Article information

Abstract

1. 서 론

기존의 화석연료 사용의 문제점 중 하나인 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 신재생에너지 분야의 개발에 대한 투자가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 풍력발전이 가장 효과적인 방법으로 인정받고 있는 가운데 유럽, 미국, 중국 등 전 세계적으로 누적 설치량이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 풍력발전의 설치 지역은 크게 육상과 해상으로 나누어지며, 육상의 경우 소음, 경관, 바람의 부존량 등의 문제점이 계속해서 발생되고 있어 설치지역을 해상으로 옮기고 있는 추세이다.

현재 해상에 설치되는 풍력발전시스템은 지지구조물에 따라 고정식 및 부유식으로 나누어지며, 날개의 회전축에 따라 수직축 및 수평축 풍력발전시스템으로 구별된다. 수직축 풍력발전시스템이 가지는 장점은 수평축 풍력발전시스템의 효율을 높이기 위해 사용되는 풍향조절시스템과 피치제어시스템(Pitch control system)이 따로 필요하지 않아 비교적 구조가 간단하며, 수평축에 비해 로터의 회전에 의해 발생되는 자이로스코프효과(Gyroscopic effect)가 작고, 바람의 방향변화에 따른 응답의 지연이 없다. 또한 수평축과 비교하여 상대적으로 낮은 풍속에서도 높은 효율을 가지기 때문에 설치지역의 제한이 적고 에너지 손실율 또한 적으며(Shires, 2013), 무게중심이 낮아 유지 및 보수가 쉽다(Anagnostopoulou et al., 2016).

현재 부유식 풍력발전시스템의 문제점은 육상과 해상의 환경이 현저히 다름에도 불구하고 기존의 육상에서 사용하던 풍력발전 시스템의 특성을 그대로 해상으로 가져와 부유식 구조물에 적용시킨다는 것이다(Borg and Collu, 2015). 해상에서 부유식 풍력발전시스템의 안정적인 발전효율을 유지하기 위해 해양 외력으로부터 우수한 운동성능 확보 및 위치유지가 중요하다.

사전연구로 Anagnostopoulou et al.(2016)은 반잠수식 구조물에 수직축 풍력발전시스템을 구성하여 자체 개발된 프로그램을 이용하여 구조물의 운동응답을 파악하고, 구조물의 운동응답이 발전량에 미치는 영향을 파악하였다. Collu et al.(2013)과 Collu et al.(2014)은 파, 바람, 조류, 계류시스템 등의 연성해석을 위한 프로그램을 개발하였고 Mertens et al.(2003)의 실험결과와 비교하여 검증하였으며, 각 성분이 부유체 운동에 미치는 영향을 파악하였다. Hong et al.(1988)은 반잠수식 시추선에 대해 규칙파중 운동실험을 통하여 운동특성을 파악하였으며, 계류삭의 인장력을 측정하여 계류삭의 동특성을 고찰하였다.

본 연구는 규칙파 및 불규칙파, 불규칙파와 바람 실험을 통하여 구조물 운동응답특성 및 계류삭의 인장력응답특성을 분석하였다. 규칙파 실험을 통하여 구조물 운동응답 특성과 계류방식에 따른 인장력응답 진폭을 비교 분석 하였다. 불규칙파 실험과 불규칙파 및 바람 실험으로부터 계류방식에 따른 구조물의 운동응답 스펙트럼과 인장력응답의 스펙트럼을 비교 분석 하였다.

2. 수조실험

실험은 중소조선연구원의 3차원 조파수조에서 수행되었다. Fig. 1은 실험모델을 나타내고 있으며, 구조물의 무게중심, 배수용적, 관성모멘트, 복원력계수 및 메타센터 높이를 Table 1에 설명하였다. 여기서 KG는 부유체 바닥부터 무게중심까지의 거리, I44, I55, I66은 각각 횡동요, 종동요, 선수동요의 관성모멘트, C33, C44, C55는 각각 상하동요, 횡동요, 종동요 복원력계수, GML, GMT는 각각 횡방향, 종방향 메타센터 높이이다.

Fig. 1

The model of experiment

Table 1

Main particulars of model

실험의 배치는 Fig. 2에 나타내었다. 계류시스템의 설치반경(Foot print radius)은 수심 2m의 2배인 4m로 설계하였다. 본 연구에서 채택한 2가지 계류삭에 대한 제원을 Table 2에 설명하였다. 이때 스프링(Spring) 계류는 입사파로 인한 구조물의 표류를 방지하고, 현수선(Catenary) 계류와의 운동특성 및 계류특성을 비교하고자 채택하였다. 인장력은 구조물의 페어리드(Fairlead) 지점에서 계측 하였다.

Fig. 2

Schematic view of experimental set-up

Table 2

Particulars of mooring lines

Fig. 3은 4개의 계류삭을 구조물에 장착한 후 실시한 전후동요의 자유감쇠실험의 시계열을 나타낸다. 실험결과 스프링 계류시스템의 고유주기는 18.4초이며 현수선 계류시스템의 고유주기는 24.5초이다.

Fig. 3

Freedecay test of surge

실험의 구분을 위해 각 실험 Case를 Table 3과 같이 명명하였다. 여기서 RW는 규칙파, IRW는 불규칙파, SP는 스프링계류, CA는 현수선 계류, W는 바람 이다. 규칙파 실험은 Table 4와 같이 8개 주파수의 규칙파에 대해 실시하였다. 불규칙파는 유의파고() 0.1235m, 모달주기(T_p) 1.755초를 가진다. 불규칙파에 적용된 스펙트럼은 ITTC(International Towing Tank Conference) (1963) 스펙트럼으로 이론식은 식 (1)과 같다.

Table 3

Experiment cases

Table 4

Wave specifications for the regular wave experiments

3. 결과분석

3.1 규칙파 실험결과

Fig. 4는 규칙파 실험에서 스프링 계류와 현수선 계류에 대해 전후동요, 상하동요, 종동요 응답 결과와 포텐셜 이론에 의한 해석 결과를 비교한 그래프 이다. 그래프에서 횡축은 파 주파수 ω(rad/s)를 나타내고 종축은 운동응답을 입사파 진폭으로 나눈 값을 나타낸다. 종동요는 최대파경사각 kξ_α으로 무차원화 하였다.

Fig. 4

Comparison between simulated structure motions and experiment results for the regular wave

이론해석에 적용된 부유체 운동방정식은 식 (2)와 같다.

여기서 M_kl은 부유체의 관성력 계수, m_kl은 부유체의 부가관성력 계수, B_kl은 부유체의 조파감쇠계수, C_kl은 정수압에 의한 복원력 계수, C′_kl은 계류에 의한 복원력 계수, X_l은 운동변위, F_k는 파랑강제력, ω는 입사파 조우주파수이다(Oh., 2003). 파랑강제력은 식 (3)과 같다.

여기서 S는 침수표면, P(X, Y, Z, t)는 부유체에 작용하는 압력, n_k는 각 운동에 대한 방향여현이다. 파랑강제력에 대한 주파수 응답함수 H_k(ω)는 식 (4)와 같다.

여기서 ϕ_I는 입사파, ϕ_D는 산란파에 대한 속도포텐셜을 나타낸다(Jo et al., 2004).

이론해석 결과와 실험결과는 정성적으로 일치하고 있으나, 전후동요와 종동요의 이론해석결과보다 실험결과가 다소 크게 나타난 것을 알 수 있다. 이는 반사파 및 구조물의 운동으로 인해 발생하는 방사파(Radiation wave)에 의해 입사파에 가해지는 영향이 작은 구간의 운동진폭을 계산하였기 때문에, 약간의 과도 운동이 포함된 것으로 보여 진다.

Fig. 5는 규칙파 중 계류시스템에 따른 인장력변화를 입사파 진폭으로 나눈 값과 시간평균 표류변위를 입사파진폭의 제곱으로 나눈 값을 나타내고 있다. 시간평균 표류변위는 2.86rad/s에서 가장 크게 나타났는데, 2.86rad/s는 상하운동의 공진주파수에 가장 가까운 입사파 주파수로서 해당 주파수에서 가장 큰 표류력이 야기되었기 때문으로 보여 진다. 인장력응답은 두 가지 계류시스템 모두 시간평균 표류변위가 가장 큰 2.86rad/s에서 극대값을 가진다. 하지만 스프링 계류와는 다르게 현수선 계류의 경우 2.86rad/s에서 구조물 전방의 계류삭과 구조물 후방의 계류삭의 인장력응답이 크게 차이나는 것을 확인 할 수 있다. 이는 구조물의 표류로 인해 계류삭의 전후대칭이 깨어지고 그에 따른 현수선 계류 특성인 비선형 복원력에 기인한 것으로 보여 진다.

Fig. 5

The ratio of dynamic amplitude of tension response to wave amplitude( Line1,3 = back, Line2,4 = front ) and drift offset

Fig. 6과 Fig. 7은 각각 불규칙파 실험에서 현수선 계류와 스프링 계류에 대한 구조물의 운동 응답 스펙트럼, 계류삭의 인장력 응답 스펙트럼을 비교하여 나타내고 있다. Fig. 6의 운동응답 스펙트럼을 확인한 결과 계류시스템에 따른 구조물의 응답차이는 크지 않다. 반면 Fig. 7의 인장력 응답스펙트럼에서 구조물의 표류로 인해 구조물 전방의 계류삭이 후방의 계류삭 보다 약간 큰 인장력 응답을 가지는 것을 확인하였다.

Fig. 6

Motion and wave spectra with different mooring types for the irregular wave

Fig. 7

Tension spectra with different mooring types for the irregular wave ( Line1,3 = back, Line2,4 = front )

Fig. 8과 Fig. 9는 각각 불규칙파 실험에서 바람의 하중조건이 추가되었을 때 스프링 계류와 현수선 계류에 대한 구조물의 운동 응답 스펙트럼과 인장력 응답 스펙트럼을 비교하여 나타내고 있다. 각 실험 Case에서 구조물의 표류변위와 구조물의 종경사(Steady heeling)를 Table 5에 나타내었다.

Fig. 8

Motion spectra and wave spectra with different mooring types in irregular wave and wind

Fig. 9

Tension spectra with different mooring type in irregular wave and wind( Line1,3 = back, Line2,4 = front )

Table 5

Drift displacement

구조물의 표류변위는 바람과 불규칙파에 의한 시간평균 표류변위이며 종경사는 바람 생성 후 불규칙파 생성 전까지의 시간 평균이다. 먼저 Fig. 8의 상하동요 스펙트럼의 0.8rad/s 부근에서 극대값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 표류변위 및 종경사에 의해 계류삭의 상하전후 대칭이 깨지면서 전후운동과 종운동에 의해 상하운동이 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한 Fig. 8의 상하동요 스펙트럼에서 Fig. 6의 상하동요 스펙트럼과는 다르게 계류방식에 따른 운동응답의 차이가 큰 것을 확인 할 수 있다. 현수선 계류의 경우 구조물의 시간평균 표류변위로 인해 증가된 전방 계류삭의 복원력에 의해 상하동요가 감소된 것으로 보여 진다. 스프링 계류의 경우 Fig. 8의 종동요 스펙트럼에서 나타나는 3.06rad/s 의 극대값으로 미루어 보아 종동요와의 연성으로 인해 상하동요가 증가된 것으로 보여 진다. 이 현상에 대해 앞서 설명한 바와 마찬가지로 바람에 의한 구조물의 변위와 종경사에 따른 결과로 판단하였다.

Fig. 9는 각 계류삭에 대한 인장력응답 스펙트럼을 비교한 결과이다. 현수선 계류의 경우 Fig. 7과는 다르게 Line1,3 보다 Line2,4에서 극대값들이 매우 큰데, 이는 구조물의 표류변위로 인한 현수선 계류 특성인 비선형 복원력에 기인하는 것으로 보여 진다.

Fig. 10은 불규칙파 및 불규칙파와 바람 실험 중 Pretension을 제외한 인장력 응답의 최대값, 평균값을 나타낸다. 현수선 계류시스템의 경우 바람이 없는 경우 Line2와 Line4에 각각 0.193kgf, 0.22kgf의 최대값을 가지고, 바람 하중이 있는 경우 각각 0.487kgf, 0.485kgf의 최대값을 가진다. 또한 바람이 없는 경우 0.013kgf, 0.017kgf의 평균값을 가지고, 바람이 있는 경우 0.16kgf, 0.126kgf의 평균값을 가진다.

Fig. 10

Statistical values of tension response of each experiment cases( Line1,3 = back, Line2,4 = front )

바람 영향으로 인해 계류삭에 작용하는 인장력이 매우 커지므로 구조물의 계류시스템 설계 시 계류삭에 작용하는 인장력이 MBL(Maximum breaking load)을 넘지 않도록 안전율을 고려하여 충분한 계류삭을 선정할 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 부유식 풍력 발전 시스템에 대해 수조실험을 통하여 운동 및 계류성능에 대한 연구를 수행하였다. 두가지 계류시스템에 대해 운동응답 특성 및 인장력 응답 특성을 분석하였고 아래와 같은 결론을 얻었다.

(1) 규칙파 실험결과 현수선 계류는 구조물의 시간평균 표류변위에 의해 구조물 전방과 후방 계류삭의 인장력응답이 큰 차이를 보였다.

(2) 불규칙파 및 바람 실험결과 현수선 계류의 경우 앞선 규칙파 실험결과와 마찬가지로 구조물의 시간평균 표류변위에 의해 구조물 전방과 후방 계류삭의 인장력 응답이 큰 차이를 보였다. 또한 바람으로 인한 표류변위 및 종경사로 인해 계류시스템의 상하전후 대칭이 깨지면서 전후운동과 종운동에 의해 상하운동이 영향을 받았다.

부유식 풍력발전시스템에 대한 추가적인 연구로 구조물의 운동응답이 미치는 풍력터빈의 발전효율에 대한 영향을 파악 할 필요가 있다.

Article information Continued