부유식 풍력발전기의 플랫폼 움직임에 따른 공력 및 소음 해석

Abstract

부유식 풍력 발전기는 해상의 불규칙적인 바람과 파도 등 복잡한 환경에 노출되고, 이에 따라 부유식 풍력 발전기는 6-자유도 운동을 한다. 부유식 풍력 발전기는 부유식 플랫폼에 설치되는데, 플랫폼마다 안정성을 가지는 방식이 다르기 때문에 플랫폼의 종류에 따라 6-자유도 운동 또한 다르다. 따라서, 플랫폼 종류에 따른 부유식 풍력 발전기의 6-자유도 운동이 공력에 미치는 영향을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 세 종류의 다른 플랫폼인 ITI Energy Barge, OC3-Hywind Spar buoy, 그리고 MIT/NREL TLP 선정하였다. 먼저 플랫폼의 움직임을 모사하기 위해, NREL에서 개발한 부유식 풍력 발전기 해석 프로그램인 FAST를 사용하였다. 움직임 모사 결과로는 surge, pitch, 그리고 yaw 모션이 주요한 움직임으로 드러났다. Surge 움직임은 Barge, Spar, TLP 순으로 컸고, pitch 움직임은 Spar, Barge, TLP 순으로 컸다. 또한 yaw 움직임은 저속에서는 크기가 비슷하였으나, 풍속이 높아질수록 Barge, Spar, TLP 순으로 컸다. 이를 바탕으로 공력 분석을 하였는데, 공력 특성으로는 풍력 발전기의 출력량과 블레이드 루트부의 굽힘 모멘트를 선정하여 해석을 수행하였고, 소음 특성으로는 난류 유입 소음, 난류 경계층 뒷전 소음, 그리고 블런트 뒷전 와류 흘림 소음을 산출하여 해석하였다. 공력 특성을 해석하기 위해 FAST의 공력 모델을 비정상 와류 격자 기법 (UVLM)으로 대체한 결합 코드를 사용하였고, 공력 소음은 반 경험식을 사용하였다. 출력량과 블레이드 굽힘 모멘트 모두 전반적으로 플랫폼마다 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 초기 조건에서 블레이드 피치 각을 풍속에 맞게 조절함에 따른 결과로 보여진다. 따라서 플랫폼 움직임의 크기가 공력 특성에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 공력 소음의 경우, 전체 음압 레벨을 비교하였을 때 Barge 플랫폼의 소음도가 가장 컸고, Spar와 TLP가 순서대로 컸다. 하지만 Spar와 TLP는 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 소음원과 비교를 수행하였는데, 블런트 뒷전 와류 흘림 소음이 나머지 소음원인 난류 유입 소음과 난류 경계층 뒷전 소음에 비해 약 10 dB 이상 컸다.

A floating offshore wind turbine (FOWT) experiences 6 degrees of freedom motion (DOFs) as it is exposed to complex environment such as stochastic wind and wave. The FOWT is mounted on a floating platform, and the platforms are categorized by stability methods. As each type of platform has different characteristics of the 6-DOFs, it is important to understand how the 6-DOFs affect to aerodynamics of wind turbine. In this study, three different platforms with NREL 5-MW wind turbine were investigated; ITI Energy Barge, OC3-Hywind Spar buoy, and MIT/NREL TLP (Tension leg platform). First of all, motions of platforms were simulated by program FAST which is developed by NREL. The results showed that surge, pitch, and yaw motions were dominant for three platforms. In the case of surge motion, Barge, Spar, and TLP were big in that order. In pitch motion, the Spar was the biggest, and Barge and TLP followed up. The yaw motion were all same in low wind speed condition, below 8 m/s, and the higher the wind speed, the larger the Barge, Spar, and TLP. The aerodynamic characteristics, power performance and root flapwise bending moment (RFBM), were investigated numerically with unsteady vortex lattice method (UVLM) based on the results of motion. Aeroacoustics, airfoil-self noise and turbulent inflow noise, was analyzed by using semi-empirical formula. The power performance and RFBM showed comparable results for the three platforms. This results come from the initial condition, which is controlled pitch angles corresponding to the wind speeds. Therefore, the amplitude of 6-DOFs do not affect to the aerodynamics. The aeroacoustics results, comparing overall sound pressure levels, showed that the Barge platform was the highest. The spar and TLP, however, did not show significant differences. In the aspect of the noise source, the trailing edge bluntness vortex shedding noise showed the highest SPL as much as 10 dB among the other sources, including turbulent boundary layer trailing edge noise and turbulent inflow noise.