Hydrodynamic force calculation and motion analysis of OC3 Hywind floating offshore wind turbine platform

1. 서 론

전 세계적으로 환경문제가 이슈화 되면서 녹색기술이 주목받고 있으며, 특히 바람을 에너지로 하는 풍력발전은 육·해상에서 빠른 성장 중이다. 해상풍력발전은 현재 얕은 수심에서 고정식 타입의 해상풍력발전기가 설치되고 있다. 이는 주로 개발되는 해상풍력발전단지의 수심이 50m이하로 낮아 고정식 하부구조물이 적합하기 때문이다. 해상풍력발전이 대형화와 양질의 바람을 찾아 원해로 나간다면 수심이 깊어져 지금의 고정식 보다는 부유식 하부구조물이 적합하게 된다. 이에 부유식 하부구조물의 풍력발전기에 대한 연구가 필요하다. 일반적으로 고정식 하부구조물로 설치되어 있는 풍력발전기의 성능을 평가하는 것은 출력성능, 하중, 소음, 전력품질 등이 있으며, 이들 4가지는 국제전기표준회의의 규격을 따른다. 그러나 풍력발전기가 부유식 하부구조물을 가진다면 성능을 평가하는데 있어 파랑 및 바람중의 운동성능이 추가되어야 한다. 운동성능은 풍력발전기의 출력에 영향을 미치는 중요한 인자이기 때문이다[8]. 이에 본 연구에서는 IEA Annex23 Subtask2 OC3 Project에서 수치해석결과 비교모델로 제안한 콘셉트모델인 5MW 스파타입의 부유식 풍력발전기의 운동해석을 수행하였다. 타 논문의 모형시험결과 및 수치해석 결과와의 비교를 통해 운동해석에 대한 결과를 확인하였고, 불규칙파 운동해석을 통해 얻을 수 있는 운동스펙트럼을 계산 하였으며 평균, 유의, 상위 1/10 평균파고 운동진폭을 확인하였다. 이 논문에서는 나셀과 블레이드의 영향은 무게조건으로만 고려하였다.

2. 해석 모델 및 조건

2.1 해석 모델

이번 연구의 해석모델은 NREL에서 개발한 5MW급 스파타입의 부유식 풍력발전기이다. 부유식 풍력발전기의 제원은 Table 1, Table 2 그리고 Figure 1과 같다[4]-[6].

Figure 1

5MW spar type floating offshore wind turbine

Table 1

Floating offshore wind turbine properties

Table 2

Mooring system properties

2.2 해석 조건

파의 방향은 0°도인 정면파(Head sea)이고 불규칙파는 IEC61400-3 Annex B의 JONSWAP 스펙트럼을 사용하였고 식 (1)과 같다.

해상상태에 따른 JONSWAP 스펙트럼에서의 조건은 Table 3과 같다.

Table 3

Condition of irregular wave

3. 해석 과정

수치해석은 ANSYS의 AQWA프로그램에서 LINE, LIBRIUM, FER, NAUT와 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 개발한 오픈소스코드인 FAST(Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence)를 이용하여 수행하였다.

4. 해석 결과

4.1 유체력

운동해석을 하기 전에 FAST와 AQWA의 RAO를 비교하기 위해서 FAST에 입력되는 유체력을 AQWA를 통해 계산하였으며, NREL에서 공개한 WAMIT으로 계산된 유체력과 비교하였다. Figure 2와 3에서 X1은 Surge방향을 X2는 Sway방향을 X3는 Heave방향을 X4는 Roll방향을 X5는 Pitch방향을 X6는 Yaw방향을 나타낸다. Figure 4에서 Figure 9까지 그림에서의 1~6의 숫자는 6자유도를 숫자로 표현한 것이다. 파강제력, 부가질량 그리고 감쇠까지 비교해본 결과 WAMIT으로 계산한 결과와 AQWA의 결과가 큰 차이는 나지 않는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 Heave방향 감쇠력이 작아 스파타입에서 나타날수 있는 Mathieu형 불안정성이 나타날 것으로 예상된다[1]. AQWA로 계산된 유체력은 FAST의 입력 자료로 사용하였다.

Figure 2

Translation mode wave exciting force

Figure 3

Rotation mode wave exciting force

Figure 4

Force-Translation mode added mass

Figure 5

Moment-Rotation mode added mass

Figure 6

Force-Rotation & Moment-Translation mode added mass

Figure 7

Force-Translation mode damping

Figure 8

Moment-Rotation mode damping

Figure 9

Force-Rotation & Moment-Translation mode damping

4.2 진동응답함수

부유식 구조물의 운동특성을 알아보기 위해 선박이나 해양구조물과 같은 부유체의 운동을 해석하는데 가장 기본이 되는 RAO를 계산하였다. RAO는 입사파에 따른 구조물의 운동을 진동수 영역에 나타낸다. 입사파는 모형시험결과와 수치해석결과 모두 정면파이므로 Sway와 Roll은 고려하지 않았다. RAO는 식 (4)와 같고 해석결과는 Figure 10 ~ 13과 같다.

Surge, Heave, Pitch방향에서 모형실험결과(Model test1,2,3)와 수치해석의 결과가 같은 경향을 보이고 대체로 비슷한 결과를 나타내는 것을 확인 할 수 있다[2]. 정면파에서 풍력발전기에 영향을 미칠 수 있는 운동으로는 Heave와 Pitch방향이 블레이드와 바람이 만나는 각도와 속도를 변화시킬 수 있으며 이 두 방향의 운동의 크기를 확인해 보면 0.2rad/s 부근이 공진 영역이라는 것을 확인 할 수 있으며, Table 3에서 파랑의 공진점과 비교했을때 공진점이 다른것을 확인할 수 있다.

Figure 10 ~ 13의 각 Case의 조건의 차이는 공통적인 Wave조건을 제외하고 Table 4와 같다.

Table 4

Analysis condition

Figure 10

Surge RAO

Figure 11

Heave RAO

Figure 12

Pitch RAO

Figure 13

Yaw RAO

4.3 Motion Spectrum

운동 스펙트럼은 실제 부유식 구조물이 설치될 해역의 파 스펙트럼을 기준으로 구조물의 진동응답함수를 이용해 식 (5)와 같이 계산할 수 있다. 이 논문에서는 북해를 기준으로 하여 JONSWAP 스펙트럼을 사용해 운동스펙트럼을 계산하였다. 계산결과는 풍력발전기 발전에 영향을 주는 Heave와 Pitch운동만 계산하였다. Figure 14 ~ 21은 그 결과를 나타낸다.

운동 스펙트럼에서 해상상태 7까지의 Y축은 모두 같은 크기이고, Figure 20 ~ 21은 10배 확대한 것이다.

운동스펙트럼을 보면 해상상태가 악화될수록 그 에너지의 크기가 확연히 커지는 것을 알 수 있는데 이는 JONSWAP 스펙트럼을 확인해보면 알 수 있다.

해상상태가 나빠질수록 Spectral Density의 정점이 커치고 진동수 대역이 조금씩 저주파 대역으로 이동하며 진동응답함수의 정점값에 점점 가까워지기 때문에 위와 같은 결과가 나타나는 것이다. Table 5는 운동스펙트럼결과를 이용해 식 (6), (7), (8)에 따라 운동의 진폭을 계산한 것이다[7].

Figure 14

Heave motion spectrum (Sea state 5)

Figure 15

Pitch motion spectrum (Sea state 5)

Figure 16

Heave motion spectrum (Sea state 6)

Figure 17

Pitch motion spectrum (Sea state 6)

Figure 18

Heave motion spectrum (Sea state 7)

Figure 19

Pitch motion spectrum (Sea state 7)

Figure 20

Heave motion spectrum (Sea state 8)

Figure 21

Pitch motion spectrum (Sea state 8)

Table 5

Motion according to Sea State using motion spectrum

부유식해상풍력발전기의 종동요 최대각은 약10deg를 넘어서면 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. Table 5의 결과를 확인하면 부유식해상풍력발전기의 종동요 최대각을 10deg 이하로 볼 때 이 모델은 해상상태 7까지는 발전이 가능한 상태임을 알 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 부유식 풍력발전기의 운동해석을 수행하였으며, 수행에 필요한 유체력 또한 계산하였다. 모형시험결과와 검증된 수치해석 프로그램을 통해 5MW급 스파타입의 부유식풍력발전기의 운동성능을 파악하여 이로부터 다음과 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 5MW급 스파형 부유식 풍력발전기의 진동응답함수의 경향을 확인하였다.

(2) 부유식해상풍력발전기의 종동요 최대각을 10deg로 할 경우 이 모델의 경우 해상상태7정도까지 발전이 가능한 것을 확인하였다.

(3) 진폭응답함수에서 Heave와 Pitch의 공진주파수는 0.2rad/s 부근으로 공진영역이 같은 것을 알 수 있다.

(4) 이 모델과 같은 원통형 스파형 하부구조물은 Heave와 Pitch의 공진주파수가 비슷하고 Heave방향 감쇠력이 작아 공진주파수 영역의 입사파에 의해서 상하운동이 증폭되면 종동요에 영향을 주는 Mathieu형 불안정성을 가질 수 도 있다.

(5) 해상상태에 따른 운동 스펙트럼을 확인하였다.

(6) 운동스펙트럼을 통해 불규칙파에서의 평균, 유의, 상위 1/10 평균파고 진폭을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 해양수산부의 해양청정에너지개발사업 "10MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템 개발 및 인프라 구축"의 지원으로 수행되었으며, 연구비 지원에 감사드립니다.

References

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