https://oak.ulsan.ac.kr/handle/2021.oak/1091 2026-04-04T22:04:44Z https://oak.ulsan.ac.kr/handle/2021.oak/20048 Title: 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템 개발 및 해상풍력단지 적용에 따른 경제성 검토 Author(s): 유영재 Abstract: As the climate crisis intensifies, renewable energy sources are becoming essential for decarbonization, with wind power emerging as a leading alternative to traditional hydrocarbons. Floating offshore wind energy, unaffected by water depth limitations, facilitates the development of large-scale offshore wind farms with gigawatt (GW)-scale capacities, spanning tens of square kilometers. The application of ultra-large wind turbines has the potential to significantly enhance economic efficiency by reducing the required area for wind farms, driving a trend toward rapid turbine size escalation. Floating structures are well-suited as the foundation for such large turbines, underscoring the urgent need to develop floating offshore wind farms. Currently, plans are underway to establish floating offshore wind farms with a capacity exceeding 6 GW in capacity off the coast of Ulsan, South Korea. However, there remains a lack of sufficient reference studies to guide this development. This study focuses on developing a floater for a 10 MW-class floating offshore wind power system off the coast of Ulsan. It includes the design of a 1 GW offshore wind farm layout utilizing this system and an economic feasibility analysis of the proposed wind farm. In accordance with the International Electrotechnical Commission (IEC) standards, design load cases were selected, and the environmental conditions of the Ulsan offshore area were analyzed to estimate marine design loads. Based on these design conditions, a 10 MW-class floating offshore wind power system was developed. The upper structure of the 10 MW-class turbine was designed by scaling up specifications from the 5 MW-class turbines developed by the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL). For the floater, the OC4 semi-submersible model was scaled up to support the weight of the upper structure, and integrated load analyses were conducted to assess its performance. To ensure the reliability of the numerical analysis results, the integrated load analysis methods were validated through a scaled model test conducted at a 1:90 scale in a wave tank. The validated methods were applied to perform integrated load analyses for the developed 10 MW-class system under ultimate limit state (ULS) and accidental limit state (ALS) conditions, confirming that all design constraints were satisfied. Structural strength evaluations of the developed 10 MW-class floater were conducted, including an assessment of residual strength under collision scenarios with vessels. Structural reinforcement designs satisfying yield and buckling criteria were proposed based on the initial structural design. The collision damage analysis results were validated by comparison with drop impact test results. The validation was performed on both stringer-stiffened cylindrical models and unstiffened tubular models, demonstrating good agreement between experimental and numerical results, with a maximum error of 8%. Using the validated methods, collision damage analysis was conducted for the 10 MW-class floaters under accidental limit state conditions, confirming that residual strength decreased by approximately 33 % compared to the undamaged state. Based on the developed system, the economic feasibility of a 1 GW-class floating offshore wind farm off the coast of Ulsan was analyzed. Layout designs and system configurations for the wind farm were developed. Annual energy production was calculated using validated wind speed data derived from measurements, and energy production was compared based on turbine spacing distances. Life-cycle costs for the offshore wind farm were calculated, and the levelized cost of energy (LCOE) was determined. The analysis showed that the wind farm could achieve economic viability, with an initial capital recovery period ranging from 10 to 15 years, depending on the cost composition. In conclusion, this study successfully developed a 10 MW-class floating offshore wind power system and demonstrated the economic feasibility of a 1 GW-class floating offshore wind farm utilizing the designed system.|기후위기가 본격화된 지금 탈탄소를 위한 신재생에너지는 필수적이며 기존 탄화수소를 대체하는 데 풍력발전의 역할이 주요한 대안으로 떠오르고 있다. 부유식 해상풍력발전은 수심의 제한이 없어서 수십 km 규모의 GW급 해상풍력단지 개발이 가능하다. 또한 초대 형 풍력발전기를 적용하면 단지면적을 줄여서 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있으므로 최근 풍력발전기는 급속도로 대형화가 진행되는 추세이다. 이러한 초대형 풍력발전기의 기 초로는 부유체가 적합하며 부유식 해상풍력단지의 개발이 절실히 필요하다. 현재 울산 앞 바다에는 6 GW 이상의 부유식 해상풍력단지 설치가 계획되어 있으나 개발을 위한 참고 연 구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 울산 앞바다를 대상으로 10 MW급 부유식 해상풍력 발전시스템의 부유체 개발과 이를 적용한 1 GW 해상풍력단지의 배치 설계 및 이에 대한 경제성 검토를 수행해보았다. 본 연구에서는 IEC 국제표준을 준용하여 설계하중조건의 선정과 울산 앞바다의 환경 조 건을 분석하여 해상설계 외력을 산정하였다. 설계 조건을 적용하여 10 MW급 부유식 해상 풍력시스템의 개발을 수행하였으며 10 MW급 터빈의 상부구조물은 미국재생에너지연구소 (NREL)의 5 MW급 터빈 상부구조물 제원으로부터 확장설계를 수행하였다. 부유체는 상부 구조물의 무게로부터 OC4 반잠수식 모델을 확장하여 설계하였으며 성능 검토를 위해 통합 하중해석을 수행하였다. 수치해석 결과의 신뢰도를 확보하기위해 1:90 축소 모형의 수조 모형시험 결과로부터 통합하중해석 기법의 검증을 수행하였다. 검증된 기법을 적용하여 개 발된 10 MW급 시스템의 극한한계상태(ULS)와 사고한계상태(ALS)에서의 통합하중해석을 수행하였으며 결과로부터 설계제약조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다. 개발된 10 MW 급 부유체의 구조강도를 평가해보았으며 이와 함께 본 연구에서는 선박과 충돌로 인한 사 고한계상태를 반영하여 잔류강도의 감소를 확인해보았다. 초기 구조설계에 대한 구조강도 평가를 수행하였으며 항복(Yield)과 좌굴(Buckling) 평가기준을 만족하는 구조보강 설계안 을 도출하였다. 충돌 수치해석 결과의 신뢰도를 확보하기위해 위해 낙하 충격시험 결과와 충돌 손상 해석 기법의 검증을 수행하였다. 검증은 종늑골 보강 원통(Stringer-Stiffened Column)과 비보강 원통(Unstiffened Tubular) 모델에 대하여 수행하였으며 최대 8 % 오 차로 충격 실험과 수치해석 결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다. 검증된 기법을 적용하여 사고한계상태를 고려한 10 MW급 부유체와 선박의 충돌 손상해석을 수행하였다. 최종적으 로 손상된 부유체의 잔류강도를 확인하였으며 손상이 없는 상태보다 잔류강도가 33 % 정도 감소하는 것을 확인하였다. 설계된 시스템을 적용하여 울산 앞바다를 대상으로 1 GW급 부 유식 해상풍력단지의 경제성 검토를 하였으며 이를 위해 단지의 계통 구성 및 레이아웃 설 계를 수행하였다. 실측 자료와 검증을 마친 재해석 풍속 자료로부터 연간 발전량을 평가하 였으며 이격거리에 따른 발전량을 비교하였다. 해상풍력단지의 생애 주기에 걸친 발생 비 용을 산출하였으며 이로부터 균등화발전비용을 확인하였다. 결과로부터 1 GW급 해상풍력단 지의 경제성 평가를 수행하였으며 발생 비용 구성에 따라 10년에서 15년사이의 초기자본지 출 회수기간일 때 경제성을 가지는 것으로 확인되었다. 최종적으로 본 연구를 통해 10 MW 급 부유식 해상풍력발전 시스템의 설계와 이를 적용한 1 GW급 해상풍력단지의 경제성을 확인하였다. 2024-12-31T15:00:00Z https://oak.ulsan.ac.kr/handle/2021.oak/9828 Title: ‘Bladed’를 이용한 5MW 부유식 해상풍력발전시스템의 하중해석 검토 Author(s): 허준 Abstract: 2015년 파리기후협정 이후 전세계적으로 현재까지 제도적 기반 강화를 통 해 탄소중립을 위한 노력을 보이고 있다. 한국 정부도 이에 맞추어 탄소 중립 추진 전략으로 ‘3+1’전략을 제시했다. 본 논문의 목적은 해상풍력 발전단지 설계 시 해상환경조건을 고려하여 적합한 해상풍력발전시스템, 특히 최적 부유체를 개발하는 것이다. 이를 위해 Bladed 해석을 통하여 프로그램의 이론과 구조를 이해하고자 노력하였다. 5MW NREL Semi-submersible 부유식 해상풍력발전시스템을 Bladed 모델에 적용하고, 가장 기본적인 정상운전 조건과 정지(Idling) 조건에 대하여 해석을 수행하였으며 아울러 모델에 대한 검증과결과를 검토하였다. 부유식 해상풍력발전에 대한 기술표준은 IEC TS 61400-3-2이며 육상풍력발전시스템에 대한 표준 IEC 61400-1과 고정식 해상풍력발전에 대한 표준 IEC 61400-3-1을 준용한다. 이를 적용하여 NREL 5MW 부유식 해상풍력발전시스템에 대하여 통합 연성해석 프로그램인 Bladed를 사용하여 하중 조건에 대한 통합해석을 실시하였으며, 검증차원에서 규칙파에 대한 부유체의 응답특성(RAO)에 대한 해석을 추가하여 기존 결과와 비교하였다. 2021-12-31T15:00:00Z