타워와 블레이드의 탄성효과를 고려한 부유식 해상풍력발전기의 동적거동해석

정혜영(Hye Young Jung),손정현(Jeong Hyun Sohn) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.8

부유식 해상풍력발전기의 시뮬레이션을 위해서 본 연구에서는 2㎿ 육상 풍력발전기에 부유구조물인 Tension Leg Platform(TLP) 구조를 추가하였다. 기상청 관측데이터와 해수면으로부터의 높이에 대해 풍속을 정의하는 지수법칙을 이용하여 풍하중을 산출하고 블레이드와 타워에 일정한 높이간격으로 적용하였다. 상대모리슨 방정식을 이용하여 파랑하중을 모델링하였다. 블레이드의 회전속도를 정격속도인 18rpm 으로 고려하고, 풍하중과 파랑하중 작용 시 2㎿ 의 부유식 해상풍력기의 동적거동 해석을 수행하였다. 파랑하중에 대한 해상풍력기의 공진특성을 조사하기 위해 타워와 블레이드의 탄성체 모델을 구성하여 해상풍력기의 고유진동수를 계산하였다. 타워와 블레이드의 탄성효과가 해상풍력기의 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 타워만 탄성체로 구성된 탄성타워모델과 타워와 블레이드가 탄성체로 고려된 탄성타워 블레이드모델을 각각 강체 모델과 비교하였다. To establish a floating offshore wind turbine simulation model, a tension leg platform is added to an onshore wind turbine. The wind load is calculated by using meteorological administration data and a power law that defines the wind velocity according to the height from the sea surface. The wind load is applied to the blade and wind tower at a regular distance. The relative Morison equation is employed to generate the wave load. The rated rotor speed (18 rpm) is applied to the hub as a motion. The dynamic behavior of a 2-㎿ floating offshore wind turbine subjected to the wave excitation and wind load is analyzed. The flexible effects of the wind tower and the blade are analyzed. The flexible model of the wind tower and blade is established to examine the natural frequency of the TLP-type offshore wind turbine. To study the effect of the flexible tower and blade on the floating offshore wind turbine, we modeled the flexible tower model and flexible tower-blade model and compared it with a rigid model.

풍력발전산업의 글로벌 공간전략 : 발전기 제조업체를 중심으로

배지용 서울대학교 국토문제연구소 2021 地理學論叢 Vol.67 No.-

전 세계에 이미 설치된 육상 풍력발전기의 지리적 분포를 주요 제조업체별로 비교하는 한편, 업체 홈페이 지에서 새롭게 발표하는 주요 사업들의 지리적 분포도 분석하였다. 또 해상발전기 제조업에서 경쟁력을 확보하기 위해 발전기 제조업체들이 취한 공간전략들을 비교한다. 더 나아가 대만 해상의 풍력발전소 건설사업을 통해 풍력 발전기 제조업 상류와 하류의 공급사슬을 살펴보며, 사슬에 개입하는 주체들의 지리적 특징을 밝혔다. 그 밖에도 선 도기업들을 추격하는 인도와 중국업체의 상반된 운명을 다루었고, 국내 발전기 제조업체들의 공간전략을 선도기업 들과 비교하였다. 끝으로 벨라루스와 코소보의 예시를 통해 풍력발전산업에서 국제기구의 역할을 예시하였다. This paper summarizes the global spatial strategy of major wind turbine makers in terms of the current geographical distribution of wind turbines and recently mentioned wind farm projects in the official news of company websites. Chinese company Goldwind and American Company GE Renewable Energy was compared with European leaders such as Vestas and Siemens Gamesa due to high dependency on domestic markets of the former companies according to the track records. Although more than 90% of cumulative wind power capacity is onshore, the demand for offshore wind turbines is increasing. While Siemens Gamesa being the leader of offshore wind turbine makers with a licensing agreement with a local Chinese company, Vestas collaborated with Mitsubishi Heavy Industries to make a synergy. On the other hand, GE acquired French power businesses to compete with them. To expand the discussion to upstream and downstream of wind turbine industry, a global supply chain in case of Taiwan offshore wind farms was demonstrated. It was characterized by capital-intensive Western developers and cutting-edge turbine makers from Germany, Japan, etc. with components of turbines provided by Taiwanese and South Korean companies. On the contrary, some examples of challengers in the industry was provided in terms of their spatial strategy. From the wind farm projects in Kosovo and Belarus, the role of international organizations such as European Union and United Nations in the industry was also illustrated.

부유식 파력-해상풍력 복합발전 구조물의 해상풍력발전기 하부 구조 설계 및 강도 평가

임재한(Jaehan Lim),김대현(Daehyeon Kim),오근원(Keunwon Oh),정한별(Hanbyul Jeong),유병석(Byeongseok Yu),홍기용(Keyyong Hong),이강수(Kangsu Lee) 한국해양환경·에너지학회 2016 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

최근 신재생에너지, 특히 해상풍력과 파력에 대한 수요와 관심이 급증하고 있으며 발전에 적합한 입지가 일치하는 해상풍력과 파력의 복합발전 시스템에 대한 연구 또한 진행되고 있다. 본 연구에서는 10MW급 부유식 파력-해상풍력 연계형 발전시스템의 설계기술 개발 연구 과제를 수행하며 진행된 해상 풍력 발전기의 하부 구조의 설계 방법 및 구조 강도 평가에 대한 내용을 다루고 있다. 해상풍력발전기는 복합발전 구조물의 column위에 배치되며 그 하부 구조는 다양한 하중 조건에 놓이게 된다. 따라서 선급의 rule requirement를 만족하는 구조물이라 하더라도 구조 강도 평가가 필요하며 결과에 따라 적절한 보강이 이루어 져야한다. 본 논문에서는 DNV offshore rule에 기반 한 풍력 발전기 하부 구조 설계의 과정과 유한 요소 해석을 통한 구조 강도 평가의 결과를 제시하여 향후 개발되는 부유식 복합발전 구조물의 설계 지침 마련에 기여하고자 한다. Recently, demands and interests for new renewable energy, especially offshore wind and wave energy have been increasing rapidly. As the site to generate electricity from offshore wind and wave accords well, researches on hybrid power system which utilizes both wave and offshore wind simultaneously is ongoing in many countries. In this research, design and strength assesment of substructure for offshore wind turbine is carried out as part of a R&D project for 10MW class floating wave-offshore wind hybrid power generation system. Offshore wind turbines are placed on column in hybrid power generation platform and its substructure is exposed to several loading conditions. Therefore, even if it is satisfied with a rule requirement of a classification society, structural analysis is required and substructure should be properly reinforced in accordance with the result. This study aims to contribute to set up design guidelines for floating hybrid power system by presenting design procedure of substructure for offshore wind turbine which is based on DNV offshore rules and strength assessment by finite element method.

선박충돌에 의한 해상풍력발전기의 취약도 평가

조병일(Cho, Byung Il),김동현(Kim, Dong Hyawn) 한국해안해양공학회 2013 한국해안해양공학회 논문집 Vol.25 No.4

해상풍력발전기는 주위를 항행하는 선박 및 바지선등과 같은 선박에 의한 충돌피해가 발생할 수 있기 때문에 이에 대한 안정성을 고려해야 한다. 본 연구에서는 선박충돌에 대해 안정성을 고려하기 위해 해상풍력발전기의 선박충돌해석을 수행하고 충돌하중의 불확실성을 고려하기 위해 충돌취약도를 분석하였다. 충돌해석은 해저지반-기초구조물의 상호작용 및 유체를 p-y곡선과 부가질량법으로 고려하였다. 충돌취약도는 선박의 중량과 충돌각, 선박흘수를 변동성으로 고려하여 항복응력에 대한 손상수준을 추정하였으며 취약도를 분석한 결과, 850ton 바지선과 30,000DWT 화물선의 충돌속도에 취약함을 확인하였다. Offshore wind turbines has to be proved against accidental events such as ship collision. In this study, ship collision fragility analysis of offshore wind turbine is done. Dynamic collision analysis is accomplished by considering soil foundation interaction and fluid structure interaction. Uncertainties due to ship weight and speed, angle are also considered. By analyzing dynamic response of offshore wind turbine, fragility curves are obtained for different damage levels. They can be used for restricting boat speed around the wind turbine and allowable size of the boat for inspection and for other purposes. Results of the fragility, it was confirmed fragility of collision speed of bulk ship of 30,000DWT and 850ton barge ship.

해상 풍력 발전기 리프팅 해석을 위한 해상 크레인 멀티 붐 모델링

박광필(Kwang Phil Park),차주환(Ju Hwan Cha),이규열(Kyu Yeul Lee) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.1

본 논문에서는 해양 풍력발전기를 해상 크레인으로 리프팅하기 위해 두 개의 탄성 붐을 가진 해상 크레인을 모델링 하고 동적 거동을 시뮬레이션 하였다. 운동 방정식은 강체와 탄성체가 포함된 다물체계 동역학을 기반으로 구성하였다. 외력으로는 유체정역학 힘, 규칙파에 의한 유체동역학 힘, 와이어로프의 장력, 계류력, 그리고 중력이 고려되었다. 두 개의 탄성 붐을 사용한 시뮬레이션 결과는 탄성 붐 한 개를 사용한 경우와 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 5-MW(megawatt)급 해양 풍력발전기를 해상 크레인이 리프팅하는 경우에 대해 동적 거동을 시뮬레이션하고 그 결과를 분석하였다. The dynamic responses of a 5 MW wind turbine lifted by a floating crane with two elastic booms are analyzed. Dynamic equations of motions of a multibody system that consists of a floating crane, two elastic booms, and a wind turbine are derived. The six-degree-of-freedom (DOF) motions for the floating crane and the wind turbine are considered in the equations of motions. The hydrostatic force, the hydrodynamic force due to a regular wave, the mooring force, the wire rope force, and the gravitational force are considered as external forces. By solving the equations numerically, the dynamic responses of cargo are simulated. The simulation results are compared with those in the case of one elastic boom. Finally, the dynamic responses of the wind turbine lifted by the floating crane are analyzed under regular wave condition.

유체-구조물-지반 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석

이진호,이상봉,김재관 한국지진공학회 2012 한국지진공학회논문집 Vol.16 No.3

이 논문에서는 유체-구조물-지반의 상호작용을 고려한 해상풍력발전기의 지진응답해석법을 제시하였다. 풍력발전기는 tower와 그 정점에 집중된 질량으로 모델링 되었다. 이 tower는 유연한 해저지반에 기초하고 있는 튜브형 cantilever로 이상화하였다.Tower와 해수 간의 동적 상호작용, 기초와 지반간의 동적 상호작용이 고려된 유체-구조물-지반 연성계의 지배방정식은 부분구조법과Rayleigh-Ritz방법에 의해서 유도되었다. 해수는 압축성 비점성 이상 유체로 이상화하였다. 해수로 포화된 층상지반에 놓인 footing의동적 강성은 Thin Layer법에 의해서 계산하여 상부구조물 모델과 결합시켰다. 이 해석법을 해상풍력발전기 모델의 지진응답해석에 적용하였다. 해석 결과를 준거해와 비교해서 제안한 해석법의 타당성을 검증하였다. Tower의 유연성, 지반의 강성이 해상풍력발전기 지진거동에 미치는 영향을 분석하였다. 유체-구조물 상호작용과 지반-구조물 상호작용의 지진응답에 대한 상대적인 중요도를 비교 평가하였다. In this study, an analysis method for the earthquake response of an offshore wind turbine model is developed, considering the effects of the fluid-structure-soil interaction. The turbine is modeled as a tower with a lumped mass at the top of it. The tower is idealized as a tubular cantilever founded on flexible seabed. Substructure and Rayleigh-Ritz methods are used to derive the governing equation of a coupled structure-fluid-soil system incorporating interactions between the tower and sea water and between the foundation and the flexible seabed. The sea water is assumed to be a compressible but non-viscous ideal fluid. The impedance functions of a rigid footing in water-saturated soil strata are obtained from the Thin-Layer Method (TLM) and combined with the superstructure model. The developed method is applied to the earthquake response analysis of an offshore wind turbine model. The method is verified by comparing the results with reference solutions. The effects of several factors, such as the flexibility of the tower, the depth of the sea water, and the stiffness of the soil, are examined and discussed. The relative significance of the fluid-structure interaction over the soil-structure interaction is evaluated and vice versa.

풍하중 효과를 고려한 해상풍력 지지구조물의 유효응력기반 지진해석

김소연,김동현 한국풍력에너지학회 2018 풍력에너지저널 Vol.9 No.1

In this study, seismic analysis of a 3 MW offshore wind turbine support structure was performed by considering the effective stress effect of ground soil and wind load. The pore water pressure was distributed to consider the effective stress effect. A simple formula by Byrne (1991) was used to estimate some parameters and applied to the Finn model. In this paper, seismic analysis based on the total stress and effective stress of the ground was performed, and the responses of offshore wind turbine support structures were compared. In addition, the effect of wind and earthquake load on the ground was also confirmed. As a result of the analysis, the relative displacement is larger in the effective stress analysis, and the displacement difference is larger when the wind load and seismic load are considered simultaneously. It was shown from the results that the effective stress of ground soil should be considered to obtain more reliable responses for offshore wind turbine support structures.

점토층 지반에 설치 가능한 8MW급 해상풍력발전기 하부구조물 개발

서광철,최주석,박주신 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.2

신재생에너지 신규설비 보급이 매년 꾸준히 증가하고 있으며, 그중 개발 확장성이 풍부하고 생산유발계수가 큰 해상풍력 시장이 급성장하고 있다. 특히 서남해 권역은 최고 수준의 해상풍력 잠재량을 보유하고 있으며, 관련 프로젝트들이 추진 중이다. 본 연구는 점토층 지반에 효과적인 해상풍력 하부구조물의 개발에 있어 EUROCODE에 의한 구조물의 설계 절차를 제시하고 구조 안전성을 고찰하여 관련 기술 분야에 이바지함을 목표로 한다. 선행연구에서는 풍력발전기 용량이 5MW급을 주요 대상으로 하였으나, 서남해 해상풍력발전기 시장의 기술 추세에 부합하는 발전 용량 8MW급을 연구 모델로 선정하였다. 이에 본 연구에서는 서남해 지질 조건에 부합하는 하부구조물을 개발하고, 구조 안전성을 유한요소법을 활용하여 검증하였다. 초기 설계안에서 일부 구간을 보강하여 구조 안전성을 확보하였다. 본 연구 결과를 기반으로 하여, 향후 다양한 형태의 하부구조물에 대한 구조 안전성 평가가 가능하며, 전문화된 구조 설계 및 평가 기준을 확립하였다. The construction of new renewable energy facilities is steadily increasing every year. In particular, the offshore wind farm market, which has abundant development scalability and a high production coefficient, is growing rapidly. The southwest sea has the highest possible offshore wind power potential, and related projects are to be promoted. This study presents a basic design procedure by the EUROCODE and considers structural safety in the development of an effective offshore wind foundation in the clay layer. In a previous study, the wind power generator of 5MW class was the main target, but the 8MW of wind turbine generator, which meets the technical trend of the wind turbine market in the Southwest sea, was selected as the standard model. Furthermore, a foundation that fulfills the geological conditions of the Southwest sea was developed. The structural safety of this foundation was verified using finite element method. Moreover, structural safety was secured by proper reinforcement from the initial design. Based on the results of this study, structural safety check for various types of foundations is possible in the future. Additionally, specialized structural design and evaluation guidance were also established.

부분집합 시뮬레이션 방법을 이용한 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석

박광연,박원석 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.2

This paper presents a seismic reliability analysis method for an offshore wind turbine with a twisted tripod support structureunder earthquake loading. A three dimensional dynamic finite element model is proposed to consider the nonlinearity of theground-pile interactions and the geometrical characteristics of the twisted tripod support structure where out-of-plane displacementoccurs even under in-plane lateral loadings. For the evaluation of seismic reliability, the failure probability was calculated for thelimit state equation defined by the horizontal displacement of the pile head by time history analysis using artificial earthquakes forthe design return periods. The application of the subset simulation method using the Markov Chain Monte Carlo(MCMC) sampling isproposed for efficient reliability analysis considering the limit state equation evaluation by the nonlinear time history analysis. Theproposed method can be applied to the reliability evaluation and design criteria development of offshore wind turbine with twistedtripod support structure in which two dimensional models and static analysis can not produce accurate results. 이 논문에서는 지진 하중을 받는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석 방법을 제시한다. 수평하중에 대해서 면외 변위가 발생하는 꼬인 삼각대지지 구조의 기하학적 특성과 지반의 비선형성을 포함한 지반-말뚝 상호작용을 고려하기 위한 구조물의 3차원 동적 유한요소 모델을 제시하였다. 지진신뢰성 평가를 위해 재현주기별 인공지진파를사용한 시간이력 해석을 통해 말뚝 두부의 수평변위로 정의된 한계 상태식에 대하여 파괴확률을 산정하였다. 비선형 시간이력해석에 의한 한계상태식 평가를 고려하여 효율적으로 신뢰성 해석을 하기 위해 Markov chain Mote Carlo 샘플링 방법을적용한 부분집합 시뮬레이션 방법의 적용을 제시하였다. 제시한 방법은 2차원 모델 및 정적해석만으로는 정확한 결과를 도출할 수 없는 꼬인 삼각대 지지구조를 갖는 해상풍력발전기의 신뢰성 평가 및 설계기준 개발에 활용될 수 있음을 보였다.

해상풍력 구조물 설계를 위한 제주도 월정지역 풍황특성 분석

서현수,경남호,김현구 한국풍공학회 2010 한국풍공학회지 Vol.14 No.3

The long-term wind data were regenerated from short-term met-tower data using a Measure-Correlate-Predict (MCP) method to prepare a design dataset for the 4MW offshore wind farm, which is being constructed at the Waljeong sea front, Jejudo. Two reference sites - the Jeju and Gujwa observation stations - and two MCP models - linear regression and matrix MCP - were tested. The results of a quantitative error analysis showed that Gujwa and the matrix MCP gave the best combination for long-term correction. Normal Turbulence Model (NTM) and Extreme Wind Model (EWM) analyses were performed with the regenerated Waljeong wind data to determine the class of the wind turbine type. According to the recommendation of the DNV Offshore Standard, the characteristic wind turbulence is estimated by the ninety-percent percentile of the standard deviation in the probability distribution. The 10-minute extreme wind speed of a 50 year return period was estimated using a Gumbel distribution of 8.5 year reconstructed Waljeong data. Therefore, the wind turbine type was found to be class II A. 제주도 월정 앞바다에서 건설 중인 4MW 해상풍력단지의 설계자료를 준비하기 위하여 측정-상관-예측(MCP) 방법을 이용하여 단기간 풍황탑 자료로부터 장기간 풍황자료를 재생산하였다. 두 참조지점으로서 제주, 구좌 기상관측소와 선형회귀 MCP, 행렬 MCP 조합에 대한 정량적 오차분석을 실시한 결과 구좌와 행렬 MCP에 의한 장기간 보정이 가장 최선의 조합임을 도출하였다. 재생산된 풍황자료를 이용하여 월정해상 풍력발전기의 형식등급을 결정하기위한 표준난류모델 및 극한풍속모델 해석을 수행하였다. 50년 회귀주기의 10분-단위 극한풍속을 예측하기 위해 재생산된 8.5년의 월정 풍황을 검블 분포로 해석하였다. 이에 의하여 결정된 풍력발전기 형식등급은 II A인 것으로 나타났다.