기술해설
40 유공압시스템학회지 제8권 제1호 2011. 3
부유식 해상풍력발전시스템의 기술특성 및 개발동향 Technical Characteristics and Development Trends
in Floating Wind Turbines
임채환․송진섭․김재동
C. W. RIM, J. S. Song and J. D. Kim
너셀
타워
부유체 계류삭
너셀
타워
부유체 계류삭
그림 3 부유식 풍력발전 시스템 개념도 및 명칭 <NREL>1) 1. 서 론
풍력발전시스템은 크게 육상풍력발전시스템과 해 상풍력발전시스템으로 분류할 수 있으며 해상시스 템은 다시 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정 식 해상풍력발전시스템은 해상의 낮은 수심에서 고 정식 해상구조물 위에 풍력발전기를 설치하는 구조 로 이루어져 있으나, 부유식은 해상에 떠있는 부유 체 위에 타워를 고정시키고 부유체의 운동은 계류 장치(Mooring System)에 의해 제어하는 구조로 이 루어져 있다. 따라서, 수심이 깊어져도 특별히 구조 물의 크기가 커질 필요가 없는 장점을 갖는다. 부유 식 풍력발전시스템은 그림 1과 같이 설계개념에 따 라 다양한 부유체와 계류장치의 조합이 가능하기 때문에 세계적으로 다양한 형식의 연구개발이 진행 되고 있다.
이 글에서는 기존의 고정식 풍력발전기에 대비하 여 부유식 풍력발전시스템의 기술적 특성과 세계적 인 개발동향에 대하여 논하였다.
2. 기술적 특성
고정식 구조물은 환경하중을 구조적 변형으로 흡 수하는 데 반해, 부유식 구조물은 주로 6자유도 운 동과 비선형 표류운동으로 나타나게 되며 별도의 장치를 통하여 이러한 운동을 일부 억제하거나 보 상하게 된다.
부유식 플랫폼의 종류는 하부구조물이 외력을 받 을 때, 복원력 발생 원리에 따라 분류하게 되는데, 주상형(Spar), 인장각 계류형(Tension Leg Platform, TLP), 그리고 폰툰형(Pontoon)이 대표적인 형식이 다.2) 주상형은 실린더 형태의 구조물이 수직으로 서 있고 그 위에 플랫폼이 설치된 형태로서 부력중심 하부에 중력 중심을 위치시켜 안정성을 확보하는 방식이며, 위치 유지를 위하여 유연계류장치 또는 긴장계류장치를 설치하게 된다(그림 2). 인장각 계 류형의 형태는 그림 3에 나타난 바와 같다. 플랫폼 을 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 쇠 줄을 끌어당겨 설치함으로써 쇠줄에는 잉여부력에
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의한 인장력이 작용하게 되어 플랫폼의 수평운동에 대한 복원력으로 작용하게 한다. 반잠수식 구조는 수면에서 작용하는 파랑하중의 영향을 감소시킬 수 있다. 하부구조물에 작용하는 하중이 인장계류부재 를 통하여 해저의 지반에 전달되므로 해저의 기초 설치가 비교적 용이한 경우에 유효한 형식이다. 폰 툰형 플랫폼은 선박의 복원성 원리와 같이 복원모 멘트를 이용하는 방식으로서, 수면위에 떠 있기 때 문에 파의 영향을 많이 받게 되므로 비교적 정온한 해역에 적합한 형식이다. 그림 4와 같은 반잠수식 폰툰형은 수선면적이 작아 파랑하중은 적게 받으면 서도 고유주기는 길어져 파랑과의 공진 회피가 가 능하며 큰 배수량의 하부구조를 물속에 배치하여 수직운동을 감소시키게 된다.
그림 4 주상형 그림 5 TLP형
그림 6 반잠수식 Pontoon형
3. 부유식 풍력시스템 개발동향
BlueH 프로젝트에서는 부유식 풍력발전기 프로 토타입을 이탈리아 남서해안으로부터 21km 떨어진
수심 113m 지역에 2007년 12월에 설치하였다.
80kW 용량으로서 바람 및 해상 상태에 대한 시험 데이타를 수집하고 설계, 조립, 설치 작업등에 대한 시험을 수행한 후 2.4MW 발전기를 90MW 규모의 풍력발전단지 건설을 계획한 후 2008년 말에 해체 되었다. TLP 플랫폼 형식과 2개의 날개를 갖는 풍 력 터빈을 채용하였는데, 발전기 용량이 작기 때문 에 발전에 의미를 두는 것보다 부유식이라는 형식 을 시험하였다는 것에 의미가 있다. 2009년 8월 노 르웨이 남서해상에 약 6,200만달러를 투입하여 주상 형 플랫폼 형식의 풍력발전기(그림 5)를 설치한 HYWIND 프로젝트가 계통에 연결된 최초의 부유 식 풍력발전기로 기록되었다. 1년간 운영 후에는 노 르웨이 전력망에 연결될 예정이다. 2009년 9월에는 미국 메인주(Maine, USA)와는 주의 심해개발에 HYWIND기술의 적용 타당성을 공동으로 연구하기 로 합의하였고, 25MW 규모의 부유식 풍력발전 파 일럿 프로젝트 제안서를 HYWIND에 요청하였다.
그리고, 2010년 8월에 스코틀랜드는 HYWIND 프 로젝트의 상업적 타당성을 확인하기 위하여 3-5개 의 부유식 풍력발전기를 설치할 예정이라고 발표하 였다.
그림 7 HYWIND Technical Spec.
SWAY사에서는 그림 6에 나타난 바와 같은 부유 식 풍력발전시스템을 개발하였다. 하나의 인장각 (Tension Leg)만을 사용하는 대신 와이어(Wire)로 써 타워 하중을 제한할 수 있도록 고안 되었고, 다 운윈드(Downwind), 공기역학적 타원단면형상, 중력 앵커(Gravity Anchor) 등의 독특한 구조형식을 적 용하였다. 2010년 2월에 에노버(Enova)는 10MW급 SWAY 시스템(기어리스, 로터직경 145m) 개발에 1,720만 유로를 투자하였다. 2013년 노르웨이 해역 에 5MW급 발전기 설치를 위하여 1/6 축소실증모델
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도 건설하였다. 이 외에도 그림 7과 같이 정․동적 안정성과 제작 및 설치의 편의성을 고려한 설계 개 념이 시도되고 있다.
그림 8 SWAY 그림 9 WIndFloat
그림 10 Floating Wind Lens Farm
그림 11 Hexagonal Floating Wind Platform
그림 8은 렌즈 모양의 부유식 풍력발전단지시스 템(Floating Wind Lens Farm)은 상호간의 연결고 리에 의해 바람에너지를 각 고리의 중심으로 모아 줌으로써 전력생산량을 늘리고자 고안되었고, 수년 내에 일본 연안에 설치될 예정이다.
그림 9와 같이 파력발전 겸용 부유식 풍력발전장 치에 대해서 제안된 사례도 있다.
4. 부유식 풍력시스템 해석기술
부유식 해상풍력발전시스템은 바람과 함께 파도, 해류, 조류 등 다양한 외부환경에 노출되고, 시스템 의 특성상 비교적 큰 운동을 동반하게 된다. 따라 서, 이러한 환경에서도 구조물의 안전성을 확보하 고 발전성능을 유지하는 것이 주요한 기술적 과제 이다. 이러한 복잡한 시스템의 설계를 위해서는 하 중, 운동, 발전 성능 등을 예측할 수 있는 해석기술 의 도움은 필수적이다.
그림 12 부유식 풍력발전시스템 해석S/W 구조
그림 13 부유식 풍력발전 해석 S/W 플랫폼
NREL의 FAST3)를 비롯하여 부유식 풍력발전시 스템 해석기술 개발은 세계적으로 활발히 진행되고 있으며 우리나라도 자체적인 해석기술을 확보하여 국내산업의 부유식 풍력시스템 개발을 밀착 지원할 필요가 있다. 이에, 한국기계연구원에서는 다물체
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동역학 해석SW인 다풀(DAFUL)을 플랫폼으로 부 유식 풍력발전 동역학 시뮬레이션 SW를 개발 중에 있다. 프로그램의 기본적 구성은 그림 10에 나타난 바와 같이 육상 풍력발전의 공기역학, 구조다물체동 역학, 제어시스템과 부유체의 운동을 고려하기 위한 유체력을 연동할 수 있도록 구성되어 있고, 설계목 적에 따른 각각의 구성요소에 대한 모델링 모듈을 제공하는 것을 목표로 하고 있다.(그림 11)4)
5. 결 론
부유식 풍력발전시스템은 수심이나 해저상태의 영향이 작고, 설치와 해체가 간편한 장점이 있기 때문에, 기술이 확보될 경우 고정식 해상풍력발전 시스템을 대체할 수도 있는 충분한 잠재력을 갖고 있다.
그림 14 유럽의 해상풍력 개발 전망 (EWEA, 2008)
또한 그림 12에 나타난 바와 같이 해상풍력 개발은 급속히 증대될 것으로 전망되고 있고 이 중 상당 부 분을 부유식 풍력발전으로 달성할 수밖에 없다고 예 상되고 있다. 본문에서 살펴본 바와 같이 HYWIND, SWAY 등 부유식 해상풍력발전기 실증연구를 시작 하였고 머지않아 상업적 부유식 해상풍력발전단지 도 출현할 것으로 예측되고 있다. 우리나라도 향후 전개될 부유식 풍력발전시장에 안정적으로 진입하 고 독자기술을 확보하기 위해서는 부유식 풍력발전 시스템 연구가 시급한 상황이다.
참고문헌
1) S. Butterfield, W. Musial, and J. Jonkman,
"Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines", NREL/CP-500-38776, 2007.
2) 정태영, 문석준, 임채환, "해상풍력발전시스템을 위한 부유식 플랫폼 형식에 대한 기술보고", 기 계와 재료, pp72-81, 2010.
3) Jason M. Jonkman, Marshall L. Buhl Jr.,
"FAST User's Guide", NREL/CP-500-38230, 2005.
4) Rim C. Wet al., "Development of Software for Coupled Aero-Elastic Dynamic Analysis of Wind Turbine System", Proceedings of the Ninth (2010) ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, pp.87-90, 2010.
[저자 소개]
임 채 환(책임저자)
E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7415 1958년 5월 14일생.
1993년 미시건대학 조선해양공
학과 박사. 1994년 한국기계연구원 입 사, 고부가가치 선박 개발, 부유식 풍력 발전 시스템 동적 해석, 구조안전성 해 석 및 시험평가.
송 진 섭
E-mail : [email protected] Tel : 042-868-7442 1971년 7월 18일생.
2004년 펜스테이트 기계공학과 박사.
2010년 한국기계연구원 입사, 부유식 풍 력발전시스템 동역학 해석 연구, 구조 및 동역학 분야 연구.
김 재 동
