공학석사학위논문 해상풍력발전기타워구조설계를위한파랑하중생성 프로그램개발 Development of Wave Loading Generation Program for Tower Design of Offshore Wind Turbines 2012 년 2 월 인하대학교대학원 조

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승민 낭
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2 공학석사학위논문 해상풍력발전기타워구조설계를위한파랑하중생성 프로그램개발 Development of Wave Loading Generation Program for Tower Design of Offshore Wind Turbines 2012 년 2 월 인하대학교대학원 조선해양공학과 남지명

3 공학석사학위논문 해상풍력발전기타워구조설계를위한파랑하중생성 프로그램개발 Development of Wave Loading Generation Program for Tower Design of Offshore Wind Turbines 2012 년 2 월 지도교수정준모 이논문을석사학위논문으로제출함 인하대학교대학원 조선해양공학과 남지명

5 요약 This paper explains the basic theory of wave for generation of wave loading on the tower structures of offshore wind turbines and introduces new development of wave loading program. For simple application examples with vertically straight and slanted monopiles, the calculation results from new program are compared with ones from Wajac which is a module of Sesam of DNV. It is concluded that new program shows very good performance to produce wave loadings acting on the slender submerged members. Since the new program provides direct interfaces with commercial FEA such as Nastran BDF and Abaqus INP formats, it can dramatically reduce design period and user-inconveniences. i

6 목차 요약...1 목차... ii 그림목차... iii 표목차... iv 1 서론 ( 연구배경 ) 연구의배경및목적 연구의목적 환경하중의적용 파랑하중 (Wave Load) 규칙파랑의모형 (Regular Wave) 선형파 (Airy) 이론 (Linear Wave Theory) 비선형파 (Stokes 5th) 이론 Solitary파이론 불규칙파랑의모형 파스펙트럼 수정 P-M 스펙트럼 JONSWAP 스펙트럼 해양생물 (Marine Growth) 파랑하중 모리슨공식 파랑하중프로그램개발 모노파일에작용하는파랑하중해석 Modeling 주요제원 파랑하중비교 결론...40 참고문헌...42 감사의글...43 ii

7 그림목차 Fig. 1 Installation capacity estimation of offshore wind turbine (EWEA, 2009) Fig. 2 Installation capacity and generation power in domestic ( 한국풍력산업협회, 2011) Fig. 3 Installation cost distribution of onshore wind turbine Fig. 4 Installation cost distribution of offhore wind turbine Fig. 5 Sub-structure type of fixed offshore wind turbine Fig. 6 Share of substructure for online wind farms Fig. 7 Load conditions of offshore wind turbine Fig. 8 Sinusoidal Wave Fig. 9 JONSWAP spectrum Fig. 10 Range of application of wave theories Fig. 11 Vertical wave load profile acting on a slender monopole Fig. 12 Variation of inertia coefficient Fig. 13 Variation of drag coefficient Fig. 14 GUI for dynamic wave loading generation Fig. 15 Example of velocity and acceleration file Fig. 16 Example of force file Fig. 17 Straight monopile modeling Fig. 18 Inclined monopile modelling Fig. 19 Comparison of wave loading histories using linear wave theory Fig. 20 Comparison of wave loading histories using non-linear wave theory iii

8 표목차 Table 1. Summary of linear(airy) wave theory characteristics Table 2 Thickness of marine growth a (DNV, 2007) Table 3 Principal dimensions of the monopile Table 4 Design load case iv

9 1 서론 ( 연구배경 ) 1.1 연구의배경및목적 화석연료의고갈과유가상승으로인하여에너지문제가대두되면서최근신재생에너지가각광받고있다. 신재생에너지로는태양광, 태양열, 풍력, 조력, 연료전지, 지열등이있으며전세계적으로기후변화및환경문제해결을위해국가별신재생에너지개발과보급에주력하고있다. 여러가지재생가능한대체에너지자원중에풍력발전이가장빠르게상업화되고성장하고있는기술분야이며온실가스로인한지구온난화문제에능동적으로대처할수있는기술이다. 초기풍력발전시장은육상풍력발전을위주로발달하였으나, 터빈의대형화, 소음 진동, 장소의제한, 기타여러가지문제로인해해상풍력발전이새로운대안으로각광받고있다. 특히우리나라는삼면이바다인지리적특성으로인하여풍부한해상자원을보유하고있어해상풍력발전분야에서큰경쟁력을확보할수있을것으로예상되고있다. 2010년기준전세계적으로 1.3GW의해상풍력발전기가설치되어있다. 전체용량중유럽에만약 1GW가설치되어있어전체해상풍력시장의 80% 정도를점유하고있는실정이다. 2015년까지해상풍력시장은유럽을중심으로성장할전망이며, 2012년부터중국중심으로아시아지역에서도해상풍력시장이형성될전망이다. 미국과중국의경우현재까지설치규모면에서유럽에뒤지나성장성측면에서는능가할것으로 1

10 전망되고있다. 유럽풍력에너지협회 (EWEA) 에의하면 2009 년해상풍력누적설비용량 은금융위기에도불구하고 29.2% 증가한 1,901MW 를기록하였으며 2020 년에는 40,000MW 로증가할것으로전망하고있다 (Fig. 1 참조 ). Fig. 1 Installation capacity estimation of offshore wind turbine (EWEA, 2009) 국내의경우에는 2010년기준으로풍력발전량은총발전량의 0.176% 에불과하며, 해상풍력발전산업은초기단계에있지만, 정부주도의 저탄소녹생성장 정책을통하여해상풍력산업의발전기획안을마련하고있다. 2012년부터는발전차액지원제 (FIT, feed in tariff) 가폐지되고신 재생에너지의무할당제 (RPS, renewable photopolio standard) 를시행한다. RPS는에너지사업자에게공급량의일정비율을신 재생에너지로의무화한 2

2는 2000년부터 2010년까지국내에설치된풍력발전기의설치용량및발전량을나타내고있다. Fig.

11 것으로향후국내신 재생에너지산업의보급및확대에변화를일으킬것으로예상된다. 이러한정책에발맞추어정부는 2010년이후향후 9년동안 82억불의투자를통해 2.5GW 이상의해상풍력단지를개발할것으로전망되고있으며풍력산업계에서는 2030년까지 23GW(50TWh 발전용량 ) 설치를통하여전력에너지수요량의 10% 를풍력발전이분담하는것을목표로하고있다. Fig. 2는 2000년부터 2010년까지국내에설치된풍력발전기의설치용량및발전량을나타내고있다. Fig. 2 Installation capacity and generation power in domestic ( 한국풍력산업협회, 2011) 풍력발전은블레이드의공력특성을이용하여바람의운동에너지를회전에너지로바꾼후, 이회전에너지를발전기에서전기에너지로변화시키는장치로그설치위치에따라육상풍력발전과해상풍력발전으로나눌수있다. 풍력시장의대부분을차지하고있는육상풍력은해상풍력에비하여풍황이좋은입지가한정적이고태양과발전에비 3

12 해넓은면적을필요로한다. 그리고블레이드회전으로인한소음이발생하여이로인한해당지역주민들과마찰이발생한다. 이러한문제점으로인하여최근육상풍력보다토지이용의제약으로부터벗어나고주민과의마찰을줄일수있는해상풍력발전사업이전세계적으로추진되고있다. 해상풍력발전의경우육상풍력발전에비해바람의세기가균일하고고풍력에너지밀도를가지뿐만아니라, 소음문제및입지제한에있어서도보다자유롭고소음, 전자파장해, 경관영향등이적기때문에민원발생을감소시킬수있다. 뿐만아니라발전단가측면에서화력, 원자력등기존에너지원에가장근접해있는기술로서해상풍력의송전라인을이용하여인근해양의파력, 조력등다른에너지원의추가개발이가능하여다른해양에너지원개발에직접기여할수있어, 선진외국에서도비상한관심을보이는분야중하나이다. 하지만해상풍력발전을위해선초기설치시고가의비용이발생하고, 육상풍력에비해조류나강한파랑등의해양환경하중을받고있는문제를가지고있다. 하지만육상풍력에비해해상의강한바람으로높은발전량을확보할수있는장점이있다. 해상풍력발전은해상에구조물을설치해야하기때문에육상풍력대비약 2배정도의설치비용이발생한다. 육상풍력발전은발전기터빈이사업비의대부분을차지하지만해상풍력발전의경우터빈의비중이상대적으로낮고해상기초구조물, 타워및케이블시공등의비중이상대적으로높다. 그중하부구조물은시공가능여부에따라해상풍력의사업비및개발량을결정짓기때문에기술개발이매우중요하다. Fig. 3과 4

13 Fig. 4 는육상풍력과해상풍력의설치비용분포를나타내고있다. Fig. 3 Installation cost distribution of onshore wind turbine Fig. 4 Installation cost distribution of offhore wind turbine 해상풍력발전의경우육상풍력발전과는달리해상에설치하기위해서지지구조물을 5

(jacket type) 등고정식기초형식은 50m 이내의낮은수심에적용이되며, 그이상은부유식기초가적용된다.

현재의기술개발수준으로는수심이 10~30m 해역에설치되는비중이절반을넘고있다.

14 설치해야하는데수심에따라적용되는유형이다르다. 중력식 (gravity type), 모노 파일형 (monopile type), 삼발이형 (tripod type), 자켓형 (jacket type) 등고정식기초형식은 50m 이내의낮은수심에적용이되며, 그이상은부유식기초가적용된다. 그러나부유식의경우기술개발수준이낮아시공사례가많지않은실정이다. 현재의기술개발수준으로는수심이 10~30m 해역에설치되는비중이절반을넘고있다. 비교적얕은수심 6~10m에서는중력식이비교적많이사용되고있으며, 수심 25~30m 이내에서는모노파일형이맣이사용되고있다. 모노파일의경우대단위단지의경우경제성이좋은것으로연구되고있다. 그러나부재에대한피로하중으로인하여부식에대한문제점을가지고있어심해상에설치하는것은무리가있는방식이다. 그이외의방식으로는자켓형이있는데주로수심 20~80m로대수심대수심해양의구조물로서사용되고있다 Fig. 5는고정해상풍력발전기의구조형식을나타내고있다. (a) Gravity (b) Monopile (c) Tripod (d) Jacket Fig. 5 Sub-structure type of fixed offshore wind turbine 6

15 전세계적으로고정식해상풍력발전기기초구조물로서고정식인모노파일, 삼발이형, 자켓형등이이용되고있는데그중모노파일형구조는 65.2% 를차지할정도로널리이용되고있으며그다음으로중력식구조물이많이사용되고있는형식이다 (Fig. 6 참조 ). Fig. 6 Share of substructure for online wind farms 7

16 1.2 연구의목적 파도의유동 (kinematic flow) 은주로수심에따라정의되는데, 이는수심에따라서파형 (wave profile) 이주로결정되기때문이다. 그래서많은연구자들이파이론을제안한바있으며, 파형이완전한정현파형태를가지는선형파이론 (linear wave theory 또는 Airy wave theory) 은 Airy(1842) 에의하여제안되었고파고가파장이나수심보다매우작은해역에적당하다. 선형파를제외한다른모든파이론은비선형파이론의범주에속하며, Stokes 파이론 (stokes, 1847) 은선형파형에고차항을포함한파형을가지며, 자유표면에서비선형경계조건을만족시키기때문에, 발달중인파 (developing sea) 에적당한것으로알려져있다. 해양플랜트의설계를위해서는 5차 Stokes 파이론 (skjelbreia and hendrickson, 1961) 을많이적용한다. 그외에도천해에서적합한것으로알려진 cnoidal 파이론과지진해일에적합한것으로알려진 Solitary 파이론등많은파이론이연구되었지만, 본논문에서는선형파이론과 Stokes 5차파이론을적용한사례를소개하고자한다. 일반적으로적용하고있는파에너지스펙트럼의종류를살펴보면, 단봉 (one peak) 형태의스펙트럼으로서수정 P-M 스펙트럼 (modified Pierson-Moskowitz spectrum) 과 JONSWAP 스펙트럼 (joint North Sea wave project) 이있으며, 다봉 (multi peak) 형태의스퍽트럼으로서 Ochi-Hubble 스펙트럼등이있다. 완전히성장한풍파 (fully developed wind sea) 에대하여는수정 P-M 스펙트럼 (modified Pierson-Moskowitz spectrum) 이비교적적당 8

17 하며, 발달중인풍파 (developing wind sea) 에대하여는 JONSWAP 스펙트럼이적절한것으로알려져있으므로, 본논문에서는수정P-M스펙트럼과 JONSWAP 스펙트럼을적용한사례를모두소개하고자한다. 해상풍력은육상풍력과달리파도와조류에의한하중을받고있기때문에구조물에작용하는파랑하중을산정하기위하여본논문에서는 DNV Sesam Package의 Wajac 모듈을이용하여해상풍력발전타워중하나인모노파일형식에대해서스펙트럼의종류및파이론의종류에따른파랑하중의크기를비교분석하였다. 9

18 2 환경하중의적용 해상용풍력발전기의경우육상용풍력발전기와는달리운전에영향을끼치는환경및전기적조건들의영향을고려해야한다. 따라서안전및신뢰성확보를위해환경적요소들인파도, 조류, 기후조건, 온도, 염분, 해양생물, 빙산, 선박과의충돌등해상에서발생하는수많은조건들이설계에고려되어야한다. Fig. 7은해상풍력발전기에작용하는환경적조건들을도시적으로표현하고있다. Fig. 7 Load conditions of offshore wind turbine. 10

19 2.1 파랑하중 (Wave Load) 파랑의파형은시공간적으로규칙적인파동을보이는규칙파 (regular wave) 와바다에서흔히볼수있듯이시공간적으로불규칙적인불규칙파 (irregular wave) 로분류할수있다. 불규칙파는파고, 파주기, 위상등이다른여러개의규칙파가중첩되어있는것이다. 또한파랑이진행되고있는여부에따라진행파 (progressive waves) 와임의의지점에서수면이상하운동만을하는정상파 (standing waves) 로나눌수있다. 해저에고정되는고정식해상풍력발전기의경우, 모노파일형, 자켓형, 삼발이형등으로나뉘어진다. 이러한고정식구조물은부재의치수 ( 지름또는단면길이 ) 가파장에비하여현저히작으며, 이러한경우부재에작용하는파랑입자가산란 (diffraction) 되지않고구조물을통과한다고가정한다. 이렇게세장한부재를유체동역학적으로투명체 (hydrodynamically transparent structure) 라고부르기도한다. 이러한세장체의경우산란 (diffraction) 및반사 (radiation) 효과를무시할수있으며, 따라서파입자 (wave particle) 의속도및가속도만알수있다면모리슨공식 (Morison formula) 을이용하여항력과관성력의합력으로파랑하중을계산할수있다. 11

평균수면 (SWL, still water level) 으로부터파정까지거리와파저까지의거리를진폭 (α) 이라하는데선형파에서는그거리가같다.

20 2.2 규칙파랑의모형 (Regular Wave) (a) (b) Fig. 8 Sinusoidal Wave. Fig. 8 (a) 는임의의시간에거리 x를함수로하는파랑의모형을나타내고있으며 Fig. 8 (b) 는임의의한위치에서시간 t를함수로하는파랑의모형을나타내고있다. 파형중가장높은지점을파정 (crest) 이라고하며, 가장낮은지점을파저 (trought) 라한다. 평균수면 (SWL, still water level) 으로부터파정까지거리와파저까지의거리를진폭 (α) 이라하는데선형파에서는그거리가같다. 파고 (h) 는파저로부터인접한파정까지의수직거리또는파정으로터인접한파저까지의수직거리를의미한다. 그이외의두개의연속된파정또는파저의수평거리를파장 (λ, wave length) 이라하며, 임의의고정된점에서두개의연속되는교차점사이의시간간격을주기 (T) 라한다. 식 (1) 은원주파수 (), 식 (2) 는파수 () 를나타내며, 식 (3) 은파속 (C) 를나타낸다. 12

21 = 2 (1) = 2 (2) = = / (3) 선형파 (Airy) 이론 (Linear Wave Theory) 실제의파를기술하기위해서는복잡성이나정확성에따라몇가지이론이존재하지만가장간단하고일반적으로유용한이론은 Airy(1845) 가발표한미소진폭파이론 (small amplitude wave theory) 이다. 이선형파이론은파의진폭이파장과수심에비해비교적작다고가정하며, 경계조건에서근사적으로 z = ζ = 0이성립되며, 또한파형은횡방향 (y방향) 으로는변화되지않는다. 이와같은속도포텐셜은 Laplace 방정식으로부터식 (4) 를얻을수있다. + = 0 (4) 위식은해저면과자유해면에서경계조건을만족시켜야한다. = = 0 = (5) 여기서 w 는속도벡터의 z 방향성분이다. 운동학적, 동적자유표면조건은선형항만 13

22 고려되며식 (6) 및 (7) 과같이얻어진다. = 0 (6) + = 0 at z= = 0 (7) 여기서 는표면형상이다. 이두식을요약하면선형화되고일반화되어진자유표면 조건이얻어진다. + = 0 = = 0 (8) 이에대한해를구하기위하여이포텐셜을각각하나의변수를갖는세항의곱으 로표현하면식 (9) 와같이표현할수있다. (,, ) = () () () (9) 위식을 Laplace 미분방정식에대입하고식 (5) 와 (8) 의경계조건을고려하여계산하 면변수 x 와 t 에대한조화함수인속도포텐셜에대한해를식 (10) 과같이얻게된다. 14

23 = = h( + ) ( ) h h( + ) ( ) h (10) 여기서에원진동수와파수는식 (11) 과식 (12) 와같이나타낸다. = 2 (11) = 2 (12) Cauchy-Riemann 방정식을이용하면유동함수가식 (13) 과같이산정된다. = = h( + ) h ( ) h( + ) ( ) h (13) 포텐셜과성형화된자유표면조건에서자유수면의윤관인파형은식 (14) 과같이 주어진다. (, ) = ( ) 2 (14) 15

24 위상 = 가항상일정하게머물수있는속도로함께움직이기때문에파형 이변화되지않는다. 즉, dθ = κdx ωdt = 0 이성립되며여기에서위상속도가얻어진 다. 식 (15) ~ (18) 는파랑입자의수평 / 수직속도성분 (u, v) 과가속도성분 (u, v ) 을나타내 고있다. (, ) = 2 (, ) = 2 h(( + )) ( ) (15) h h(( + )) h ( ) (16) (, ) = h(( + )) ( ) (17) 2 h (, ) = 2 h(( + )) ( ) (18) h 위의식들은식 (19) 의분산성관계를만족해야하는데, 이는자유표면의조건에 2 차원 규칙파의속도퍼텐셜을나타내는식을대입하여구해진조건이다. = tanh( ) (19) 여기서 g : 중력가속도 (9.8m/s 2 ) Table 1 은수심별선형파이론에대한파의특성치를나타내고있다. 16

25 Table 1. Summary of linear(airy) wave theory characteristics Shallow Water Transitional Water Deep Water Relative Depth < < < 1 2 > Wave profile Same As > = = 2 < Same As 2. Wave celerity = = = = 2 h 2 = = 3. Wave length = = = 2 h 2 = = 2 = 4. Wave particle velocity (a) Horizontal () (b) Vertical () 5. Wave particle accelerations (a) Horizontal( ) (b) Vertical( ) 6. Water Particle displacements (a) Horizontal () (b) Vertical () 7. Subsurface pressure = 2 = 1 + = = 2 + = 4 = = ( ) = 2 h(2( + )/ h 2 = h(2( + )/ 2 h 2 = = 2( + ) h h 2 2( + ) h h 2 = 2( + ) h 2 h 2 = 2( + ) h 2 h 2 2( + ) h = = = = 2 = 2 = 2 = 2 h 2 = 17

26 2.2.2 비선형파 (Stokes 5th) 이론 Airy 파이론은파운동의 1 차근사이나 Stokes 파이론은고차근사로서비선형경계조 건을어느정도만족시킨다. 따라서파정이더가파르고파저는더평평하여실제해양 파에더욱가깝다. Stokes 파이론은 Airy 파이론에고차항을포함시켜수정해나가는이 론으로서 Stokes(1847) 에의해만들어졌으며, 해양공학계산에서널리사용되고있는 Stokes 5 차이론은 Skjelbreia & Hendrickson(1961) 에의해만들어졌다. Airy 파이론에비해복잡하기는하나실제해양파에가까운파형을제시하며주며, 높은입자속도를잘묘사하므로 Jack-Up Rig 나고정식플랫폼의 Jacket 과같은구조물 에 Stokes 파이론을사용한다. 이이론은발달하고있는파도 (developing sea) 에적합한 것으로알려져있으며, 파정이파저 (wave trough) 의진폭보다높은비대칭형상이다. 또 한파정 (wave crest) 이가파르고, 파저가평평한형상을하고있어규칙파로표현하지 못하여규칙파에고차항을포함한파형을가진다. 식 (20) ~ (23) 은 5 차항까지근사한 Stokes 파이론의파입자의속도와가속도를나타낸다. (, ) (, ) = = h( ) () (20) h( ) () (21) (, ) = h( ) () (22) 18

27 (, ) = h( ) () (23) 여기서 c : 파속 s : 상대수심 (d+z) Solitary 파이론 이파는매우얕은수심에서파봉은뾰족해지며, 파저는평평한모양을갖게된다. 이파는 Tsunami와같은큰파, 천해에서의쇄파, 심해에서최대 Steepness를갖는파를해석할때적합하다. API에서는 d/t<0.19인범위에서이파를적용하도록규정하고있다. 식 (24) ~ (27) 은 2차항까지근사한 Solitary파이론의파입자의속도와가속도를나타낸다. (, ) = h + h h 3 4 (2 3 h ) (24) (, ) = 3 h h h (1 3 h )] (25) (, ) = 3 h h { h 2 3 (1 + 3 h ) (26) (, ) = 3 2 h (2 3 h ) (27) 19

28 2.3 불규칙파랑의모형 파스펙트럼 실제해양파의경우불규칙한파형을무수한주파수의성분파가중첩되어합성된것으로불수있다. 이러한불규칙한파형을시간영역으로나타낼경우, 현재고려하고있는해역에서의파랑이력을특성화하는것이불가능하고, 시간이력은데이터량이방대할수밖에없다. 이러한이유로해양파를스펙트럼으로나타내는데, 관심해역에서의파랑특성즉, 파고와파장 ( 또는파고 ) 을직접계측하여스펙트럼의변수로사용한다. 해양파스펙트럼의횡축은 FFT(fast Fourier transform) 을이용하여규칙파의파주기또는원주파수로나타내며, 종축은파고의제곱으로나타낸다. 일정시간동안계측된해양파의통계적특성은일정하다는가정, 즉, 정상확률과정 (stationary random process) 이라는가정하에일정시간 (short term) 에계측한파고와파주기를계측하고, 해양파는협대역 (narrow-banded) 이라는가정하에계측한영점교차주기 (zero crossing period) 의평균또는피크주기 (peak period) 의평균을스펙트럼의변수로사용한다. 또한단기계측치로부터산정한유의파고를스펙트럼의변수로사용한다. 단봉의형태에대한특성치를계측하여불규칙해양파는여러성분규칙파의합성으로나타낼수있다. 이러한불규칙한해양파의특성을취급하기위해오랜기간동안관측된데이터통계를기초로파도의주기분포와높낮이를표시할수있는에너지스펙트럼을사용한다. 주파수영역에서표현된파스펙트럼은시간영역으로변환후파 20

29 고데이터를이용하여시간영역하중을생성할수있다 수정 P-M 스펙트럼 P-M 스펙트럼은북해에서수집된데이터로부터완전히발달된해상상태에대해적 용이가능하다. 이스펙트럼은유의파고와유의파주기를기반으로하고있다. () = (28) 여기서 : 유의파고 (significant height) : 피크원주파수 (peak circular frequency)=2 π T : 원주파수 (circular frequency) H 는임의관측시간동안관측된파고중에서파고가높은순서로전체 1/3 에해당 하는파고들의평균이며, T 는파도스펙트럼중파고가큰순서로전체파랑의 1/3 까 지파랑들의파주기를평균한값이다 JONSWAP 스펙트럼 JONSWAP 스펙트럼은완전히발단된파에대해서가아니라발달하고있는파에대 한 P-M 스펙트럼의수정된형식이다. JONSWAP 스펙트럼은다른스펙트럼과는달리뾰 21

30 족하고튀어나온피크를가진경우의스펙트럼으로파랑공동관측계획의성과에의해서 표준스펙트럼으로이용되고있다. JOSWAP 스펙트럼은피크의뾰족함을나타내는파라 메타 γ 을사용하고있는데, 이값이증가함에따라스펙트럼의피크가뾰족하게된다. 식 (29) 는 JONSWAP 스펙트럼을나타낸다. S (ω) = A S (ω)γ. (29) 여기서 : 무차원계수 (normalizing factor) () : P-M 스펙트럼 스펙트럼폭계수 (spectral width parameter) : σ= for ω σ= for ω > 피크형상계수 (peak shape parameter) : 5 = >

31 JONSWAP 실험데이터에대한 σ =0.07, σ =0.09 를사용한다. 그리고 JONSWAP 스펙 트럼은 3.6<T H < 5 에대해적합한모델이다. Fig. 9은유의파고 4.0(m), 피크주기 8.0(s) 그리고 γ=1, γ=2, γ=3.3에대한 JONSWAP 스펙트럼으로 x축은원주파수를그리고 y축은스펙트럼에너지를나타낸다. 그리고 γ=1이면 P-M 스펙트럼을의미한다. Fig. 9 JONSWAP spectrum. 23

32 2.4 해양생물 (Marine Growth) 해양생물은해상용풍력발전기지지구조물의질량, 형상및표면구조에영향을미친다. 결과적으로해양생물은수력학적하중, 동적응답, 접근성및구조물의부식율에영향을미칠수있다. 해양생물의영향은부재지름의증가를가져오기때문에 Jacket tubular, riser, umbilical와같은세장한부재의하중계산에있어서매우중요하다. 부재지름의증가는부재의투영면적의증가를가져와하중의증가를유발시킬뿐만아니라표면의거칠기를증가시켜항력계수 (drag coefficient) 의상승을유발시킨다. 따라서해상풍력발전기타워의운동성에나쁜영향을끼치게되므로해상풍력발전기타워설계시지역별해양생물의영향을반드시고려해야만한다. NORSOK(2007) 에서는해양구조물에작용하는해양생물의두께를평균수면을기준으로 Table 2와같이위도별수심에따라정의하고있다. 여기서, 해양생물의두께는해양구조물이해상에설치된 2년후부터선형적으로증가한다고가정하고있다. Table 2 Thickness of marine growth a (DNV, 2007) Water Depth (m) 56 to 59 N (mm) 59 to 72 N (mm) Above to Under a The water depth refers to mean water level 24

33 해양생물의영향을고려한해상풍력발전기타워두께를계산할경우식 (1) 을사용한 다 (DNV, 2007). = + 2 (30) 여기서 : 부재의외경 : 해양생물의두께 25

34 3 파랑하중 3.1 모리슨공식 파랑하중을산정하기에앞서, 파이론에따른파랑의운동특성이각각다르기때문에실제파의특성을고려하여파이론을선택할필요가있다. 수심을 d, 설계파의파장을 L이라하였을때, d/l>0.5이면심해 (deep sea) 로간주되어선형파이론이나, Stokes 파이론을적용한다. 그러나 d/l<0.04이면천해 (shallow sea) 로간주되어 Cnoidal파이론등을주로적용한다. 파이론을선택하기위한기준은 Fig. 10과같이파고, 파장, 수심의상관관계로부터결정될수있다. Fig. 10 Range of application of wave theories 26

35 모리슨공식은조화진동유동에있는강체의파력을계산하기위한식으로일반적으로해양구조물을디자인에있어파랑하중을계산하기위해사용한다. DNV(2007) 에서는모리슨공식의사용조건을식 (31) 와같이나타내고있는데파장과구조물부재의직경의비가 0.2보다작을경우적용될수있다. < 0.2 (31) 식 (32) 은모리슨공식으로서첫항은구조물의형상, 주변의흐름형태및파입자속 도에의한관성력을나타내고, 둘째항은구조물의형상과표면의거칠기, 구조물주변 흐름의교류도 (turbulence) 에의한항력을나타낸다. = + = (32) 여기서 : 항력 (drag force) : 관성력 (inertia force) : 물의밀도 (water density) : 관성력계수 : 항력계수 27

36 : 파입자가속도 : 파입자속도 이때단위길이당모노파일에작용하는파랑하중은평균수면으로부터 z 방향으로 Fig. 11 과같은분포를가지게될것이다. Fig. 11 Vertical wave load profile acting on a slender monopole 28

37 Fig. 12와 Fig. 13은 Keulegan-Carpenter number(kc) 와 Reynolds number(rn) 에관한관성력계수와항력계수를나타내고있다. 일반적으로, 관성력계수와항력계수는약 0.8~2.0 사이의값을가진다. 해양생물의영향으로인한구조물의조도 (roughness) 효과를고려한항력계수를구하기위해서는레이놀즈수와, KC 수그리고 β 계수를알아야한다 = = (33) (34) 여기서 u m : 파입자최고속도 D : 부재지름 29

38 Fig. 12 Variation of inertia coefficient Fig. 13 Variation of drag coefficient 30

39 3.2 파랑하중프로그램개발 본논문에서는해상풍력발전기의해저기초구조물중모노파일에작용하는파랑하중을산정하기위한프로그램을개발하였다. 프로그램사용을위해서는우선상용유한요소해석프로그램인 Nastran, Abaqus, Ansys에서사용되는해석입력파일형식 (input file format) 에따라구조물을모델링해야한다. 본프로그램은모노파일, 자켓등모든세장체해양구조물에작용하는파랑하중을시간영역또는주파수영역으로생성이가능하다. 또한바다공간상에서서로떨어져있는다물체에대한일괄적인하중생성이가능하다. 모델링이완료되면해당해역에적합한파이론을선택하고, 파향 (wave direction), 파고 (wave height), 파주기 (wave period) 등에대한데이터를입력한다. 파향의경우, 360도각도에대하여사용자가원하는각도로등분하여적용이가능하다. 그리고항력및관성계수를설정하기위해 DNV, API 규정을적용하였고, 그이외에사용자가입력할수있는사용자입력항목을적용함으로써하중생성을할수있다. 파고와파주기에대한데이터를취득하기어려운경우에는파빈도분포표 (wave scatter diagram) 을이용할수있다. 그리고본프로그램은상용유한요소코드에바로적용하도록개발되었기때문에, 하중의생성과동시에구조해석이가능하다. Fig. 14에서는개발된프로그램의 GUI(graphic user interface) 를보여주고있다. 31

40 Fig. 14 GUI for dynamic wave loading generation 1 상용유한요소해석프로그램입력파일형식선택 (Nastran, Abaqus, Ansys) 단위선택 [ 요소길이 (mm, cm, m), 하중 (N, kgf, tonf)] Reynolds number 결정을위한 water 의온도선택 DNV, API 및사용자에따른관성및항력계수선택 5 파이론의선택및 Airy 파이론에따른수심선택 ( 심해, 중간해, 32

41 천해 ) 6 해상풍력발전기설치지역에대한파주기, 파고선택및파향선택 Fig. 15 는수심에따른속도와가속도장을생성한파일의예를나타내고있다. Fig. 16 은속도및가속도장을이용하여해상풍력발전기지지구조물에작용하는하중이력에 관한파일의예를나타내고있다. Fig. 15 Example of velocity and acceleration file 33

42 Fig. 16 Example of force file 34

43 4 모노파일에작용하는파랑하중해석 4.1 Modeling 주요제원 본논문에서는프로그램계산결과의정량적비교를하기위해모노파일을대상모델로하였다. 노르웨이선급에서개발한동유체력계산프로그램인 SESAM의 wajac모듈을이용하여동유체력을산정한뒤개발프로그램과의결과값을비교하였다. 이때, 계산에적용된모노파일의제원은 Table 3와같다. Table 3 Principal dimensions of the monopile Diameter(m) 3.2 Thickness(m) Monopile Height(m) 138 Water Depth(m) 80 파랑하중비교를위해선형파와비선형파이론을적용하였으며, 파고, 파주기그리고 파향에대한하중조건은 Table 4 와같이적용하였다. 35

44 Table 4 Design load case Wave height(m) 1 Wave period(s) 10 Wave direction( ) 파랑하중비교 본논문에서는개발프로그램의유효성을검증하기위해서직립형모노파일 (Fig. 17 참조 ) 과경사형모노파일 (Fig. 18 참조 ) 에대해서선형및비선형파이론을적용하여하중을생성한뒤비교하였다. 자켓형이나트라이포드와같은구조물에적용할경우를대비하여경사진경우에대해서도계산을수행하였다. Fig. 19(a) 와 (b) 는 Airy선형파이론을적용할때직립형모노파일과경사진모노파일에작용하는하중이력을비교하였고, Fig. 18(a) 와 (b) 는 Stokes5th 비선형파이론을적용할때직립형모노파일과경사진모노파일에작용하는하중을비교나타내었다. SESAM의 WAJAC 모듈을이용한결과와개발프로그램을이용한결과는매우잘일치하는것으로나타났다. 36

45 Fig. 17 Straight monopile modeling Fig. 18 Inclined monopile modelling 37

46 (a) straight (b) inclined Fig. 19 Comparison of wave loading histories using linear wave theory 38

47 (a) straight (b) inclined Fig. 20 Comparison of wave loading histories using non-linear wave theory 39

48 5 결론 본논문에서는선형및비선형파이론의수학적표현에대하여검토하였으며, 파고, 파장, 수심의상관관계를이용하여적용할파이론을결정할필요가있다. 현재선박및해양플랜트에주로적용되는파스펙트럼의수학적표현과물리적의미에대하여고찰하여보았다. GL(2004) 과 DNV(2002) 에따르면파스펙트럼으로서 JONSWAP을사용할것을권장하고있으며, 피크형상계수가커질수록스펙트럼의첨도가커지므로파랑하중의강도가크게산정된다. 파스펙트럼은추후주파수영역파고데이터를시간영역파고데이터로변환함으로서, 파랑하중을생성하는데사용된다. 검토한파이론을바탕으로파랑하중계산을위한프로그램을개발하였으며, 직립형모노파일과경사형모노파일에작용하는파랑하중을산정하였으며, Sesam(Wajac) 을이용하여얻은파랑하중과비교하여다음과같은결론을얻을수있었다. n 선형파이론을적용하여파랑하중을산정할경우, 개발프로그램과 Wajac 의계산 결과는 2-3% 정도의무시할만한오차를보여주었다. n 비선형파이론을적용하여파랑하중을산정할경우, 개발프로그램과 Wajac 의계 산결과는 1-2% 정도의무시할만한오차를보여주었다. n 하중의오차뿐만아니라위상차도거의무시할만한수준으로보여지므로, 개발프 로그램의신뢰도를검증할수있었다. 40

49 본프로그램을통하여고정식해상풍력발전기에작용하는파랑하중을 Nastran 및 Abaqus 와같은상용프로그램형식의인터페이스로제공함으로써하중의생성과동시 에구조해석을수행할수있기때문에설계시간을대폭단축할수있다. 41

50 참고문헌 [1] 이재신, 1989, 해양구조물설계개요, 광문출판사 [2] Det Norske Veritas, 2002, Guideline for Design of Wind Turbine Second Edition, DNV. [3] Det Norske Veritas, 2007, RP-C205 Environment Conditions and Environment Loads, DNV. [4] Germanischer Lloyd, 2004, Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines Final Draft Edition, GL. [5] Haritos, N., 2007, Introduction to the Analysis and Design of Offshore Structures, Elotronic Journal of Structural Engineering Special Issue: Loading on Structures, pp [6] J.M.J. Journee & W.W. Massie, 2001, Offshore Hydromechanics First Edition, Delft University of Technology. 42

51 감사의글 어느덧석사생활을마치고논문의후기를쓰고있는저의자신을바라보면서학부 4학년때부터지금까지지난 3년간의연구실생활이주마간등처럼지나갑니다. 석사생활을열심히했다고생각이드나돌이켜보면조금만더열심히할꺼라는후회가남는거같습니다. 그래도인하대학교조선해양공학과사람들과같이해서행복했습니다. 지난 3년동안한결같이 항상올바른인성을갖춘사람이먼저되라 라는말씀으로따뜻한사랑을베풀어주시고부족한저를언제나옆에서같이손잡고뛰어주신지도교수님이신정준모교수님께깊은감사의말씀을드립니다. 석사를마치고박사과정의길을가면서지금보다더열심히매순간최선을다하는사람이되도록하겠습니다. 그리고항상열심히하라고응원해주시는이장현교수님, 인하공업전문대학의김현수교수님께도감사의말씀을드립니다. 석사생황을하면서고민이있거나힘든시기일때술한잔기울이면서동생의고민을들어주셨던정탁이형, 대원이형, 세윤이형, 광렬이형큰힘이되었습니다. 석사생활에많은도움을주고연구하다가새벽에커피한잔하면서많은얘기를했던든든한친구창혁이, 언제나옆에서형을믿어주고때로는친구처럼쓴소리도해주었던박화평, 내뒤에서항상웃고잘도와줬던신승욱, 가족처럼형의부족한부분을채워주고도와주었던선박및해양구조엔지니어링연구실의내동생들기영이, 상혁이, 우현이고맙습니다. 그리고설계방하윤진, 제어방의정범이, 용선이충격및피로파괴연구실후배들이있어즐거운학교생활이였습니다. 지난 12년동안옆에있으면서든든한버팀목인고등학교내친구김대교, 김현섭, 이영일, 전승규, 조창희, 황흥순고맙습니다. 마지막으로무한한사랑과따뜻한마음으로지켜봐주시고돌봐주셨던아버지, 어머 43

52 니, 누나, 매형너무감사합니다. 아직가야할길이많이남아있지만결실을맺기위 해작은과정을통과했습니다. 기대에어긋나지않게최선을다하는지명이가되도록 하겠습니다 년 12 월 27 일남지명 44

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