운동응답을 고려한 Spar 형 부유식 해양 구조물의 형상 설계

Abstract

최근 자연친화적인 신재생에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 풍력에너지에 대한 연구가 각광받고 있다. 육상 및 천해 풍력발전 적합지가 고갈되어 가고 있으며, 육상 및 천해에 설치함으로 인한 소음과 경관 문제와 같은 환경적인 문제가 대두되고 있다. 그러므로 강하고 균일한 바람을 지속적으로 얻을 수 있는 심해에 설치하기 위해 부유식 풍력발전 시스템에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 전개되고 있다. 부 유식 해양 풍력발전기의 경우, 육상 풍력발전기나 고정식 해양 풍력발전기에 비해 파도나 바람 등의 외력으로 인해 큰 운동이 발생할 수 있고, 풍속이나 파고가 극심한 경우에는 발전자체가 불가능하거나 구조물 자체가 전복이 되는 위험한 상황이 발생할 수 있다. 따라서 부유식 해상풍력발전 시스템의 운동성능을 설계 단계에서 예측해보고 운동 저감을 위한 시스템을 구성하는 것이 매우 중요하다. 즉, 같은 환경하중 속에서 적은 운동이 발생하는 운동성능이 뛰어난 부유식 해양 구조물 시스템을 구성해야 한다. 따라서 본 논문에서는 주파수 영역의 동유체력과 파강제력을 이용하여 계류력, 점성력, 조류력과 memory effect를 고려한 시간 영역 운동 해석 프로그램을 작성하였다. 그리고 J.Jonkman(2010)의 OC3-Hywind platform 형상을 기본으로 운동성능에 영향을 미치는 요인 중, 형상 변화에 따른 시간영역 운동응답을 구해 운동성능이 뛰어난 부유식 해양 구조물 형상 New model을 제안하였다. 그리고 계류 위치에 따른 운동응답을 구해 운동 저감을 위한 계류 위치를 확인하였다. OC3와 New model에 대해 강제동요시험을 수행하여 동유체력을 계측하고, 이를 이용하여 실제 점성이 고려된 운동성능을 계산하여 비교, 분석하였다. 그리고 부가물 부착을 통한 동유체력의 증가를 확인하였고, 이에 따른 운동 저감 효과를 확인하였다.

Recently, researches about wind energy are emerging because of interest in eco-friendly renewable energy. Appropriate wind power generating sites in land and shallow water are being exhausted and cause environmental problems like noise and landscape. So worldwide researches concentrate on offshore floating wind power generating system in deep sea where strong and uniform wind can be obtained continuously. Offshore floating wind power generator might have larger motion than onshore or offshore fixed one by exciting force like wave and wind. In severe condition, operation is even impossible and the generator can be put in dangerous situation like capsizing. So it is essential to estimate motion performance in design step and compose the motion reduction system. In this paper, the time domain motion analysis program considering mooring force, viscous force, current force and memory effect by using hydrodynamic force and wave exciting force in frequency domain is made. In addition, based on the OC3-Hywind platform shape of J.Jonkman(2010), New model with good motion performance is proposed by analyzing time domain motion corresponding to shape. And proper mooring position for motion reduction is identified by analyzing motion response corresponding to mooring position. OC3 model and New models hydrodynamic forces are measured by forced oscillation tests. By using these hydrodynamic forces, motion performances considering viscous effect are analyzed and compared. Hydrodynamic force increase and motion reduction effect by appendages are confirmed.