼에 대한 운동저감장치 최적 설계안으로 선정하였다.
수치해석을 통해 감쇠판의 다양한 배치형태에 대한 플랫폼의 부가질량, 파랑감쇠, 파랑기진력, 6자유도 운동 RAO를 계산하였다. 본 논문에서는 운동저감 관점에서 중요한 상하동요 및 종동요 수치해석 결과를 주로 나타내었다. Fig.
감쇠판은 크게 부가질량의 증가, 파랑기진력의 증가, 점성감쇠의 증가에 영향을 미친다. 본 연구에서는 1차적으로 포텐셜유동 해석을 통하여 부가질량의 증가 및 기진력의 증가를 고려하고 파랑주파수의 공진을 회피하는 설계를 채택하였다. 그리고 선정된 안을 바탕으로 2차원 수조모형실험을 수행하여 점성 감쇠의 영향을 정성적으로 살펴보았다.
부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발 연구과제에서도 플랫폼의 공진회피 및 과도한 회전운동 저감을 위한 운동저감장치 개발이 요구됨에 따라 문헌조사와 수치해석 및 모형실험에 기반한 운동저감장치 설계가 수행되었다. 본 연구에서는 운동저감장치의 다양한 부착형태 및 크기에 대한 수치해석 결과와 도출된 설계안을 소개한다. 또한 점성감쇠 효과를 증진시킬 목적으로 고안된 감쇠판 형태들을 소개하고 2차원 조파수조 모형실험을 통한 운동응답 계측 결과들을 비교하여 제시한다.
본 연구에서는 파력-해상풍력 복합발전 대형 부유식 반잠수식 구조물의 운동을 저감시키기 위한 감쇠판의 개념설계를 수행하였다. 경계요소법 수치해석을 이용하여 다양한 부착형태 및 크기에 대한 민감도 해석을 수행하였으며, 100년 재현주기의 생존조건 파랑 스펙트럼에 대해 Num.
또한 점성감쇠 효과를 증진시킬 목적으로 고안된 감쇠판 형태들을 소개하고 2차원 조파수조 모형실험을 통한 운동응답 계측 결과들을 비교하여 제시한다. 이로부터 대형 반잠수식 플랫폼의 운동저감을 위한 감쇠판의 형태에 대해 논의한다. 본 논문은 대상 구조물인 복합발전 플랫폼 및 운동저감장치의 형상 정의, 적용한 수치해석 기법 및 모형실험 방법 소개, 수치해석 및 모형실험 결과, 결론 순으로 서술되었다.

제안 방법

부착형태 민감도해석을 통해 도출한 최적 설계안 Num. ModelB에 대해 감쇠판의 크기를 변화시켜 그 성능을 검토하였다. Fig.
즉, 복합발전 플랫폼 전체 형태 중 컬럼-외부폰툰-컬럼연결부만을 실험 모형으로 고려하고, 각 부재의 단면은 1/70 크기로 축소시켰으며, 그 중 외부폰툰의 전체 길이는 1/2로 절단시켜 이상화하였다. 각 감쇠판은 컬럼 외측 하단에 부착하였으며,이상화 된 모델의 종동요 공진주파수, 조파기 성능범위를 고려하여 파주파수 3~5.5rad/s 범위의 규칙파를 모델에 입사시켰다. 수치해석에서 고려된 3차원 형상과 모형실험에서 고려된 2차원 형상간의 상사성이 유지되지 않으나, 수치해석으로부터 도출한 개념설계안의 점성감쇠가 고려된 성능을 주어진 실험환경에서 정성적으로 평가하기 위하여 상기와 같은 전략을 채택하였다.
감쇠판의 다양한 배치형태에 대해, 수치해석을 통해 가장 좋은 운동성능을 보이는 배치형태를 선정하고, 해당 배치형태를 기준으로 감쇠판의 크기를 변화시키며 성능을 평가하였다. Fig.
감쇠판의 배치형태에 따른 운동저감 성능을 판별하기 위하여 우선 감쇠판의 크기를 고정하였다. Park et al.
본 연구에서는 1차적으로 포텐셜유동 해석을 통하여 부가질량의 증가 및 기진력의 증가를 고려하고 파랑주파수의 공진을 회피하는 설계를 채택하였다. 그리고 선정된 안을 바탕으로 2차원 수조모형실험을 수행하여 점성 감쇠의 영향을 정성적으로 살펴보았다. 따라서 수치해석에서는 감쇠판을 패널로 모델링하여 적용하였다.
그리고 선정된 안을 바탕으로 2차원 수조모형실험을 수행하여 점성 감쇠의 영향을 정성적으로 살펴보았다. 따라서 수치해석에서는 감쇠판을 패널로 모델링하여 적용하였다.
본 연구에서는 운동저감장치의 다양한 부착형태 및 크기에 대한 수치해석 결과와 도출된 설계안을 소개한다. 또한 점성감쇠 효과를 증진시킬 목적으로 고안된 감쇠판 형태들을 소개하고 2차원 조파수조 모형실험을 통한 운동응답 계측 결과들을 비교하여 제시한다. 이로부터 대형 반잠수식 플랫폼의 운동저감을 위한 감쇠판의 형태에 대해 논의한다.
모델은 2차원 수조 내에 길이 약 76cm, 강성 0.1kg/m의 스프링으로 4점 계류하여 설치하였으며, 모델의 운동은 VICON사의 T40-Camera를 활용한 Motion capture system을 통해 계측하였다. T40-Camera는 최대 4 Mega pixel, 최대 2,000FPS(Frame per second)의 제원을 갖춘 장비로, 타겟으로부터 반사된 빛을 센싱하여 타겟의 변위를 계측할 수 있으며, 복수의 타겟 및 복수의 카메라를 활용하여 타겟의 6자유도 운동을 계측할 수 있다.
모형 스케일로 3rad/s~5.6rad/s의 파주파수 범위에서 0.2rad/s 간격으로 총 14개의 주파수 조건에 대해 8cm파고의 규칙파를 생성하여 모델에 입사시켰으며, 공진주파수 근처 조건에서는 4cm 파고 조건에 대해서도 RAO(Response amplitude operator)를 도출하여 파고 불확실성을 제거하고자 하였다.
이로부터 대형 반잠수식 플랫폼의 운동저감을 위한 감쇠판의 형태에 대해 논의한다. 본 논문은 대상 구조물인 복합발전 플랫폼 및 운동저감장치의 형상 정의, 적용한 수치해석 기법 및 모형실험 방법 소개, 수치해석 및 모형실험 결과, 결론 순으로 서술되었다.
감쇠판의 점성감쇠는 감쇠판의 끝단에서 유기되는 와류와 관계가 있으며(Tao and Cai, 2004), 와류가 많이 발생할수록 플랫폼에 작용하는 점성감쇠가 증가하여 플랫폼의 운동 응답을 감쇠시키게 된다. 본 연구에서는 감쇠판의 배치형태 및 크기에 대한 수치해석 결과로부터 도출한 1차 설계안을 기반으로하여, 점성감쇠의 효과를 증진시키기 위해 감쇠판의 개수를 변화시키거나 공극을 반영하는 등의 형태를 추가적으로 고려하였으며, 이의 점성감쇠를 고려한 운동저감 성능을 정성적으로 평가하기 위해 2차원 조파수조 모형실험을 수행하였다.
본 모형실험에서는 서로 다른 감쇠판을 부착할 때마다 각 모형들이 같은 무게, 흘수, 관성 반경등을 갖도록 제작하는 것이 용이하지 않았는데, 이는 감쇠판의 형태에 따라 배수량과 무게가 동시에 변화하며 모형 자체가 작아 변화하는 배수량에 대응할 수 있는 추가적인 추 배치에 한계가 있었기 때문이다. 본 연구에서는 감쇠판이 바뀌어도 동일한 흘수에서 모형실험이 수행되도록 감쇠판마다 컬럼 하부에 배치한 추의 무게를 조정하여 흘수를 맞추고 실험하였다. Table 5에 나타낸 무게중심과 관성반경은 경사실험 및 그네실험으로 추산한 결과이다.
5rad/s 범위의 규칙파를 모델에 입사시켰다. 수치해석에서 고려된 3차원 형상과 모형실험에서 고려된 2차원 형상간의 상사성이 유지되지 않으나, 수치해석으로부터 도출한 개념설계안의 점성감쇠가 고려된 성능을 주어진 실험환경에서 정성적으로 평가하기 위하여 상기와 같은 전략을 채택하였다.
수치해석을 통해 감쇠판의 다양한 배치형태에 대한 플랫폼의 부가질량, 파랑감쇠, 파랑기진력, 6자유도 운동 RAO를 계산하였다. 본 논문에서는 운동저감 관점에서 중요한 상하동요 및 종동요 수치해석 결과를 주로 나타내었다.
실제로는 주요 부재로 인하여 발생되는 점성감쇠가 있을 수 있으며 본 연구에서는 플랫폼 주요부재 모델에 대한 임계감쇠 값의 5%를 모든 해석 모델에 대해 동일하게 부가감쇠로 부여하였다. 해당 임계감쇠 값은 플랫폼 주요부재에 모리슨 방정식의 항력을 부여한 수치해석 모델의 운동응답 계산 결과와의 비교로부터 산출되어 적용되었다.
약 1~2° 범위의 초기 종동요 변위를 가한 뒤 시간에 따라 감쇠되는 플랫폼 종동요 변위를 60Hz의 샘플링 주파수로 취득하였으며, 각 모델 별로 3회씩 반복 실험하였다.
운동저감장치의 감쇠판 배치형태 및 크기에 대한 민감도 수치해석은 DNV-GL의 Wadam을 이용하여 수행하였다. Wadam은 포텐셜 유동 이론 기반의 경계치 문제를 파랑그린함수를 적용하여 주파수 영역에서 해석하는 프로그램으로, 선박 및 해양구조물의 운동성능 해석에 활용되고 있는 상용 프로그램이다.
점성감쇠 효과를 평가하기 위하여, 수치해석을 통해 선정된 감쇠판 설계 모델 및 점성감쇠 효과를 증진시키도록 고안된 다수의 설계 모델을 2차원 조파수조 모형실험에 적합하도록 이상화하여 자유감쇠 운동 및 규칙파 중 종동요 운동을 평가하였다. 자유감쇠실험을 통해 각 감쇠판 모델의 감쇠를 정량적으로 평가하였으며, 규칙파 중 종동요 운동 RAO를 비교함으로써 Exp. model C 모델(Fig. 6(c))의 공진응답이 최대로 억제된 것을 확인하였다.
점성감쇠 영향을 고려할 수 있는 모형실험을 통해 운동저감장치 설계모델에 대한 성능을 정성적으로 평가하였다. Fig.
점성감쇠 효과를 평가하기 위하여, 수치해석을 통해 선정된 감쇠판 설계 모델 및 점성감쇠 효과를 증진시키도록 고안된 다수의 설계 모델을 2차원 조파수조 모형실험에 적합하도록 이상화하여 자유감쇠 운동 및 규칙파 중 종동요 운동을 평가하였다. 자유감쇠실험을 통해 각 감쇠판 모델의 감쇠를 정량적으로 평가하였으며, 규칙파 중 종동요 운동 RAO를 비교함으로써 Exp.
본 모형실험에서는 다양한 감쇠판 모델들의 점성감쇠 영향을 주로 종동요 운동저감 관점에서 살펴보는 것이 목적이므로, 복합발전 플랫폼에 대해 전체 형상을 정확하게 모델링하는 것 보다는 2차원 조파수조의 크기, 계류방법, 모형 제작성 등을 고려하여 실험 수행이 가능하도록 모델링하는 것이 유의미하다고 판단하였다. 즉, 복합발전 플랫폼 전체 형태 중 컬럼-외부폰툰-컬럼연결부만을 실험 모형으로 고려하고, 각 부재의 단면은 1/70 크기로 축소시켰으며, 그 중 외부폰툰의 전체 길이는 1/2로 절단시켜 이상화하였다. 각 감쇠판은 컬럼 외측 하단에 부착하였으며,이상화 된 모델의 종동요 공진주파수, 조파기 성능범위를 고려하여 파주파수 3~5.
산란 및 방사문제 해석에 대한 상세 이론은 WAMIT theory manual에 수록되어 있으며(Lee, 1995), 모리슨 방정식의 적용은 Wadam user manaul에 기술되어 있다(DNV, 2013). 패널 모델은 DNV-GL Sesam Genie를 통해 생성하였으며, 패널의 단위 요소 크기는 모든 모델에 대해 1.6m로 적용하였으며, 이는 공진주파수 파장에 대해 약 0.4%, 최장주기파 파장에 대해 약 0.1% 수준에 해당된다. Fig.

대상 데이터

그러나 생존조건의 유의파고 부근에서 가장 큰 운동이 나타나게 되므로 본 연구에서는 이를 고려하여 다양한 부착형태 중 Num. Model B를 최적의 운동저감장치 부착형태로 선정하였다.
부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발 연구과제에서 개발된 발전시스템은 반잠수식 플랫폼 형태이며, 플랫폼의 네 모서리에 위치한 컬럼(Column) 상부에는 로터 직경 105m에 달하는 풍력터빈 4기가 각각 배치되어 있다. 본 구조물은 수평면상 전후좌우 대칭인 구조이고 길이와 폭이 각각 150m에 달하는 대형 구조물이다. 트러스(Truss) 구조로 고안되었기 때문에 통상적인 반잠수식 구조물에 비해 컬럼, 폰툰(Pontoon) 등의 주요 부재의 종횡비(Aspect ratio)가 크다는 특징이 있다.

데이터처리

이때 감쇠계수는 임계감쇠(Critical damping)에 대한 백분율로 표시되어있다. 각 시계열에 대해서는 각각 세번째까지의 양의 극값(Positive peak) 및 음의 극값(Negative peak)에 대해 대수감쇠법(Logarithmic decrement method)을 통해 계산된 감쇠계수를 모두 평균하여 임계감수에 대한 백분율을 산출하였다. 감쇠판이 부착되지 않은 Exp.

이론/모형

Table 2에서 주요부재로 분류된 구조 요소 및 감쇠판에 대해서는 패널(Panel)로 모델링하여 경계요소법을 통한 산란 및 방사 문제를 해석하고, 보조부재로 분류된 구조 요소는 모리슨 보(Morison beam)로 모델링하여 모리슨 식(Morison’s equation)을 통해 보조부재에 작용하는 관성력 및 점성항력을 계산하여 플랫폼의 운동방정식에 적용하였다.
세장체적 특성을 지닌 복합발전 플랫폼의 구조요소들은 DNV(Det Norske Veritas)에서 권장하고 있는 해양구조물의 환경하중 모델링 가이드라인(DNV, 2010)에 따라 수치해석 모델로 모델링되었다.

성능/효과

4)의 상하동요 및 종동요 운동 RAO를 나타내었다. 감쇠판의 크기가 증가할수록 부가질량이 커지기 때문에 플랫폼의 공진주기는 상하동요 및 종동요 모두에서 점차 장주기 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 상하동요의 경우 감쇠판의 크기가 증가할수록 공진응답이 줄어들다가 다시 증가하는 경향이 있었고, 종동요의 경우 점차 공진응답이 줄어들었으나 두번째 정점 영역에서 반대의 경향을 보였다.
감쇠판의 크기가 증가할수록 부가질량이 커지기 때문에 플랫폼의 공진주기는 상하동요 및 종동요 모두에서 점차 장주기 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 상하동요의 경우 감쇠판의 크기가 증가할수록 공진응답이 줄어들다가 다시 증가하는 경향이 있었고, 종동요의 경우 점차 공진응답이 줄어들었으나 두번째 정점 영역에서 반대의 경향을 보였다. Fig.
15), 이 또한 이중 감쇠판이 단일 감쇠판에 비해 파랑 기진모멘트를 더 많이 받기 때문인 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 Exp. model B와 C를 비교하거나, Exp. modelE와 F를 종합적으로 비교해보면, 감쇠판의 공극에 의해 감쇠가 증가되었을 뿐만 아니라(Table 6), 플랫폼 공진응답도 공극에 의해 감소된 것을 확인할 수 있다(Fig. 15). 이는 공극으로부터 점성감쇠에 의한 운동저감효과가 더 증대된 것을 나타내며, 공극으로부터 와류 발생이 증가하였기 때문인 것으로 예측된다.
본 모형실험에서는 다양한 감쇠판 모델들의 점성감쇠 영향을 주로 종동요 운동저감 관점에서 살펴보는 것이 목적이므로, 복합발전 플랫폼에 대해 전체 형상을 정확하게 모델링하는 것 보다는 2차원 조파수조의 크기, 계류방법, 모형 제작성 등을 고려하여 실험 수행이 가능하도록 모델링하는 것이 유의미하다고 판단하였다. 즉, 복합발전 플랫폼 전체 형태 중 컬럼-외부폰툰-컬럼연결부만을 실험 모형으로 고려하고, 각 부재의 단면은 1/70 크기로 축소시켰으며, 그 중 외부폰툰의 전체 길이는 1/2로 절단시켜 이상화하였다.

후속연구

본 연구를 통해 Num. model B₊₁의 면적으로 외부폰툰-컬럼외부폰툰 연결부 내측 하단에 부착되면서 Exp. model C와 같이 공극을 갖는 감쇠판이 복합발전 플랫폼의 종동요 운동을 효과적으로 저감시킬 것으로 기대할 수 있으며, 향후 전체 플랫폼에 대한 3차원 수조 모형실험을 통해 설계 모델에 대한 정량적인 성능평가가 가능할 것으로 사료된다.
한편 점성감쇠를 평가하기 위해 수행한 자유감쇠 실험에서 와류 발생에 의한 점성감쇠를 보다 정확하게 평가할 수 있도록 비선형 감쇠에 대한 해석이 향후연구에서 보완되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랫폼 운동방정식은 어떻게 되나?	[-ω2((M+A(ω))+iω(Bp(ω)+ Ba+Bv) + C]X(ω, β) = F(ω, β) (1)
	파력과 풍력을 동시에 발전하는 발전시스템의 대표적인 프로젝트에는 무엇이 있나?	최근 해양에너지 발전시스템의 경제성 향상을 위하여 다수의 해양에너지원을 복합적으로 발전하는 시스템을 개발하려는 시도가 이루어지고 있으며, 계류계, 전력변환,계통연계, 이송/설치 등의 비용을 절약할 수 있는 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있다. 특히 환경 적지가 일치하는 파력과 풍력을 동시에 발전하는 발전시스템의 개발 및 실해역 시험이 유럽을 중심으로 수행되고 있으며, MARINA platform project(Soulard et al., 2013), H2Ocean project(Palomar, 2013), P80(Yde etal., 2015) 등이 대표적이다. 국내에서도 선박해양플랜트연구소(KRISO, Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering)주관으로 2013년부터 2016년까지 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 설계기술 개발에 대한 연구가 수행되었으며, 부유식 플랫폼에 다수의 풍력터빈 및 파력발전기를 탑재하고 통합전력제어시스템을 통해 복합 해양에너지원을 동시에 활용하고자 하는 발전시스템에 대한 개념설계가 완료되었다(Kim et al.
	선박 및 해양구조물의 과도한 운동을 억제하기 위한 장치에는 무엇이 있나?	선박 및 해양구조물의 과도한 운동을 억제하기 위한 장치들은 동조액체감쇠장치(Tuned liquid damper), 빌지킬(Bilge keel),핀 안정기(Fin stabilizer), 수평판(Horizontal plate) 또는 감쇠판(Damping plate), 트러스 폰툰(Truss-pontoon) 등 다양한 형태가 존재한다(Fig. 1).

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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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