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문제 정의
- 본 연구에서는 국내의 독자적인 해상풍력발전기시스템 해석 기법을 연구하기 위해 앞서 거론한 대표적인 해상풍력발전기 모델인 NREL 5MW Baseline model Phase IV 의 동적거동해석을 수행하였다. 특히 해상에서 부유체의 거동을 모델링 하기 위해 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하였으며 기존의 NREL에서 수행한 부유체 거동해석의 결과를 바탕으로 강성과 감쇠를 역 추출하여 해석 시 사용하였다.
제안 방법
- 고유진동수 비교를 통해 본 모델이 부유체 연성효과를 고려한 기존의 NREL baseline model 과 거의 유사하게 모델링 되었다는 것을 확인할 수 있다. 5MW 급 부유식 풍력발전기 모델의 동적거동을 확인하고 기존의 NREL Baseline model 과 비교하기 위해 load case 1.4 에 따라 동적거동해석을 수행하였다. 기존의 NREL 해석 결과에 따라 surge, heave, pitch, yaw 의 총 4가지 거동에 대한 해석을 진행하였고 surge, heave, pitch 는 각각 거동에 따른 나머지 두 가지 거동의 결과도 함께 확인 하였다.
- 4 에 따라 동적거동해석을 수행하였다. 기존의 NREL 해석 결과에 따라 surge, heave, pitch, yaw 의 총 4가지 거동에 대한 해석을 진행하였고 surge, heave, pitch 는 각각 거동에 따른 나머지 두 가지 거동의 결과도 함께 확인 하였다. 또한 각 동적거동에 따른 허브의 가속도 및 변위도 확인하여 총 18 개의 해석 결과를 확인하였다.
- 특히 해상에서 부유체의 거동을 모델링 하기 위해 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하였으며 기존의 NREL에서 수행한 부유체 거동해석의 결과를 바탕으로 강성과 감쇠를 역 추출하여 해석 시 사용하였다. 기존의 다양한 해석프로그램을 활용한 해석결과와 비교하였으며 추가로 허브에서의 가속도와 변위를 측정하였다.
- 첫 번째 해석은 바람이 불어오는 방향인 surge 방향으로 20 m 의 초기 변위를 주어 300 초 동안의 surge, heave, pitch 의 동적거동과 허브에서의 변위 및 가속도를 확인하였다. 두 번째 해석은 heave 방향으로 5 m 의 초기 변위를 주어 3 가지 동적 거동과 허브의 변위 및 가속도를 확인하였다. 세 번째로는 10 deg 의 초기 pitch 각도를 부여하여 3 가지 거동과 허브에서의 변위 및 가속도를 확인하였다.
- 세 번째로는 10 deg 의 초기 pitch 각도를 부여하여 3 가지 거동과 허브에서의 변위 및 가속도를 확인하였다. 마지막으로는 6 deg 의 초기 yaw 각도를 주어 동적 거동, 허브에서의 변위, 가속도를 확인하였다.
- 본 연구에서는 NREL 5MW Baseline model Phase IV 의 Load case 중 Table 5 에 표시된 고유 진동해석과 동적거동해석의 load case 인 1.2 및 1.4 의 경우를 수행하였다. 완성된 모델을 Phase IV Load case 1.
- 본 연구에서는 부유식 해상풍력발전기인 NREL 5MW Baseline model의 Phase IV 의 동적거동해석을 수행하였다. 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하여 고유진동수와 동적거동해석을 수행하였고 기존의 NREL 결과와 비교 하였다.
- 스프링 강성과 감쇠는 기존의 다양한 프로그램을 이용한 동적거동해석(3)의 Full system 응답을 바탕으로 동적 시스템식별(dynamic system identification) 방법을 이용하여 역 추출 하였다. 부유체 거동을 모사하기 위한 등가스프링 요소는 전체 모델의 무게 중심에 X, Y, Z 의 세 방향으로 연결 되어 있으며, 회전방향 스프링 역시 세 방향으로 연결되어 총 6 개의 자유도에 대한 등가스프링 요소가 모델링 되었다.
- 두 번째 해석은 heave 방향으로 5 m 의 초기 변위를 주어 3 가지 동적 거동과 허브의 변위 및 가속도를 확인하였다. 세 번째로는 10 deg 의 초기 pitch 각도를 부여하여 3 가지 거동과 허브에서의 변위 및 가속도를 확인하였다. 마지막으로는 6 deg 의 초기 yaw 각도를 주어 동적 거동, 허브에서의 변위, 가속도를 확인하였다.
- 나셀 역시 등가 모델링 기법을 이용하여 집중질량과 빔으로 모델링 하였으며 허브와 나셀은 빔으로 연결되어 있다. 증속기는 생략하였으며 메인 샤프트와 발전기 부분을 회전 스프링으로 연결하여 발전기를 모델링 하였다. 타워는 shell로 모델링 하여 나셀과 회전 스프링으로 연결하였다.
- 첫 번째 해석은 바람이 불어오는 방향인 surge 방향으로 20 m 의 초기 변위를 주어 300 초 동안의 surge, heave, pitch 의 동적거동과 허브에서의 변위 및 가속도를 확인하였다. 두 번째 해석은 heave 방향으로 5 m 의 초기 변위를 주어 3 가지 동적 거동과 허브의 변위 및 가속도를 확인하였다.
- 2 에 따라 SAMCEF 프로그램을 활용하여 유한요소모델링 및 진동해석을 수행하였다. 총 19 개의 고유진동모드를 확인하고 기존의 다양한 해석프로그램을 이용한 결과와 비교하여 보았다. Fig.
- 본 연구에서는 국내의 독자적인 해상풍력발전기시스템 해석 기법을 연구하기 위해 앞서 거론한 대표적인 해상풍력발전기 모델인 NREL 5MW Baseline model Phase IV 의 동적거동해석을 수행하였다. 특히 해상에서 부유체의 거동을 모델링 하기 위해 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하였으며 기존의 NREL에서 수행한 부유체 거동해석의 결과를 바탕으로 강성과 감쇠를 역 추출하여 해석 시 사용하였다. 기존의 다양한 해석프로그램을 활용한 해석결과와 비교하였으며 추가로 허브에서의 가속도와 변위를 측정하였다.
대상 데이터
- (4) 해석대상인 Phase IV 는 Spar-buoy 형식으로 일반적인 해상용 buoy 와 유사하게 상부 풍력발전기가 부유식 플랫폼에 부착되어 풍력발전기 운전에 따른 동적거동을 가지도록 되어 있다. 전체 형상 모델은 Fig.
- 본 모델의 형상은 Fig. 1와 Fig. 2에서 나타난 것처럼 크게 하부의 platform, 타워, 나셀, 허브, 블레이드로 구성되는 spar-buoy형 부유식 해상풍력발전기이며 정확한 형상 데이터는 Table 3에 나타나 있다. 본 모델이 육상용 및 다른 해상용 풍력발전기와 다른 점은 하부의 platform을 들 수 있는데 수직으로 긴 형상을 가지며 내부에 해상에서 균형을 잡아주는 ballast가 존재한다.
- Subtask 2 는 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)이 주관하는 부속서로 해상부하 예측 능력 검증, 모든 해석프로그램에 대하여 중대한 결함 요소 식별, 파력/지지구조/지질공학/다물체 동역학 등의 분석 비교를 주요 목적으로 하며 해석프로그램은 FAST, ADAMS, Bladed, HAWC, HAWCB, HAWC2, TURBU, FLEX5, DHAT 등을 사용하고 있다. 분석대상인 Baseline model 은 NREL 에서 5MW 급으로 사양을 결정하여 배포하였으며 Table 1 에 나타난 것처럼 총 4 개의 Phase 로 나누어져 있다.(3)
데이터처리
- 본 연구에서는 부유식 해상풍력발전기인 NREL 5MW Baseline model의 Phase IV 의 동적거동해석을 수행하였다. 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하여 고유진동수와 동적거동해석을 수행하였고 기존의 NREL 결과와 비교 하였다. 결과 비교를 통하여 등가모델링 기법을 이용한 다 물체동역학 해석기법이 초대형 부유식 해상풍력발전기의 거시적 동적 거동을 실용적으로 잘 예측할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 4 의 경우를 수행하였다. 완성된 모델을 Phase IV Load case 1.2 에 따라 SAMCEF 프로그램을 활용하여 유한요소모델링 및 진동해석을 수행하였다. 총 19 개의 고유진동모드를 확인하고 기존의 다양한 해석프로그램을 이용한 결과와 비교하여 보았다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 부유식 해상풍력발전기 모델은 NREL 5MW baseline 모델로 성능은 Table 2 에 나타나있다.(4) 해석대상인 Phase IV 는 Spar-buoy 형식으로 일반적인 해상용 buoy 와 유사하게 상부 풍력발전기가 부유식 플랫폼에 부착되어 풍력발전기 운전에 따른 동적거동을 가지도록 되어 있다.
- 본 연구에서는 해상에서 spar-buoy 의 부유거동 연성 동적응답 해석을 모사하기 위해 등가스프링 기법을 사용하였다. 스프링 강성과 감쇠는 기존의 다양한 프로그램을 이용한 동적거동해석(3)의 Full system 응답을 바탕으로 동적 시스템식별(dynamic system identification) 방법을 이용하여 역 추출 하였다.
- 1에 나타나 있으며 3D CAD 소프트웨어인 CATIA V5 을 이용하였다. 본 연구에서의 등가모델링 기법을 포함한 전산 다물체동역학 해석은 SAMCEF 프로그램을 활용하였다.
- 블레이드는 등가 모델링 기법(5)을 사용하여 빔 요소로 모델링 하였으며, 집중질량으로 모델링 된 허브와 연결되어있다. 나셀 역시 등가 모델링 기법을 이용하여 집중질량과 빔으로 모델링 하였으며 허브와 나셀은 빔으로 연결되어 있다.
- 본 연구에서는 해상에서 spar-buoy 의 부유거동 연성 동적응답 해석을 모사하기 위해 등가스프링 기법을 사용하였다. 스프링 강성과 감쇠는 기존의 다양한 프로그램을 이용한 동적거동해석(3)의 Full system 응답을 바탕으로 동적 시스템식별(dynamic system identification) 방법을 이용하여 역 추출 하였다. 부유체 거동을 모사하기 위한 등가스프링 요소는 전체 모델의 무게 중심에 X, Y, Z 의 세 방향으로 연결 되어 있으며, 회전방향 스프링 역시 세 방향으로 연결되어 총 6 개의 자유도에 대한 등가스프링 요소가 모델링 되었다.
성능/효과
- 이 부분 역시 등가 스프링 요소의 문제로 판단되며 추후 보완 연구되어야 할 부분이다. Fig. 9 에서 LUH ADAMS 의 pitch 거동이 다른 해석프로그램들의 결과 보다 크게 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이것은 Fig. 7의 pitch 거동 결과와 마찬가지로 LUH ADAMS 의 pitch 감쇠가 다른 해석프로그램보다 적다는 것을 확인해 준다.
- 등가 스프링을 이용한 다물체 동역학 기법을 사용하여 고유진동수와 동적거동해석을 수행하였고 기존의 NREL 결과와 비교 하였다. 결과 비교를 통하여 등가모델링 기법을 이용한 다 물체동역학 해석기법이 초대형 부유식 해상풍력발전기의 거시적 동적 거동을 실용적으로 잘 예측할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 부유식 거동에 기인한 허브에서의 동적변위와 가속도 수준을 검토하였으며, 실제 설계단계에서 추가적으로 유발되는 관성력의 영향이 상당히 클 수 있음을 보였다.
- 고유진동수 비교를 통해 본 모델이 부유체 연성효과를 고려한 기존의 NREL baseline model 과 거의 유사하게 모델링 되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 결과 비교를 통하여 등가모델링 기법을 이용한 다 물체동역학 해석기법이 초대형 부유식 해상풍력발전기의 거시적 동적 거동을 실용적으로 잘 예측할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 부유식 거동에 기인한 허브에서의 동적변위와 가속도 수준을 검토하였으며, 실제 설계단계에서 추가적으로 유발되는 관성력의 영향이 상당히 클 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제시한 등가모델링 기법 및 다물체 동역학 해석기법은 향후 초대형 부유식 풍력발전기의 설계 및 안정성 해석과 정밀 공탄성 해석기법 구축에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
- 3 m 로 surge 의 초기 변위에 비해 매우 작은 값을 가진다. 이것은 surge 방향의 초기변위가 heave 방향의 거동에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미하며 결론적으로 surge 와 heave 사이에 동적 coupling 효과가 별로 없다는 것을 의미한다. Pitch 거동 역시 기존 해석 프로그램의 결과와 차이가 있지만 그 값이 작기 때문에 surge 거동과의 동적 coupling 효과가 적다는 것을 알 수 있다.
- 첫 번째 해석결과인 Fig. 5 의 전체적인 모습을 확인해 보면, 본 연구에서의 surge 와 heave 방향의 동적응답이 기존의 해석결과 중 감쇠가 적고 타 결과와 차이가 나는 POSTECH 결과를 제외한 대부분이 타 결과와 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 초대형 풍력발전기의 블레이드, 허브 및 낫셀의 질량이 매우 크기 때문에 풍력발전기와 연동된 부유체 운동에 따른 추가적인 가속도가 미약한 경우라도 충분히 큰 관성하중을 다양하게 유발할 수 있음을 설계시 유의할 필요가 있다. 본 연구는 부유식 풍력발전기 시스템에 대해 향후 비정상 CFD 해석기법 기반의 3 차원 정밀 공탄성해석 기법 구축에서 계산시간을 혁신적으로 단축할 수 있기 때문에 매우 중요하게 활용될 수 있을 것이다.
- 또한 부유식 거동에 기인한 허브에서의 동적변위와 가속도 수준을 검토하였으며, 실제 설계단계에서 추가적으로 유발되는 관성력의 영향이 상당히 클 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제시한 등가모델링 기법 및 다물체 동역학 해석기법은 향후 초대형 부유식 풍력발전기의 설계 및 안정성 해석과 정밀 공탄성 해석기법 구축에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
- 9 는 pitch 각이 초기조건으로 주어졌을 때의 결과로 surge 와 heave 의 거동이 기존 해석프로그램의 결과 보다 더 작게 나타난다. 이 부분 역시 등가 스프링 요소의 문제로 판단되며 추후 보완 연구되어야 할 부분이다. Fig.
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