Manuscript received July 27, 2016, accepted November 9, 2016
Conceptual Design of Self-Weighing Support Structure for Offshore Wind Turbines and Self-Floating Field Test
자중조절형
해상풍력 지지구조 개념설계 및 부유이송 현장시험
Seoktae Kim
*†, Donghyun Kim
**, Keumseok Kang
*, Minuk Jung
*김석태
*†, 김동현
*, 강금석
**, 정민욱
***
KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation, 105 Munji-ro Yuseong-gu, Daejeon 34056, Korea
**
School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University and CAE-KOREA, 501 Jinju-Daero, Jinju-si, Gyeongsangnam-do, 52828, Korea
† [email protected]
Abstract
Offshore wind power can be an alternative for onshore wind power which suffers from not only civil complaints regarding to landscape damage and noise but also wind power siting due to lack of onshore site candidates. Compared to onshore wind power, offshore wind power is free from these problems considering that generally the sites are far enough from the coast. And more electricity is generated in offshore wind turbines due to abundant offshore wind resources. However high installation costs of offshore turbines could deteriorate the economical efficiency. The main cause of the high installation costs comes from a long-term lease of the heavy marine equipment and the consequential high rental cost. In this paper, the conceptual design of the support structure for offshore wind turbines will be suggested for the installation of them with less heavy marine equipment.
해상풍력발전은 경관 및 소음 등의 문제 및 풍황자원 고갈로 인한 사업부지 확보가 어려운 육상풍력발전의 대 안으로 주목받고 있다. 해상풍력은 해상에 풍력터빈을 세우기 때문에 경관 훼손이나 소음으로 인한 민원발생이 적고 상대적으로 풍황자원이 풍부하기 때문에 발전생산성이 높다. 그러나 육상풍력에 비해 해상풍력은 설치비가 높아 경 제성이 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 이러한 높은 설치비는 해상작업에 필요한 대형장비의 대여기간과 높은 대여 료에서 기인하는데, 본 논문에서는 대형 해상장비의 사용을 최소화하여 설치할 수 있는 해상풍력 지지구조의 개념설 계를 수행하였다.
Keywords: Offshore Wind Turbine, Support Structure, Offshore Installation, Self-Weighing, Self-Floating
I. 서 론
해상풍력은 육상풍력에 비해 풍황자원이 풍부하여 발전효율이 높지만 해상에 풍력터빈을 설치해야 하기 때문에 설치비가 매우 비싸다는 단점이 있다. 유럽의 해 상풍력사업 LCOE (levelized cost of energy) 구성비를 살펴 보면 Fig. 1과 같이 풍력터빈의 비율이 28%로 가장 높고 다음으로 설치비가 22%, 지지구조비용이 19% 순으로 비 용이 높다 [1]. 또한, 해상풍력 관련 산업계 816명을 대 상으로 해상풍력사업 비용절감 가능성에 대한 설문조사 를 수행하였는데, Fig. 2와 같이 지지구조비용, 설치비, 풍 력터빈 순으로 나타났다 [1]. 이는 풍력터빈은 지속적인 기술개발과 경쟁으로 인하여 비용절감에 대한 기대가 낮으나 , 지지구조와 설치시공은 추가적인 기술개발을 통 해 비용절감 가능성이 높다고 판단하기 때문이다.
현재 , 해상풍력은 유럽이 주도하고 있으며, Fig. 3에 서와 같이 유럽에서는 해상풍력 지지구조로 모노파일을 압도적으로 많이 사용한다 [1]. 가동 중인 해상풍력단지,
건설중인 해상풍력단지, 승인되어 건설 예정 중인 해상 풍력단지 등 모든 단계의 해상풍력단지에서 모노파일이 절반 이상의 높은 비중을 차지하고 있다. 이는 모노파일 이 상대적으로 제작이 간단하고 유럽의 해저지반이 비 교적 단단하기 때문이다.
현재 국내의 해상풍력 개발 단계는 최초의 해상풍 력단지가 건설되고 있는 태동기이며, 서남해 해상풍력 실증단지 및 탐라해상풍력단지 모두 지지구조를 국내에 서 전통적으로 적용되어온 자켓(jacket)형식을 채택하였 다 . 자켓 형식 지지구조는 국내에서 설치 경험이 풍부하 여 비교적 안전하게 설치가 가능하다. 하지만 암반의 심 도가 50m로 깊은 지반에서는, 핀파일을 암반까지 항타 하여 설치하고 그 위에 자켓 레그를 해상크레인으로 조 립하여 설치하는 자켓 형식 지지구조는 고가의 해상장 비를 장기간에 걸쳐 사용하여야 하므로 과도한 설치비 가 발생한다.
조금 더 구체적으로 살펴보면, 해상풍력 지지구조
및 풍력터빈의 설치하기 위해서는 여러 가지 해상장비 가 요구되며, 특히 해상설치작업의 주력 중장비인 설치 선은 크게 liftboat, JU(jack-up) barge, SPIV(self-propelled installation vessel)로 구분할 수 있고, 문헌에 따르면 4~6 knot의 속도로 이동가능하고 1~2 MW급 풍력터빈을 설치 할 수 있는 liftboat의 경우 일당 대여료가 $12,500 ~ 75,000이고, 4~8 knot로 이동가능하고 2~4 MW급 지지구조 물 또는 2~6 MW급 풍력터빈을 설치할 수 있는 JU barge 의 경우 일당 대여료가 $25,000~150,000이며, 8~12 knot로 이동가능하고 4~8 MW급 지지구조물 또는 6~8 MW급 풍 력터빈을 설치할 수 있는 SPIV의 경우, 일당 대여료가
$60,000~300,000에 달한다고 보고되었다 [2]. 이러한 설 치선을 사용하기 위해서는 해상운송바지, 예인선, 해상 작업 선원용 선박 등이 부가적으로 필요한데, 이러한 해 상장비의 대여료는 상대적으로 낮고 계산할 때 각각
$10,000, $1,750, $3,500 등으로 가정하여 계산한다 [2]. 설 치비용은 이 뿐만 아니라, 자켓형 지지구조나, 모노파일 지지구조 같은 경우, 항타 또는 드릴링 장비 등을 추가
하여 고려하여야 하며, 기상상황을 고려한 작업일수를 감안한다면 설치비용은 더욱 높아질 것이다.
그러므로 본 논문에서는 대형해상장비의 사용을 최 소화하고 급속설치가 가능한 새로운 해상풍력 지지구조 개념을 고안하고 시험용 지지구조 축소모형을 설계·제작 하여 현장시험을 수행한 결과를 소개하고자 한다.
II. 해상풍력 지지구조 설계 요구사항
해상풍력 지지구조물 및 풍력터빈의 설치비용을 절 감하기 위해서는 대여료가 가장 높은 설치선을 사용하 지 않거나 최소화하여 급속 설치하여야 한다고 판단하 고 아래와 같은 설계 요구사항을 정리하였다.
현재까지 사용되는 해상풍력 지지구조 형식에는 모 노파일 , 중력식베이스, HRPC (High-Rise Pile Cap), 자켓, 트 라이포드, 트라이파일 등이 있으나, Table 1의 설계 요구 사항을 모두 만족하는 하는 지지구조 형식은 존재하지 않는다. 그러나 중력식베이스의 경우, 수직부유이송이 가능하고 해상기상탑에 적용한 사례가 있어 본 논문의 개념과 가장 유사하다 [3]. 그러나 중력식베이스의 경우, 해저면 평탄화 작업이 필수적이고 막대한 해저 점유공 간과 비용을 동반한다 [4]. 이 부분이 보다 혁신적이고 새로운 개념의 설계가 필요한 이유이기도 하다.
III. 자중조절 해상풍력 지지구조 개념
그러므로 본 논문에서는 새로운 개념의 해상풍력 지지구조를 제안하고 축소 시작품을 제작하여 그 가능 성을 가늠하고자 한다. Fig. 4는 본 논문에서 제안하고자 하는 해상풍력 지지구조의 개념도로 지지구조의 자중을 조절할 수 있는 하부구조물 내부에 탱크를 가지고 있어 자체수직부유이송이 가능하며, 내부에 해수 또는 자갈, 모래 등을 채워 수직으로 침강할 수 있다. 또한, 석션기 초를 도입하여 평탄화 작업 없이 기초구조물을 1~2일 안에 급속설치할 수 있다. 이 지지구조는 하부구조물의 자중으로 지지력 감당하고 석션기초는 주로 해저 평탄 화 작업을 대신하는 역할을 하고 일부 지지력을 보조할 수 있다.
Table 3.과 같이 설계 요구사항에 대한 적합성을 설 계 개념상 확인하였고 특히, 설계 요구사항 9에 대해서
Fig. 1. 해상풍력 LCOE 구성비.
Fig. 2. 해상풍력에 대한 비용절감 가능성 조사.
Fig. 3. 해상풍력에 사용되는 지지구조 형식.
Table 1. 지지구조 설계 요구사항
1 부유식이 아닌 고정식 지지구조형식일 것 → 지지 안정성 확보
2 자체부유이송이 가능할 것 → 운송바지 불요
3 자체 직립화(upending) 또는 자체수직부유가 가능할 것
→ 설치선 불요 4 자체침강 및 부상이 가능할 것
5 드릴링 또는 해머링 없이 기초 설치 가능할 것
6 설치 전 지반 준비작업(평탄화 등)이 필요
없을 것 → 추가 해상장비 불요
7 연약지반에도 설치가 가능할 것 → 서남해 적용 필요 8 급속설치(10일/기)가 가능할 것 → 설치기간 단축 9 풍력터빈이 조립된 상태로 이송 가능할 것 → 일괄설치
는 Fig. 5와 같이 풍력터빈을 항구에서 출발 전에 조립하 여 지지구조물에 탑재한 상태에서 직립(수직) 부유하여 이송이 가능하다. 또한 해상크레인이나 전용 설치선 없 이 별도로 구비된 조절장치 혹은 예인선, 윈치장치와 같 은 외부장치를 이용하여 위치를 조정하면서 침강시켜 석션버켓을 설치할 수도 있다[5].
IV. 시작품 기본설계 및 해석, 제작
A. 기본설계 및 부유이송 해석
본 논문에서 제시하는 해상풍력 지지구조는 기존 지지구조형식과는 달리 설계 요구사항을 만족하기 위해 수직부유이송에 대한 해석이 추가로 고려되어야 한다.
또한 앞에서 제시한 지지구조 개념의 가능성 확인 을 위하여 축소 시작품을 설계하고 제작하여 실해역 현 장시험을 수행하였으며, 이 때 풍력터빈을 탑재하지 않 고 현장시험을 수행할 계획이었으므로 풍력터빈으로 인 한 하중은 축소 시작품 설계 시 고려하지 않았다.
지지구조 축소 시작품 설계/해석 시 가장 먼저 하부 구조물에 대한 형상설계를 수행하였다. 다음으로 상기 구조물에 대해 초기 구조해석 및 부유이송해석을 수행 하여 기초구조물 설계를 위한 데이터를 도출하였다. 지
반물성치와 상기 데이터를 토대로 기초구조물을 설계한 후 , 하부구조물과 기초구조물로 구성된 통합 지지구조물 에 대한 2차 구조해석 및 부유이송해석을 수행하였다.
해석 결과가 설계 요구조건을 만족하면 설계를 종료하 고 그렇지 않으면 만족 시까지 피드(feed)설계를 반복하 여 수행한다.
하부구조물은 Fig. 4의 개념도에 기반하여 형상을 설 계하였으며 , 이를 바탕으로 Fig. 6과 같이 부유이송해석 에 대하여 모델링을 수행하였다. 외력조건은 Sea State 3 등급으로 파고 1.4 m, 주기 6.5 s를 적용하였고 조류속은 1.04 m/s, 풍속은 10 m/s으로 다소 가혹한 조건을 적용하 였다 .
Fig. 7은 시간영역에서 부유이송 안정성해석 결과를 보여주고 있는데, 첫 번째 그래프는 축소 시작품의 롤링 (rolling) 운동응답을, 두 번째 그래프는 피칭(pitching) 운 동응답을 보여주고 있다. 롤링에 대한 운동응답은 매우 안정적인데 반해, 피칭에 대한 운동응답은 40초 정도에 20° 정도로 순간적으로 앞뒤로 기울어지지만, 곧 안정성
Fig. 4. 신개념 해상풍력 지지구조 개념도.
Fig. 5. 해상풍력터빈 및 지지구조물 일괄설치 개념도.
Fig. 6. 하부구조물 설계를 위한 부유이송 해석모델.
Table 2. 설계 요구사항 적합성 해상풍력
지지구조 형식 적합 부적합
1. 모노파일 요구사항 1, 6, 7 요구사항 2, 3, 4, 5, 8, 9 2. 중력식베이스 요구사항 1, 2, 3, 4, 5, 8, 9 요구사항 6, 7 3. HRPC 요구사항 1, 6, 7 요구사항 2, 3, 4, 5, 8, 9 4. 자켓 요구사항 1, 6, 7 요구사항 2, 3, 4, 5, 8, 9 5. 트라이포드 요구사항 1, 6, 7 요구사항 2, 3, 4, 5, 8, 9 6. 트라이파일 요구사항 1, 6, 7 요구사항 2, 3, 4, 5, 8, 9
※ 대형 자켓형 지지구조는 레그를 밀봉하여 수평으로 부유이송하 기도 하나 해상크레인 없이 upending하기 매우 어렵기 때문에 요구사항 2, 3, 4에 부적합하다고 판단.
※ 풍력터빈 및 지지구조 전용 설치선을 이용하여 설계 요구사항을 만족할 수 있는 것은 제외하고 지지구조 자체기능이 포함된 것 을 기준으로 작성됨.
Table 3. 설계 요구사항 적합성 확인 1 부유식이 아닌 고정식 지지
구조형식일 것 → 중력식+석션기조 고정식 지지
2 자체부유이송이 가능할 것 → 자중조절 기능 (탱크 부유체로 활용) 3 자체 직립화(upending) 또는
자체수직부유가 가능할 것
→ 자중조절 기능 (자체 수직부유 가능) 4 자체침강 및 부상이 가능할
것
→ 자중조절 기능 (탱크 내부 채움) 5 드릴링 또는 해머링 없이 기
초 설치 가능할 것
→ 석션기초
(석션 내외부 압력차로 설치) 6 설치 전 지반 준비작업(평탄
화 등)이 필요 없을 것
→ 석션기초
(다수의 석션버켓으로 평탄화) 7 연약지반에도 설치가 가능할
것
→ 석션기초 적용가능 (예: 해모수 2 기초) 8 급속설치(10일/기)가 가능할
것
→ 석션기초 설치 1~2일 예상
※ 이송기간 및 풍력터빈 설치기간 별도
9 풍력터빈이 조립된 상태로
이송 가능할 것 → 개념상 일괄설치 가능
을 회복하는 것으로 나타났다. 이는 전후 길이가 긴 일 반적인 선박과 달리 형상이 전후 길이가 짧아 구조상 발생할 수 있는 현상으로 판단되며, 피칭각(pitching degree) 이 발산하지 않으므로 예인선을 이용하여 자체부유이송 이 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 6의 하부구조물 형상을 이용하여 Fig. 8과 같이 지지구조 축소 시작품의 기본설계를 수행하였다. 육상운 송 및 다양한 수심에 대응하기 위하여 기둥부(Section 1) 을 자중조절 탱크부(Section 2)와 분리할 수 있도록 설계 하였다 .
Fig. 8과 같이 석션기초를 포함한 축소 시작품의 기 본설계로 같은 조건(Sea state 3등급)으로 Fig.9와 같이 모 델링하여 부유이송해석을 다시 수행하였고 Fig. 10~11과 같은 롤링과 피칭에 대한 거동 해석결과를 도출하였다.
축소 시작품 구조적 특성으로 인해 피칭운동의 폭은 다 소 크게 나타났지만 피칭각이 발산하지 않고 일정범위
Fig. 7. 축소 시작품의 피칭 및 롤링 거동.
Fig. 8. 축소 시작품의 속성.
Table 4. 내·외부 수위차에 따른 구조해석
구분 외부수위
(m)
내부수위 (m)
구조물 보강재
최대변위 (mm)
최대응력 (MPa)
최대변위 (mm)
최대응력 (MPa) Case 1 10 10 37.2 82.4. 1.64 105.77 Case 2 10 15 36.85 104.47 2.65 223.05 Case 3 10 20 36.89 176.17 4.63 377.22 Case 4 20 10 28.09 231.88 7.86 420.62 Case 5 20 15 27.15 164.81 5.87 275.88 Case 6 20 20 26.33 98.42 3.87 168.47
Fig. 9. 축소 시작품 부유이송해석 모델링.
Fig. 10. 축소 시작품에 대한 부유이송 해석결과.
Fig. 11. 축소 시작품의 피칭 운동거동.
로 유지하는 것으로 보아 부유이송이 가능하다는 결론 을 도출하였다. 또한, 이는 피칭 거동운동의 경향성을 보여줄 뿐 실제와는 그 수치가 다소 차이가 있을 수도 있다.
또한 , 축소 시작품이 해상에 풍력터빈을 설치할 목 적으로 제작된 구조물이 아니므로 풍력터빈에 의한 풍 하중은 구조해석 시 반영하지 않았다. 또한 지지구조물 이 설치 완료된 상태에서는 Fig. 12와 같이 하부구조물이 석션버켓에 의해 고정되었다고 가정하였다. 축소 시작품 의 내·외부 수심에 대한 수압차에 의한 구조해석 수행을 위하여 6가지의 케이스를 모델링하고, 해석결과를 Table
4와 같이 도출하였다.
해석결과에 따르면 Case4의 경우, 외부수위가 20 m 이고 내부수위가 10m로 가장 수위차가 많이 발생하여 수압에 의한 압력이 가장 많이 발생하고 있다. Case4에 대한 응력 및 변위경향은 Fig. 13과 Fig. 14와 같이 나타 난다 . 이는 축소 시작품의 설치수심과 간조를 적절히 이 용하여 수심차를 5m 이내로 조절하여 설치시험을 수행 하여 회피할 수 있다.
B. 축소 시작품 상세설계 및 제작
현장시험을 위하여 축소 시작품의 기본설계를 바탕 으로 Fig.15~18과 같이 상세설계를 수행하였다. 시험당일 의 풍속 및 풍향, 축소 시작품의 거동 등의 데이터를 측
Fig. 12. 파도, 조류 및 내·외부 수위차에 대한 구조해석.
Fig. 13. Case 4에 대한 기둥부 및 자중조절 탱크 구조해석 결과.
Fig. 14. Case 4에 대한 내부 보강대 구조해석 결과.
Fig. 15. 축소 시작품의 상세설계 렌더링.
Fig. 16. 데크에서의 발전기 배치.
정하기 위한 각종 계측기를 설치위치에 부착하였으며, 계측기와 펌프를 작동하기 위한 발전기를 지지구조물 내부의 접근동선과 중첩되지 않도록 데크의 가장자리에 배치하였다 (Fig 16). 펌프는 수중펌프와 석션펌프가 탑 재되었으며 각각 자중조절을 위한 내부로의 해수주입과 석션버켓의 관입을 위한 용도로 사용된다. 발전기의 중 량은 약 1 ton이며, 이로 인한 편심을 해결하고자 Fig. 17 와 같이 수중펌프와 연결되는 배관들과 작업자 접근을 위한 내·외부 사다리를 발전기의 반대편에 배치하였다.
또한 , 지지구조물의 내부는 자중조절 탱크의 역할을 수 행하며, Fig. 18과 같이 내부에 보강대를 설치하였다. 또 한 무게중심을 낮추어 안정적인 부유이송을 실현하기 위해 자중조절 탱크 바닥에 콘크리트를 약 110 mm 타설 하도록 설계하였다.
Fig. 15~18과 같은 상세설계를 기반으로 축소 시작품
Fig. 17. 해수 유입 및 배수를 위한 배관 배치.
Fig. 18. 자중조절 탱크 및 보강대.
Fig. 19. 축소 시작품 분리 제작사진.
Fig. 20. 조립된 축소 시작품 제작사진.
Fig. 21. 항내 단거리 부유이송 현장시험.
Fig. 22. 항내 단거리 부유이송 피칭거동.
Fig. 23. 항내 단거리 부유이송 롤링거동.
을 제작하였다. 축소 시작품을 육상이동을 위해 Fig. 19 과 같이 분리할 수 있고 Fig. 20와 같이 플랜지 결합으로 조립될 수 있도록 제작하였다.
V. 현장시험
A. 단거리 부유이송 현장시험
장거리 실해역 부유이송시험 전 사전시험으로 2015 년 12월 2일 Fig. 21과 같이 군산항내에서 우천에도 불구 하고 부유이송시험을 강행하였다. 시험당일 풍속 6 m/s, 파고 0.4 m, 조류속 0.2 m/s의 해상환경에서 1,000 HP 예 인선을 이용하여 2~4 knot의 속력으로 예인하여 자체부 유이송에 성공하였다. 부유이송시험으로 취득한 축소 시 작품의 부유이송 데이터에서는 Fig. 22~23와 같이 피칭각 과 롤링각이 발산하지 않고 안정적인 거동을 보여주었 다 . 현장시험의 결과는 해석으로 수행했던 지지구조물의 부유이송 운동응답 특성과 어느정도 일치하였으며, 이를 통해 실해역 부유이송에 대한 막연한 불안감을 해소하 는 계기가 되었다.
B. 장거리 실해역 부유이송 현장시험
2016년 5월 24일 서남해 실해역에서 군산항과 구시 포항 간의 72 km 거리를 약 8시간 동안 1,000 HP의 예인 선을 이용하여 축소시작품 장거리 자체부유이송에 성공 하였다 . 이동하는 동안 평균파고 0.2 m, 평균조류속 0.4 m/s, 평균풍속 2.7 m/s 등의 환경에서 약 4.6 knot의 속도 로 축소 시작품을 부유이송하였다. 설치 현장에 도착한 후, 자중 조절탱크에 해수를 주입을 통한 축소 시작품을 침강시험도 일부 수행하여 자중조절 설치 기능도 확인 하였다.
Fig. 25과 26은 각각 축소 시작품의 피칭거동과 롤링 거동을 보여주는 그래프로 5월 24일 16시경 축소 시작 품을 군산항 컨테이너부두에서 진수하여 구시포항 인근 현장시험 장소까지 장거리 부유이송하는 동안의 전 과 정에 대한 거동을 보여주고 있다. 두 그래프 모두 초기 부분에 각도의 변화가 상대적으로 큰 것은 축소 시작품 을 진수하는 동안에도 데이터를 취득하여 나타나는 현
상이고 단거리 항내 부유이송에 비하여 해상환경이 마 일드하였기 때문에 부유운송 과정에서 피치 및 롤링운 동이 5° 이내에서 더욱 안정적이었다.
VI. 결론 및 향후계획
지금까지 본 논문에서는 자중조절 기능을 이용한 해상풍력 지지구조의 개념을 소개하였다. 상기 지지구조 물은 이송 시에는 자체 수직부유하여 예인선으로 용이 하게 이송할 수 있으며, 설치 시에는 내부 해수주입을 통한 자체 수직침강 설치로 고가의 해상장비가 필요하 지 않으며, 석션버켓을 기초구조물로 채택하여 급속설치 가 가능하다. 또한 지지구조의 검증을 위하여 축소시작 품을 제작하였으며, 이를 이용하여 단거리 및 장거리 수 직부유이송에 대한 실해역 현장시험을 수행하였다. 해상 크레인 또는 해상풍력 전용 설치선을 사용하지 않거나 매우 작은 용량의 크레인을 이용하여 지지구조물을 해 상설치하기 위해서는 자체 수직부유와 자체 수직침강이 필수적이며 이 기능을 정상적으로 구현할 수 있음을 현 장시험으로 확인하였다. 향후, 축소 시작품의 밸러스트 기능을 일부 보완하여 추가 시험을 진행할 예정이며, 자 중조절 기능을 이용하여 자체 수직 침강기능을 미세 제 어하여 추가적인 적용 가능성을 검토할 예정이다.
상기의 결과물을 실규모(MW급) 해상풍력 지지구조 설계에 적용할 예정이며, 서남해 해상풍력단지 적용을 고려하여 실증계획을 수립하고 경제성분석을 수행할 예 정이다.
ACKNOWLEDGEMENT
This research was supported by Korea Electric Power Corporation through KEPCO Research Institute. (grant number : R14EA02)
Fig. 24. 장거리 부유이송 및 침강 현장시험.
Fig. 25. 실해역 장거리 부유이송 피칭거동.
Fig. 26. 실해역 장거리 부유이송 롤링거동.
