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.

최근 몇 년간 에너지 위기에 대한 우려가 급격히 증가하고 있으며, 방대한 에너지소비에 따른 환경오염도 큰 문제로 대두되고 있다. 사회적으로 에너지 위기가 고조되고 있는 가운데 새로운 에너지나 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 해결책으로 양어장 등에서 사용되는 폭기장치를 구동하기 위한 에너지를 자연으로부터 얻을 수 있는 가능성을 타진해 본 연구이다. 연구의 목적은 풍력에너지를 이용한 폭기장치의 개발에 있으며, 다양한 풍속 및 수풍면적에 대한 풍력폭기장치의 가능성을 살펴보고 있다. 또한, 최대의 효율을 얻을 수 있는 풍력펌프의 각도에 대한 토출구의 높이를 유도하여 유사한 장치의 설계에 있어 도움을 줄 수 있는 데이터를 제공하고 있다.

본 연구는 풍력터빈으로 입사되는 연직풍속분포를 변화시킴으로써 풍력터빈 운전성능 향상을 위한 풍속전단 경감방법에 대한 것이다. 전산유체역학 소프트웨어인 FLUENT를 사용하여 풍력터빈의 풍상부에 설치한 전단제거 구조물 주위의 정상/비정상상태의 바람장 특성을 모사하였다. 전단제거 구조물의 형상은 펜스, 건물 또는 방풍림일 수 있다. 수치모의 결과에 의하면, 풍력터빈의 회전자 높이구간에서의 풍속전단이 확연하게 경감됨을 확인할 수 있는데, 이는 전단제거 구조물의 후단에서 발생한 유동박리 및 재순환에 의해 형성된 가상적 언덕의 풍속할증 효과 때문이다.

Recently, national attention on the regulations for carbon dioxide emission has risen. Thus, diverse attempts are being actively carried out to reduce the resistance of ships and to develop a new propelling system that reduces the emission of carbon dioxide. This study presents to induce a way to utilize the generated wind power for the electrical energy source of a ship’s lighting, air conditioning and heating by installing a compact wind power facility on the experiment target; a small size high-speed vessel. The vessel targeted for application is a 30ft high-speed leisure boat made of aluminum alloy. The wind power facility installed on the hull and the batteries that will be charged by the electric energy generated by the wind power system were considered at the designing stage of the boat. A new presumption equation for air resistance of wind turbines and efficient measures for management are suggested based on a model test that verifies the basic performance of the wind-powered leisure boat.

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 논문에서는 상온 및 방사선 경화 복합재 풍력 블레이드의 구조성능을 비교하기 위하여 단면 강성, 정적응력 및 동적 고유 진동수를 해석하였다. 먼저 상온 및 방사선 경화공정에 의한 복합재료 시편의 탄성계수 등 물성 값을 적용하였다. 블 레이드의 단면 강성 값은 고형 복합재료 보 이론을 적용하여 유한요소 적분법으로 계산하였다. 허브 체결부위를 포함한 소형 풍력 블레이드를 상용 유한요소 프로그램으로 모델링하여 최대 변위와 응력분포 등을 확인하였다. 또한, 풍력 블레이 드의 회전속도에 따른 원심력 효과를 고려하여 고유 진동수 해석을 병행하였다. 이와 같은 일련의 해석결과를 상호 비교 함으로써, 상온 및 방사선 경화 복합재료의 물성 값 차이에서 기인하는 풍력 블레이드의 구조성능 변화를 정량적으로 분 석하였다.

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.

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 검벨 분포로 해석하였다. 이에 의하여 결정된 풍력발전기 형식등급은 II A인 것으로 나타났다.

본 연구에서는 바람의 방향이 시시각각 변하고 바람의 세기가 해양이나 고지대에 비하여 낮은 도심지역에 적합한 수직축 고효율 풍력발전시스템에 적용할 블레이드의 형상제안 및 정지기동특성에 대한 이차원해석을 하였다. 해석에 사용된 블레이드 형태는 NACA airfoil(NACA 2312)을 기본으로 하고, 변형된 모델들에 대해 조사하였다. 그 결과 일반적으로 풍속이 증가함에 따라서 토크 값은 지수함수의 형태와 유사하게 증가함을 알 수 있었다. 또한 6케이스 중 플랩이 없는 블레이드 2 타입이 가장 높은 토크값을 나타내었으며, 블레이드 1 타입의 경우는 30° 플랩을 부착한 경우가 가장 우수하였다.

풍력발전기의 출력곡선은 풍속과 출력의 관계를 나타내는 것이다. 풍력발전기의 출력은 밀도에 비례하고 풍속의 삼승에 비례하므로 신뢰성 있는 출력곡선을 얻으려면 풍황중 특히 풍속도을 정확히 측정하고 분석하여야 한다. 풍속도는 크기인 풍속과 풍향으로 표현되는 매우 불규칙한 난류 벡터량이다. 풍속도 난류는 출력에 지대한 영향을 미치므로 이에 대한 특성분석이 매우 중요하다. 본 연구에서는 풍속도의 난류를 먼저 난류강도로 나타내어 출력에 대한 영향을 풍속의 함수로 분석하였다. 이어서 풍속도의 난류를 풍속난류와 풍향난류로 나누어 출력에 미치는 영향을 난류강도와 풍속의 함수로 분석하였다. 그 결과 시동풍속 부근의 저속영역에서는 난류강도가 큰 경우가 보다 큰 출력을 생산함을 알게 되었다. 연간발전량 역시 연평균풍속이 시동풍속 부근인 경우에는 난류강도가 큰 경우가 많았으나 풍력발전이 경제성을 갖는 풍속에서는 예상대로 난류강도가 작을수록 증가하였다. 또한 시동풍속 부근의 저풍속 영역에서는 풍속난류가 출력에 큰 영향을 주며, 고풍속 영역에서는 풍향난류가 출력에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

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.

본 연구에서는 풍력발전에 적용되는 이론 분석을 통해 공력해석 프로그램을 개발하였으며, 풍동실험 결과와 비교 분석을 통해 정확성을 검증하였다. 그 결과로 개발한 계산 프로그램의 정확성과 유용성이 입증되어, 앞으로 새로운 풍차 익형 개발에 활용하고자 한다.

최근 천연화석 연료의 부족과 원유 원가의 상승에 의해 많은 국가와 연구실에서 자연에너지 이용에 대해 연구하고 있다. 이런 추세에 풍력 및 태양광 에너지를 동시에 이용하는 복합시스템을 사용한 가로등 개발에 초점을 맞추었다. 이 연구에서 태양광 발전을 위한 태양전지는 시중에서 쉽게 구입할 수 있기 때문에 3익 타입의 HAWT를 위한 로터 블레이드 개발로 한정하였다. 이 로터 블레이드의 개발을 위해 BEM을 이용하였고, 이에 대한 성능평가를 위해 CFD기법을 이용하였다.