세계풍력발전협회(GWEC) 2017년도 Global Wind Report에 따르면 전세계 풍력에 의한 발전용량은 2001년도 23,900MW에서 2016년도 486,790MW로 비약적으로 발전하고 있다. 반면 국내 발전원별 총발전량 비중에서 풍력에 의한 발전은 0.2% 불과하다. 국내외 발전원별 정산단가가 풍력으로 전기를 생산하는 데 드는 발전원가가 석유 등 화석연료 발전원가와 같아지는 Grid Parity에 이미 도달하여 풍력발전에 의한 전기의 생산은 더욱 확대될 것이다. 본 연구에서는 전 세계 해상풍력설비의 88%가 위치하고 있는 유럽의 주요 해상풍력발전단지의 선박통항 규정과 어로활동에 대한 기준을 분석하여 향후 국내 해상풍력발전단지 설치 시 선박통항 및 어로활동 기준 설정 시 고려되어야 할 사항을 제시하였다.

Recently, for efficiency increase of the wind turbine tower, turbine has been enlarged and installation location has been transferring to offshore. The importance of the support structure is emphasized when a wind turbine tower is installed on offshore. The support structure is influenced not only by the system operating loads but also by various marine condition loads. Accurate and safe design is essential because the connection between the support structure and the wind tower can be relatively fragile. In particular, the type of foundation pile and sleeve grout connection were adapted from DNV, API, and ISO that are typically used for wind towers, and they have been continuously studied by many researchers. However, the experimental results by researchers are different from the design equations, and it needs to modify the formula according to connection properties and material. Therefore, this study investigates the design equation presented in existing design criteria and the results of research conducted by existing researchers, and analyzes ultimate strength and failure modes.

This paper is concerned with the numerical analysis of dynamic response of floating offshore wind turbine subject to underwater explosion using an effective non-reflecting technique. An infinite sea water domain was truncated into a finite domain, and the non-reflecting technique called the perfectly matched layer(PML) was applied to the boundary of truncated finite domain to absorb the inherent reflection of out-going impact wave at the boundary. The generalized transport equations that govern the inviscid compressible water flow was split into three PML equations by introducing the direction-wise absorption coefficients and state variables. The fluid-structure interaction problem that is composed of the wind turbine and the sea water flow was solved by the iterative coupled Eulerian FVM and Largangian FEM. And, the explosion-induced hydrodynamic pressure was calculated by JWL(Jones-Wilkins-Lee) equation of state. Through the numerical experiment, the hydrodynamic pressure and the structural dynamic response were investigated. It has been confirmed that the case using PML technique provides more reliable numerical results than the case without using PML technique.

This study is implemented the impact analysis of leveling system used to maintain the level of jacket structure in construction of jacket structure for wind turbine which widely used in offshore wind power. The major problem during the construction of offshore wind power is that a tower or bottom structure which are supporting structures of the generator are passing above the jacket, and it is necessary to maintain its leveling by accurately measuring the level of the jacket while constructing. Due to its purpose, the level of jacket is adjusted with the leveling system which operates hydraulically, but the leveling system inevitably exposed to the impact load during the pile drive. This study interpreted the influences of impact during the design or construction of the leveling system by considering the interaction between the ground and the jacket structures.

본 연구에서는 대정해상풍력단지 설치 해역과 인근수역을 이용하는 선박교통량과 해상교통흐름의 패턴을 분석하고 단지 조성 후 합리적인 대체통항로 지정에 따른 교통량을 예측하였다. 또한 예측된 교통량을 근거하여 통항로별 통항안전성을 평가하고 검토함으로써 선박의 안전운항에 필요한 제반조건 및 대책을 제시하였다. 풍력단지 설치 해역과 인근수역의 해상교통흐름 패턴을 분석한 결과 총 8가지의 교통흐름으로 분류되었고, 연간 교통량은 8,975 척으로 예측되었다. 이를 근거로 단지 조성 후 4가지의 대체 통항로 지정에 따른 교통량을 예측하였다. 예측된 교통량과 SSPA의 동력선충돌모델을 이용하여 통항안전성을 평가한 결과 충돌 및 침로이탈확률에 관한 국내 안전기준 10-4 이하를 만족하므로 계획된 대체통항로가 유용함을 확인하였다.

전 세계적으로 에너지 수요의 증가에 따라 해상풍력발전을 포함한 해양재생에너지 개발에 대한 선진국들의 관심도가 고조되고 있다. 국내의 경우 정부는 2020년 세계 3대의 해상풍력 강국으로 도약한다는 목표를 설정하고 2011년 11월 “서남해안 2.5GW 해상풍력개발 종합추진계획”을 발표하였다. 또한 ‘신에너지 및 재생에너지 개발 이용 보급 촉진법’의 제정으로 해상풍력발전 개발을 지원할 수 있는 법적근거가 마련되었다 그러나 해상풍력발전사업을 추진하기 위해서는 공유수면 사용의 허가와 여러 기관의 규제를 적용 받아야하는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 해상풍력을 선도하는 국가들의 해상풍력발전의 부지 및 허가에 대한 규정을 검토하고 국내 규정과의 비교분석 및 고찰을 통해 해상풍력발전사업을 효율적으로 추진할 수 있는 대안을 제시한다.

In this study, the capability of an existing analysis method for the fluid-structure-soil interaction of an offshore wind turbine is expanded to account for the geometric nonlinearity and sea water drag force. The geometric stiffness is derived to take care of the large displacement due to the deformation of the tower structure and the rotation of the footing foundation utilizing linearized stability analysis theory. Linearizing the term in Morison’s equation concerning the drag force, its effects are considered. The developed analysis method is applied to the earthquake response analysis of a 5 MW offshore wind turbine. Parameters which can influence dynamic behaviors of the system are identified and their significance are examined.

신재생, 친환경 에너지에 대한 관심의 증가로 최근 상당수의 풍력 발전기가 설치되고 있다. 특히, 육상과 달리 부지 확보의 어려움도 없고 고품질의 바람을 얻을 수 있다는 점에서 해상 풍력 발전기가 더욱 주목을 받고 있다. 이와 같은 장점을 가진 해상 풍력 발전기는 육상의 조선소 등에서 제작된 후, 해상 크레인을 이용하여 운용 지점까지 이송되어 설치되는데, 이때 그 크기의 거대함과 고가라는 이유로 무엇보다 안전이 보증되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치 시 안전성을 보증하기 위한 근거로서, 다물체계 동역학 기법을 활용하여 해상 크레인에 연결된 해상 풍력 발전기의 동역학 해석을 수행하였다. 그 결과, 본 기법이 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치방법에 대한 검증용으로 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 부유식 해상 풍력 발전기의 로터 축과 타워 상단에 작용하는 동적 하중을 계산하였다. 부유식 해상 풍력 발전기는 부유식 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브, 그리고 3개의 블레이드로 구성되어 있는 다물체계 시스템이다. 본 연구에서는 이들 모두를 각각 6 자유도를 갖는 강체로 가정하였다. 부유식 해상 풍력 발전기의 타워는 플랫폼에 고정되어 있고, 3개의 블레이드는 허브에 고정되어 있다. 낫셀은 타워의 상부에 회전 관절로 연결되어 있으며, 블레이드와 허브로 구성된 로터는 낫셀과 회전 관절로 연결되어 있다. 본 연구에서 부유식 풍력 발전기의 운동 방정식은 다물체계 동역학을 기반으로 한 운 동방정식 구성 방법 중 하나인 recursive formulation을 이용하여 구성하였다. 외력으로는 부유식 플랫폼에 작용하는 비선 형 유체 정역학 힘과 선형 유체 동역학적 힘 그리고 계류력을 고려하였고, 블레이드에 작용하는 풍력을 고려하였다. 이와 같이 구성한 운동 방정식을 해를 구하여 풍력 발전기를 구성하고 있는 각 요소들의 각 연결 부위에 작용하고 있는 구속력 을 계산하였다. 그 결과, 동적 상태에서 풍력 발전기에 작용하는 하중은 정적 상태에서 풍력 발전기에 작용하는 하중보다 큰 것을 알 수 있으며, 따라서 부유식 풍력 발전기의 구조해석의 입력 값으로서 정적 하중보다 동적 하중을 고려하는 것이 더 엄격한 해석 기준이라고 할 수 있다.

본 연구는 해상용 부이(bouy)의 전원공급용 풍력 발전기 개발하였으며, 이는 특허 기술 및 SVAWT 모델 개발의 다양한 경험을 바탕으로 실시되었다. 구조 및 진동 안전성의 확인을 위한 방법으로 자체 개발한 디자인 프로그램과 첨단 공학 기술, 전산 유체 역학, 유한 요소법 및 전산 구조 역학이 사용되었다. 특별 로딩 및 해양 부이의 동적 움직임을 유도해서 파도에 의한 진동 조건으로도 간주되었다. 이 디자인은 특별 설계되었고, 특허 에어포일 형상은 테스트를 거쳐 바다 부이의 제한된 설치 공간에 따라 최대 출력을 얻는데 적용되었다. 여러 SVAWT 모델이 구축 되었으며 실제로 부이에 장착되어 바다에서 테스트 중이다.

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.

해상풍력발전단지 발전량의 보다 정확한 예측을 위해 발전단지 예정지 인근에서 측정된 풍속데이터가 반드시 필요하다. 풍속데이터 확보를 위해서는 해상기상탑을 설치하는 방법과 인근 해안가나 섬에 풍속계측타워를 설치하는 방법이 있다. 본 연구에서는 인근 섬에서 측정한 풍속데이터와 WAsP 방법을 이용하여 해상풍력발전단지의 발전량을 예측할 경우에 섬의 지형 및 지면조도의 변화에 따른 발전량 예측값의 민감도를 분석하여 섬의 형상의 불확실성이 발전량 예측에 미치는 영향을 정량적으로 파악하였다. 계측타워의 풍속측정 높이가 높아질수록 섬의 지형 모델링 오차가 발전량 예측에 미치는 영향이 작아졌으며, 섬의 지면조도 변화에 따른 발전량 변동은 미미한 것으로 나타났다.

풍력 발전 분야는 앞으로 에너지 대란에 있어서 이를 해결해 줄 중요한 돌파구 중의 하나이다. 지금까지 연구되어 온 풍력발전기의 Tower에 대한 분야는 정적인 해석에 그치고 있다. 본 연구에서는 타워의 형태를 크게 두 가지 Tubular Type와 Jacket Type으로 정하고 이것에 대한 각각의 특성을 파악하며, 그 경향을 찾아내 이를 실제 설계 및 제작에 적용하고자 하였다. 본 논문에서는 타워의 모드별 고유진동수를 파악하고 이것에 대한 특성을 연구하였으며, 작동 중 발생하는 하중과 해상 설치 시 작용하는 부가질량의 영향에 대하여 고려하여 그 특성을 파악하였고 두가지 유형의 타워의 특성을 비교하여 그 경향을 예측 할 수 있었다.

Recently, wind turbine industry have received more attention than before. Many countries including South Korea focus on the offshore wind turbine because of its geographical advantage. However, domestic technique level is much lower than that of advanced countries such as Europe. In this study, analysis on development trend of offshore wind turbine and design standard in Europe is carried out to develop the original design standard.

본 연구는 해상풍력발전기에 추가적인 통신전용선로를 확보하지 않고도 자체 전력선을 이용하여 나셀의 상태를 감시할 수 있는 시스템을 구현하는 것을 목표로 한다. MW 급 해상풍력발전기의 내부 전력선을 훼손하지 않고도 통신선로를 확보하기 위하여 유도성 결합기 기반 비접촉식 무배선 통신시스템을 제안하고 성능시험 결과를 보고한다. 페라이트 복합물질을 이용하여 최대 500 A의 고 전류에도 동작할 수 있는 전력선 통신용 유도성 결합기를 개발하였으며 제주도 풍력단지에서 실증시험을 진행하였다. iperf를 이용한 통신성능시험에서 풍력발 전기 나셀부와 하단 기저부의 전력변환기간 100 m 길이의 전력선으로 최소 15 Mbps 이상의 통신 속도를 안정적으로 확보할 수 있음을 보였 다. 이를 바탕으로 1 주일간의 연속적인 통신상태 시험을 수행하였으며 평균 20 Mbps의 데이터 전송률을 확인하였다. 시험기간 동안 단한번 의 통신 불량도 발생하지 않았다. 다음으로 나셀 내부 온도 분포와 변화를 측정하기 위하여 적외선 카메라를 설치하였다. 카메라에서 획득한 실시간 열화상 이미지가 오류 없이 성공적으로 전송됨을 확인하였다.

Probabilistic risk of an offshore wind turbine tower-monopile foundation structure is investigated using in this paper. It can consider both soil-structure-fluid coupled effect in the system and a large amount of variability in both ocean environmental load and soil resistance.

고강도 그라우트재가 적용된 해상 풍력 발전 타워 자켓-파일 연결부의 설계를 위하여, 국외 해상풍력발전 타워 설계기준에서 제공하고 있는 그라우트 연결부 설계기준을 검토하였다. 해상 풍력 발전 타워 자켓-파일 기초의 연결은 sleeve의 내측과 파일의 외측에 링 모양의 전단키를 설치하고, 그 사이를 모르터로 채워 연결하는 방식으로 적용된다. 현재 DNV-OS-J101 및 NORSOK 등의 설계기준에서는 모노파일의 연결부 형식과 자켓-파일 연결을 모르터를 이용한 연결방법으로 설계기준이 정립되어 있으나, 설계기준별로 추천하고 있는 그라우트재의 강도는 상이하다. 본 연구에서는 콘크리트의 압축강도(fck), 전단키의 높이(h), 전단키의 간격(s) 및 그라우트 간격(tg)에 따른 연결부의 강도를 분석하기 위하여, 재료비선형 유한요소해석을 이용하여 구조적 거동분석을 수행하였다. 전단키의 간격에 따른 모르터와 전단키의 파괴양상을 확인하였으며, 이를 설계기준에서 제시하고 있는 강도와 비교하였다. 해석 결과를 이용하여 설계기준에서 제시하고 있는 전단키의 간격별 파괴모드와 유한요소해석결과의 파괴모드를 비교분석하여, 고강도 그라우트재의 적용성을 평가하였다.