지속 가능한 신재생 에너지 분야에서 주목을 받아왔던 풍력발전이 해상풍력을 중심으로 급격하게 변모하고 있다. 유럽에서 뿐만 아니라 일본, 미국에서도 해상풍력을 적극 육성하는 방향으로 전환하여 대규모 단지 개발에 나서고 있으며, 우리나라 또한 [서남해 2.5GW해상 풍력 종합 추진 계획]을 발표하면서 국내 기업의 경쟁력 강화와 국내 기술의 수출 산업화를 위한 지원이 본격적으로 이루어지고 있다. 현재 세계 해상풍력 설치 용량은 유럽을 중심으로 3.55 GW 수준이지만 4.0 GW가 건설 중이고 승인된 계획도 15.9 GW에 이르고 있으며, 2030년까지 건설규모는 총 239 GW에 달할 것으로 전망된다고 한다[1][2].

이처럼 각국이 해상풍력에 적극적인 이유는 육상풍력에 비하여 대규모 단지 구성이 용이하고 바람의 질이 우수하며, 대형 풍력 발전기 부품 운송에 제약이 없는 등의 이점이 있기 때문이다.

특히 육상용 풍력발전 기초구조물에 비해 다양한 하중을 받는 해상용 풍력발전 하부구조물은 해양플랜트, 파력발전, 조력발전, 조류발전용 지지구조물과 마찬가지로 다양한 해양환경 조건에 대하여 전반적으로 높은 안정성의 확보가 요구되어 진다[3].

이에 본 연구에서는, 설치 지역의 해양환경 특성을 고려하여, 5MW 급 해상풍력발전 하부구조물의 설계방법을 제시하고 그 안전성을 고찰하여 관련기술 분야에 기여하고자 한다. 해상풍력발전 하부구조물은 수심과 지반 여건에 따라 일반적으로 Figure 1과 같이 Gravity type, Monopile type, Jacket type, Tripod type 등으로 나눌 수 있다[4].

Figure. 1: 
Type of Substructure

Gravity type은 말뚝이 불필요하고 강성이 우수한 장점이 있으나 바닥정리가 필요하고 설치 장비가 대형인 단점이 있다. Monopile type은 제작과 설치가 용이하고 기초 하부구조물 형태 중 가장 경제적이지만 대구경 말뚝으로 인한 환경문제(해양 지반을 굴착시 소음, 진동 문제)가 발생한다.

Tripod Type은 Monopile의 확장형으로 소구경 밀뚝을 사용하지만 제조비용이 증가하고 Anchor Pile이 필요한 단점이 있다.

Jacket Type은 자켓을 콘크리트 말뚝이나 쇠말뚝으로 해저에 고정하고 자켓구조물 위에 Pole, Turbine 등을 설치하는 형태로 설치수심은 20미터에서 80미터까지이며 우리나라 해상 풍력단지에 적합한 형태라 할 수 있다. 그러나 형상이 복잡하고 하부구조물 특성상반복하중에 의한 피로파괴 위험이 있어, 복합하중에 대한 검증이 철저하게 요구된다.

본 연구에서는 우리나라 해상 풍력단지에 적합한 형태인 Jacket type substructure의 설계 조건과 해양 환경 하중에 대한 하부구조물의 모델링과 구조해석을 진행하였다. 해양데이터 조사 및 분석을 통하여 해상환경을 고려한 통합 하중해석 결과를 ANSYS tool을 사용하여 해석하였으며, 최대하중에 대한 구조물의 안전성 평가를 실시하였다.

해상풍력발전기 지지구조물은 해상의 다양한 환경하중 조건 하에서 발전기의 수명이 지속되는 기간 동안 충분한 구조강도를 유지하여야 한다. 하중평가과정을 거쳐 산정된 하중케이스를 지지구조물에 적용한 뒤, 유한요소법을 응용한 상용프로그램(ANSYS)을 이용하여 지지구조물 중요 부위의 변위, 응력, 변형률, 피로수명 등의 평가를 수행하였다.

3.1. 해상 풍력 지지구조물 설계

대상 지지구조물 형식(Jacket Type)과 설계에서 5MW 급 Substructure의 Transition Piece 설계 초기값은 상온가공을 고려하여 t=80mm 기준으로 설계하였으나, 1차 해석결과 변형량이 크게 발생하여 100mm 로 재설계를 하였다.

Figure 2: 
Jacket Type Substructure

경간은 수심을 고려하여 2단으로 설계하였으며, 각단의 높이는 25 m를 기준으로 대수심에서 소켓방식으로 조립이 가능토록 하였으며, 2단 조립시 전체 높이는 50 m의 대수심까지 설치 할 수 있도록 설계 하였다.

3.2. 해상 풍력 지지구조물 해석

3.2.1. 해석 절차

해상풍력 지지구조물 해석을 위해서 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용한다. ANSYS Design Modeler를 이용하여 3D Beam 구조 모델링을 한 뒤, 하중에 대한 구조해석을 ANSYS Design Simulation으로 수행한다. ANSYS workbench의 BEAMCHECK 기능을 이용하여 “AISC WSD” Edition 9에 따른 unity check를 수행한다[12].

Figure 3: 
3D BEAM model

3.2.2. 경계 조건 및 방향별 하중 부과

해석을 진행시키기 위한 경계조건으로는 해저면에 닿는 4개 부분을 완전 고정하여 자유도를 구속시켰으며, 하중해석은 GH-BLADE에서 계산된 여러 하중 조합 중 가장 큰 하중을 x,y,z 방향별로 부가시켜 해석을 진행하였다. 하부구조물에 걸리는 방향별 하중부과 값과 하중 적용 방향은 Table 4, Figure 4와 같다.

Table 4: 
Load of each direction

구분	Fx	Fy	Fz
Load (kN)	-6760.4	1796.7	1741.6

Figure 4: 
Direction if total load

본 연구에서 적용한 해상 풍력 발전기 하부구조물의 중량 및 물성치는 Table 5에 나타내었다. 상부 구조물의 설계 적용하중은 total weight에 안전율 10%를 곱한 값으로 770톤을 적용시켰으며, 마찬가지로 Jacket type의 하부구조물 중량은 수치계산 후 660톤의 설계 하중을 적용시켰다[13].

Table 5: 
Weight and Properties of Structure

Wind Turbine
Item	Specification	Weight
Nacelle+Hub	20.0 × 6.0 × 6.0m	334.4 ton
	(L × B × H)
Blade	(67.0+1.0m/H) × 3Pcs	92.4 ton
Tower	71.8m (3Pcs)	340.2 ton
Total Weight	-	770.0 ton
Hub Ht.	100.0m above M.W.L
Rotor Dia	140.0 m
Substructure
Item	Specification	Weight
Transition Piece	6.0 × 9.9m	231.0 ton
Jacket	10.0 × 28.0m	429.0 ton
Jacket materials property of matter that applied to interpretation
Modulus of elasticity	200000 Mpa
Poisson’s ratio	0.3
Density	7.80E-06 kg/mm3

3.3. 해석 결과

3.3.1. 설계한 구조물 변위 해석

해석결과 적용 하중을 부분 별로 부가하여, Axial-Fx, SHEAR-Fy, SHEAR-Fz, TORQUE-Mx, MOMENT-My, MOMENT-Mz에 대하여 반복 수행한 결과 구조적으로 크게 변화가 없음을 보였다. 그리고 Combined Case(AXIAL-x, SHEAR-y, SHEAR-z, TORSION, BENDING, MAX SHEAR)에서도 허용응력에 대한 변위량이 1이내로써 안정성(stability)을 보였다.

Figure 5: 
Total Displacement (m)

설계 지지구조물에 작용하는 최대하중에 대한 구조물의 안전성 분석을 수행한 결과(ASAS　EXECUTION CONTROL OPTIONS）구조물의 변위발생은 설계조건에서 허용응력 355MPa이내로써 안정적임을 알 수 있다.

3.3.3. Code Check 해석결과

Figure 6: 
Stress distribution

다음은 AISC WSD Edition 9에 따른 Member unity check의 수행 결과를 Figure 7에 나타내었다.

Figure 7: 
Unit check results

이는 Table 6의 Ocean Environment를 적용시켜 Axial stress, Y-Bending stress, Z-Bending stress, Yield stress에 따른 check를 나타낸 것이다.

Table 6: 
Ocean Environment

Mean Water Level	6.73 m
Water Density	1025kg/m3
Tide Height	3.36 m
Surge Height	4.42 m
Wave Height	13.76 m
Wave Period	13.15 s

부가하중을 나타내는 Figure 7과 Table 6의 Ocean Environment를 구조해석에 적용시켜, 설계 지지구조물에 대하여 (a) Axial stress, (b) Y-Bending stress, (c) Z-Bending stress, (d) Buckling , (e) Yield stress에 따른 check를 수행한 결과, 지지구조물에 작용하는 굽힘 응력 모두 1이하의 값을 보임으로 구조적 안정성을 확보하였다고 볼 수 있겠으나, (b)에서와 같이 일부부재(해양환경 파력의 작용방향)에 대하여는 추가적인 보강이 필요함을 확인할 수 있었다.

1. ANSYS Workbensh을 이용하여 본 연구의 5MW급 해상풍력발전 시스템을 탑재하는 자켓 타입형 하부구조물의 최적 설계에 대한 해석 결과, 극한하중 경우에 대한 구조물은 변형량이 1이하로 나타났다. 이는 허용응력 설계법으로 분석 수행한 결과 안전성을 확보한 것으로 확인 되었다.

2. API WSD Edition21에 따른 Member unity check 수행하였으며 해석 결과 모두 1이하의 값을 보여 구조물은 하중조건에 대해 안전할 것으로 판단된다.

3. 본 연구 해석과정에서 지지구조물 구조적 고유진동수 범위에 있는 파랑 에너지가 구조물에 중요 동적반응을 야기하기에 충분한 크기로 나타나, 동적해석(Dynamic Analysis)을 고려하여야 함을 확인 하였다.

4. 하중의 변화가 큰 Gust case(DLC1.5, 1.6)에 대해 하중의 위상을 변화시켜 해석 수행 후, 각부재의 Member Unity check 결과 지지구조물의 구조적 안전성을 확인 하였다.

5. 본 연구에서 수행한 설계 또는 해석은 국내 연건에 적합한 해상풍력 하부구조물에 대한 동적해석기술의 근간이 되어 국내 기술의 신뢰성 확보의 계기가 될 수 있겠다.