지속적인 화석연료 사용으로 인한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해 국내에서는 태양광과 풍력을 중심으로 에너지원을 구성할 예정이다.

특히 풍력발전의 경우 육상의 한정된 풍자원과 소음문제를 해결하기 위한 방안으로 해상에 대규모의 발전단지를 조성하는 해상 풍력발전 방안이 주목받고 있으며, 최근 정부의 해상풍력단지 실증화사업의 일환으로 서남해권 해상풍력단지가 조성될 예정이다.

하지만 해상의 경우 육상에 비해 상대적으로 환경적 요소의 영향이 크기 때문에 작업성이 떨어지며, 이를 보완하기 위해 잭업(Jack-up) 장치를 보유한 선박 등을 이용하여 파도의 영향을 최소화하여 작업성을 확보한다. 바람의 영향을 최소화하는 방법으로는 화물 배치의 최적화 방법이 있으며, 이런 최적화를 평가하는 방법으로는 풍동(Wind Tunnel) 설비를 이용하는 실험적 방법, 경험식(Empirical formula)을 이용하는 방법 그리고 수치 시뮬레이션을 이용하는 방법 등이 있다.

실험적 방법[1]-[3]을 통한 풍하중 계수의 산출 방법은 상대적으로 정확도는 높지만 경제적 단점이 있으며, 경험식을 이용한 방법[4][5]은 정형화된 형태의 일반 상선에 적용하기에 적합하지만 특수한 형상의 경우 적용에 어려움이 있다. 수치 시뮬레이션을 이용한 방법[6][7]은 최근 실험을 대체하기 위한 수단으로 다양한 분야에서 적용되고 있다.

본 연구에서는 화물 배치 시 풍하중 고려 여부의 필요성에 대한 연구로 서로 다른 2가지 배치 방법에 대하여 수치 시뮬레이션을 수행하여 풍하중 영향을 평가하였다.

통상적으로 해상용 풍력발전기는 타워, 나쎌, 허브 그리고 블레이드의 4부분으로 분리되어 설치지역까지 운반하며, 운반 후 해상에서 조립하고 있다. 이 때 타워의 경우 작업 방법에 따라 여러 부분으로 분리되어 운반된다. 따라서 바지선의 한정된 적재공간을 효율적으로 이용하며, 안정적으로 운반하기 위해서 별도의 고박 장치 등이 요구된다.

Figure 1은 해상풍력발전기의 타워를 고박하여 안정적, 효율적으로 운반하기 위해 고안된 고박장치의 일종인 가이드 프레임으로 유압 장치를 이용하여 타워를 고정하는 방식의 구조물이다. 이런 가이드 프레임은 운반용 바지선 선체와 용접으로 고정되기 때문에 위치를 변경하기가 어렵다. 따라서 초기 설치 시 작업성 및 편의성을 고려하여 최적의 위치를 선정하여 것이 필요하다.

Figure 1: 
3-D modeling of Guide frame

본 연구에서는 Figure 2, Table 1과 같이 76m 바지선을 이용하여 한번에 2기의 해상풍력발전기를 동시에 운반하는 경우를 고려하였으며, 이 때 타워는 3부분으로 나누어 운반하는 것을 가정하였다. 따라서 바지선에는 총 가이드 프레임 6개, 타워 6개, 나쎌 3개, 허브 3개 그리고 6개의 블레이드가 적재된다.

Figure 2: 
Geometry of 76m class barge

각각의 구조물의 배치는 작업성과 블레이드의 길이를 고려하여 블레이드를 바지선의 선수쪽으로 배치하여 나쎌과 허브의 적재 공간을 고려하였으며, 가이드 프레임의 경우 Figure 3과 같이 바지선의 우현(Starboard)과 중앙에 배치하는 2가지 경우를 고려하였다. 이 때 각각의 풍압면적은 Table 2와 같다. Figure 3 (a)는 선하역 작업시 작업성을 고려하여 가이드 프레임을 우현에 배치한 경우이며, Figure 3 (b)는 가이드 프레임을 중앙에 배치한 경우이다.

Figure 3: 
Arrangement of Guide frame

본 연구에서는 해상풍력발전기의 타워를 안전하고 효율적으로 운반하기 위해 개발된 가이드 프레임의 배치에 관한 연구로 수치 시뮬레이션 방법을 이용하여 풍하중의 영향을 평가해 보았다.

해상풍력발전기는 블레이드, 나쎌, 허브 그리고 타워로 분리되어 76m급 바지선에 한번에 2기가 동시에 운반되는 경우를 고려하였으며, 이 때 타워는 3부분으로 분리되어 운반하는 것으로 가정하였다. 그리고 가이드 프레임의 배치는 가이드 프레임을 우현(A)과 중앙(B)에 배치한 서로 다른 2가지 배치 방법을 고려하였다.

수치 시뮬레이션 결과 2가지 배치안이 풍향에 따라 차이를 보이고 있으며, 배치안 A는 ± 45°, ± 90°, 135°, 180° 조건에서, 배치안 B는 0°, - 135° 조건에서 좋은 결과를 보이고 있다.

이처럼 풍향조건에 따라 각각의 배치안이 서로 다른 결과를 보이고 있으며, 풍하중 영향을 줄이기 위해 해상 풍력발전기를 운반 시 다양한 배치안에 대한 검토가 필요할 것이다. 또한 해상풍력발전기가 운반 및 설치될 지역의 환경조건을 고려하여 가이드 프레임의 위치를 결정하는 합당할 것으로 사료되며, 해상풍력발전기설치 작업 시 바람의 영향을 최소화하는 방향으로 바지선을 배치하는 등의 노력이 필요할 것이다.