10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 동적응답 연구

Abstract

정부는 그동안 탈원전·저탄소를 목표로 꾸준히 신재생에너지 정책을 추진한데 이어 2020년에는 ‘2050 탄소중립’ 선언과 더불어 한국판 뉴딜의 일환인 ‘그린뉴딜’ 추진을 공식화하였다. 재생에너지 보급을 가속화하기 위하여 육상풍력보다 설치공간의 제약 등에 유리한 해상풍력발전에 대한 연구가 활발해지고 있다. 풍력발전시스템은 대형화될수록 균등화발전원가(LCOE)가 낮아지기 때문에 더 경제적인 풍력발전이 가능하다. 이미 해외에서는 10MW급 이상의 대형 풍력발전시스템에 대한 개발이 적극적으로 진행되고 있지만, 국내에서 개발 중인 최대 용량의 풍력발전기는 2020년에 초기 개발된 유니슨의 10MW급이다. 세계 풍력시장에 발맞추기 위해서는 국내에서도 10MW급 이상의 대형 풍력발전시스템에 대한 개발이 활발하게 이루어져야 하며, 이는 해외 선진사와의 기술격차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 아직 자생력을 갖추지 못한 국내 풍력시장의 큰 동력이 될 수 있을 것이다. 본 연구의 목적은 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 모델링, 하중, 역학 등에 대한 통찰력을 제공하고, 또한 모형시험과 수치해석 등을 통하여 설계를 개선하는 데 도움이 되는 정보를 제공하기 위한 것이다. 첫 번째는 풍력발전시스템을 구성하는 부품들의 특성을 고려하여 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템을 설계하였다. 이는 블레이드의 처짐, 타워의 공진주파수 회피 등을 검증하면서 제원의 타당성을 확인하였다. 두 번째는 극한하중해석과 피로하중해석을 수행하였다. IEC61400-3-2은 해상풍력발전시스템을 설계할 때 구조적 충실도를 확인하기 위하여 수많은 설계하중조건들을 수행하도록 규정하며, 각 설계하중조건의 결과는 결합되고 분석되어 풍력발전시스템 수명동안 예상되는 극한 및 피로하중을 결정하였다. 세 번째는 설계된 전체 시스템에 울산의 해상환경조건을 고려하여 모형시험을 수행하였다. 다양한 조건에서 발생하는 현상들에 대한 역학적인 특성을 규명하였고, 모형시험과 수치해석의 결과 비교를 통해 전체 시스템의 동적응답뿐만 아니라 모형시험 또는 수치해석에서의 한계 및 극복 방법 등을 제시하였다. 네 번째는 부유체의 최적화를 수행하였다. 최적화의 목표는 부유체의 강재질량, 부유체의 응답 및 너셀 가속도를 최소로 하는 것이다. 파레토 분석법을 이용하였고, 최적화된 부유체의 응답이 설계제약조건을 만족하는지를 확인하였다.