2.1 지지방식에 따른 지지구조 특성

Fig. 1은 수심에 따라 다양한 형태의 지지 특성으로 구성되는 해상풍력 지지구조이다. 일반적으로 50m 미만의 저수심에서는 지지구조물 하부가 해저 지반에 고정되는 고정식 지지구조(Fixed substructures)를 사용하고, 60m를 초과하는 수심에서는 고정식 대신 부유식 지지구조(Floating substructures)를 사용한다(Kim, 2019). 부유식 지지구조의 지지력은 부력으로 확보하고 평면 상의 위치는 앵커와 계류라인을 이용해서 확보한다. 구조물 전체의 기울기에 대한 저항도 부력의 차이로 지지된다.

터빈, 블레이드 및 타워는 고정식과 부유식 지지구조 모두 공통적인 사항이다. 고정식 지지구조는 해저 지반을 관통하는 기초가 지지구조의 움직임을 지지하므로 지지구조의 움직임이 상대적으로 작아서, 해양 환경 하중을 산정할 때 해양과 지지구조의 상호작용을 최소한으로 고려한 모리슨 방정식으로 계산하는 것이 일반적이다. 부유식 지지구조는 조류와 파랑의 작용에 의해 변형률은 작더라도 상대적으로 큰 변위가 발생할 수 있다. 부유식 지지구조의 변위를 해석하기 위해서는 유체-구조체 상호작용을 직접 고려하는 것이 필요하다.

Fig. 1 Offshore wind energy substructures based on water depth level (Jung et al., 2021)

2.2 고정식 지지구조물

2.3 부유식 지지구조물

블레이드 및 터빈의 공력거동과 지지구조의 구조동역학거동은 부유식 지지구조물과 고정식 지지구조물 모두 계산 방법이 같다. 부유식 지지구조물은 고정식 지지구조물과 달리 해양 외력과 지지구조와의 동적 상호작용 계산 시 포텐셜 이론을 적용하며 구조해석 시 계류라인의 해석을 포함한다.

2.3.1 해양 외력과 지지구조와의 동적 상호작용

부유식 지지구조는 부력을 확보하기 위한 부유체가 사용되기 때문에 모리슨 방정식으로는 해양 외력을 적절하게 산정하는 것이 어렵다. ^{Waris and Ishihara(2012)}가 부유체에 작용하는 해양 환경 외력을 모리슨 방정식으로 계산한 사례가 있기는 하지만, 일반적으로 인정되는 기법은 아니다. 부유체와 해양 환경의 상호작용은 일종의 FSI (Fluid structure interaction)문제로서 정밀한 해석은 매우 높은 수준의 노력이 필요하다.

해양 환경을 포텐셜 흐름으로 가정하면 유체의 속도는 포텐셜의 미분으로 얻을 수 있으며, 파압 또한 다음과 같이 계산된다. 식 (4a), (4b), (4c)은 각각 포텐셜 흐름 지배 방정식, 포텐셜과 유체 속도 식, 포텐셜 이론의 파압 계산식이다.

(4a)

$\nabla\times\phi = 0$

(4b)

$V=\nabla\phi =\dfrac{\partial\phi}{\partial x}bold i +\dfrac{\partial\phi}{\partial y}bold j +\dfrac{\partial\phi}{\partial z}bold k$

(4c)

$p=\rho\dfrac{\partial\phi}{\partial t}$

여기서, $V$는 유체의 속도, $\phi$는 유체의 포텐셜이다^{(Hong and Hong, 2013)}.

식 (4)의 선형 포텐셜은 Fig. 2와 같이 초기 포텐셜, 회절 포텐셜, 방사 포텐셜의 합으로 표현된다. 즉,

(5)

$\phi =\phi_{i}+\phi_{l}+\phi_{r}$

여기서, $\phi_{i}$는 초기 포텐셜(Incident potential), $\phi_{l}$은 회절 포텐셜(Reflection potential), $\phi_{r}$은 방사 포텐셜(Radiation potential)이다. 초기 포텐셜은 지지구조 등과 상호작용이 없이 파랑이 진행하는 움직임에 대한 포텐셜이고, 회절 포텐셜은 파랑이 정지한 구조물에 도달했을 때 유발되는 포텐셜이며, 방사 포텐셜은 구조물의 움직임에 의해 생성되는 포텐셜이다. 각 포텐셜에 해당하는 경계 조건이 적용되어야 한다.

파압 계산을 위해 포텐셜 이론을 채택하는 경우 식 (2)의 해양 환경 외력이 포텐셜과 조합되므로 $F_{f}= F_{f}(\phi)$로 수정된다. 그러므로 이 경우 식 (2)와 식 (4a)를 연성하여 풀어야 한다. 해양 환경 외력은 포텐셜 이론에서 계산한 파압 $p(\phi)$을 지지구조 표면 $\gamma$을 따라 적분한 값이다.

(6)

$F_{f}=\int_{\gamma}p(\phi)d\gamma$

Fig. 2 Conceptual diagram of Interaction between potential flow and floating structure

2.3.2 계류라인의 동적 거동

일부 고정식 지지구조도 계류라인을 설치해서 지지구조의 제작 비용을 절감하는 안도 있으나, 실제 사업에 적용되는 경우는 매우 드물다. 국내 해양에서 개발 행위를 위해서는 공유수면 점사용 허가를 취득해야 하는데, 계류라인이 설치되는 범위까지 대상 해역이 설정되므로 이 비용의 증가가 사업 비용에 추가된다. 그러므로 국내에서 고정식 지지구조에 계류라인을 설치하는 것은 거의 불가능한 아이디어이다.

Fig. 3은 부유식 지지구조의 위치를 확보하기 위해 설치한 계류라인과 부유식 지지구조의 상호작용의 개념도이다. 유일한 부유식 해상풍력 사례인 하이윈 스코트랜드 부유식 해상풍력 단지에 설치된 6MW 부유식 해상풍력 발전기의 지지구조에 설치된 계류라인도 거의 600m 이상의 거리까지 연장되어 설치된다^{(Scottish Government, 2017)}. 계류라인이 설치되어도 해양 환경과 상호작용에 의해 10m 이상의 지지구조 위치 변위가 동적으로 발생할 수 있다. 계류라인은 Fig. 4와 같이 초기 긴장력 뿐 만 아니라 자중, 부력, 조류력과 파랑 하중이 작용하는 비선형문제이다^{(Jung et al., 2019)}.

더욱이 계류라인의 강성이 지지구조의 강성에 비해 매우 작기 때문에 식 (1)의 지지구조 전체의 강성에 계류라인을 고려하는 것은 매우 복잡하며 수렴성 문제를 유발할 수 있다. 대신 식 (2)의 우측 항에 지지구조의 변위와 속도의 함수로 계류력 계산한다, 즉 $F_{m}= F_{m}(u,\: \dot{u})$로 계산한다. 또한, 계류선 거동의 비선형 때문에 별도의 모듈로 작성하는 것이 일반적이다. 자중, 부력 조류력의 여러 하중들이 작용하는 계류라인의 긴장력($F$ )은 계류라인의 단면적$A$, 계류라인의 길이($L$), 탄성 계수($E$ ), 유체 내에서의 단위 길이당 자중($w$), 계류라인의 수평성분 길이($l$), 계류라인의 수직성분 길이($h$)를 통해 구할 수 있다. 이에 대한 구체적인 식은 하단 각주에서 보이고 있다^{(National Renewable Energy Laboratory, 2017)}.

(7)

$F = f(L,\: E,\: w,\: l,\: h)$

Fig. 3 Conceptual diagram of floating support structures and mooring line behaviors

Fig. 4 Load acting on a unit mooring line

1) 계류라인의 긴장력

$l =\dfrac{F_{1}}{w}\left\{\ln\left[\dfrac{F_{2}}{F_{1}}+\sqrt{1+\left(\dfrac{F_{2}}{F_{1}}\right)^{2}}\right]-\ln\left(\dfrac{F_{2}-w L}{F_{1}}+\right .\right .$$\left .\left .\sqrt{1+\left(\dfrac{F_{2}-w L}{F_{1}}\right)^{2}}\right)\right\}+\dfrac{F_{2}L}{EA}$

$h =\dfrac{F_{1}}{w}\left\{\sqrt{1+\left(\dfrac{F_{2}}{F_{1}}\right)^{2}}-\sqrt{1+\left(\dfrac{F_{2}-w L}{F_{1}}\right)^{2}}\right\}+\dfrac{1}{EA}\left(F_{2}L-\dfrac{w L^{2}}{2}\right)$

$F_{3}= F_{1}$

$F_{4}= F_{2}-w L$

여기서 $F_{1}$, $F_{2}$, $F_{3}$, $F_{4}$은 Fig. 4와 같이 외부하중이 작용하는 계류라인의 수평 및 수평성분 긴장력이다.

3.1 현 실무에서 채택하는 해석 절차

해상풍력 지지구조의 다중물리 특성 때문에 해석 기법을 개발하는 연구는 최근까지도 진행형이다(Kim et al., 2019; ^{Lee and Bea, 2019; Lee et al., 2018; Lee et al., 2016;Kim and Lee, 2012)}. 해양 환경 외력과 구조물의 강체 거동을 연성하는 기법은 WAMIT으로 구현된 Wu의 기법이 거의 표준으로 사용되고 있다^{(Lee and Newman, 2006)}. Wu의 기법에서, 작은 용량의 지지구조는 구조물의 변형이 작아서 구조물의 탄성변형은 무시할 수 있다(Waris, 2009). 최근 개발이 추진되고 있는 10-15MW급의 대형 지지구조물을 해석할 때는 구조물의 탄성 변형도 거동에 영향을 미치는 주요 인자로 고려할 필요가 있으나 이에 대한 연구는 아직도 진행중이다. 주파수 영역에서 일부 연구된 사례가 있으나 아직 시간영역의 거동까지 확장되지는 않고 있다^{(Lamei and Hayatdavoodi, 2009)}.

고정식 지지구조도 구조물의 변위를 영으로 근사화하여 식 (1)의 해양 환경 외력 $F_{f}$와 공력 하중 $F_{a}$를 구조물의 거동과는 독립적으로 전체 시간 영역에서 계산한 후, 이 하중을 지지구조에 가력하여 동적인 해석을 수행하는 방식으로 실무를 수행하고 있다^{(Pham, 2022; Parkinson and Han, 2022)}.

부유식 지지구조의 경우는 더 복잡한 해석 흐름을 따라 다수의 소프트웨어가 순차적으로 사용된다. 우선 강체화된 지지구조와 해양 환경 외력을 연성하여 식 (1)에 해양 환경의 효과가 반영되도록 수정한다.

여기서, $M_{f}$는 부가질량(Added mass), $C_{f}$는 부가감쇄(Added damping), $K_{f}$는 부가강성(Added stiffness)이다. 이 부가항들은 지지구조의 움직임에 개입하는 유체의 영향을 고려하는 항으로서 주파수 영역에서 별도로 계산된다.

식 (7)과 블레이드-타워 모듈을 연성하여 지지구조의 변위를 계산한 후, 이에 해당하는 타워 하단 반력 $F_{t}$, 계류력 $F_{m}$, 파압 $p$을 별도의 소프트웨어로 계산한다. 그 다음 단계로서 지지구조 만을 대상으로 응력을 계산한다.

전술한 절차의 단계 별로 SACS, MOSES, SESAM, BLADED, OpenFAST 등을 실무에서 사용하고 있다.

3.2 SACS와 MOSES를 조합한 해석

SACS는 해양 구조물의 해석과 설계에 가장 널리 사용되는 유한요소 기반의 해석 소프트웨어이다. 해석의 기능 뿐 만 아니라 주요 하중조합에 대한 기준항목을 검토할 수도 있다. MOSES는 해양 환경 조건을 주파수 영역과 시간영역에서 고려할 수 있으며, 강체의 움직과 계류선의 거동을 해석할 수 있다. Fig. 5는 MOSES와 SACS를 조합하여 부유식 해상풍력 지지구조 해석에 사용하는 OpenWind Power 소프트웨어의 구동 개념도이다^{(Pham, 2022)}.

(1) 우선 MOSES에서 해양 환경 조건의 강체 해석을 수행하고, (2) 지지구조의 변위 정보를 블레이드-터빈-타워 모듈에 전달하여 타워 및 터빈 시스템을 해석하고, (3) 타워 하단의 반력 $F_{t}$, 계류력 $F_{m}$, 지지구조의 강체 변위를 다시 MOSES로 전달하여 시간 영역의 파압을 계산한다. (4) 이 하중과 파압을 이용해서 SACS에서 구조물의 응력을 계산하는 방식으로 순차적으로 개별 소프트웨어를 구동한다^{(Pham, 2022)}.

이 과정에서 서로 다른 소프트웨어 시스템 사이에서 데이터 전달이 필연적으로 발생하므로 해석에 필요한 시간과 비용이 크게 발생한다.

Fig. 5 Analysis procedure using SACS and MOSES

3.3 SESAM과 BLADED를 조합한 해석

SESAM 또한 SACS와 유사하게 유한요소 기반으로 개발된 해양플랜트 전문 해석 소프트웨어이다. SESAM 역시 자체적으로 통합하중해석이 불가능하므로 SESAM, BLADED, SIMA, WASIM 프로그램을 조합하여 부유식 구조물 해석을 진행한다. Fig. 6는 SESAM과 BLADED를 조합한 부유식 해상풍력 지지구조 해석 구동 개념도이다^{(Parkinson and Han, 2022)}. (1) SESAM에서 유체력 해석을 진행하고, (2) 해석한 정보를 BLADED에 전달하여 지지구조-터빈 통합하중을 수행하거나, SIMA 모듈과 연동하여 지지구조-계류선 통합하중을 수행한다. (3) 타워 하단의 반력 $F_{t}$, 계류력 $F_{m}$, 지지구조의 강체 변위를 WASIM에 전달하여 시간영역의 파압을 계산하고 구조물에 맵핑한다. (4) 이 하중을 다시 SESAM에 전달하여 SESAM에서 구조물의 응력을 계산한다^{(Parkinson and Han, 2022)}.

역시 마찬가지로 개별 물리연산 모듈 간에 데이터 전달이 불가피하므로, 해석의 복잡도가 증가한다.

Fig. 6 Analysis procedure using SESAM and BLADED

Fig. 7 Conceptual diagram of OpenFAST

3.4 OpenFAST를 사용한 해석

OpenFAST는 미국 신재생에너지연구소(NREL)에서 개발하여 배포한 오픈소스 패키지이며, 무료로 사용할 수 있다. 단일 소프트웨어처럼 보이나, Fig. 7과 같이 Aerodyn, Elastodyn, Hydrodyn, MAP++, Moordyn 등이 기능별로 연성되어 있다.고정식 지지구조의 해석은 Aerodyn, Elastodyn, Hydrodyn 등을 사용하고 부유식 지지구조의 해석은 여기에 더하여 MAP++와 MoorDyn 등을 사용한다. 해상풍력 지지구조의 해석용으로 국제적으로 신뢰성이 인정되어 다양한 문헌에서 상호 검증용으로 활용되고 있다. 개방된 구조이나 전후처리가 개발되지 않아서 적용성이 그리 높지는 않다^{(National Renewable Energy Laboratory, 2023)}.

Table 1과 같이 해상풍력 해석 실무에서 사용되는 소프트웨어들은 각각 고유의 장점과 한계를 가진다. SACS와 MOSES를 조합하는 방식과 SESAM과 BLADED를 조합하는 방식은 모두 전후처리기를 가지고 있어 높은 사용성을 보이지만, 서로 다른 소프트웨어 시스템 사이의 데이터 전달이 필수적이다. OpenFAST는 데이터 전달 없이 같은 프로그램내에서 해석이 가능하지만 전후처리기 미비로 적용성이 낮다.

Fig. 8 Works of drawing and analysis model generation, driven in its respective environment

Fig. 9 Integrated analysis procedure of X-WIND implemented in the AutoCAD environment

4.1 설계용 객체와 해석용 객체 환경의 차이

구조물 설계에 대한 성과는 도면과 구조계산서로 납품된다. 도면에는 구조물의 기하학적인 요소들이 표현되지만, 구조계산서에는 해당 구조물의 역학적인 거동이 기준치와 비교되는 내용이 포함된다. 도면의 작성에 사용되는 소프트웨어와 구조계산서 작성용으로 검토를 수행하는데 사용되는 소프트웨어는 상이한 아키텍쳐에 기반하고 있다. 동일한 대상 구조물이라고 해도 Fig. 8과 같이 도면용 소트웨어와 해석용 소프트웨어를 동시에 사용해야 한다.

구조물 객체 공간을 구현하기 위한 기저함수(Base funtions)도 서로 상이하다. 이와 같은 차이를 제거하여 단일 객체를 도면과 해석에 공통적으로 사용하기 위해 단일기하 유한요소법 (Isogeometric finite element methods) 을 개발하는 연구가 최근 수행된 바가 있다^{(Hughes et al., 2005)}. 이 기법에서는 마치 캐드환경과 같은 매끄러운 곡면을 구현할 수 있는 NURBS (Non-uniform rational B-spline) 함수를 유한요소 해석에서도 채택하여 연속적인 응력분포를 유한요소 모델에서도 구현하였다. 하지만, 단일기하 유한요소법의 보간함수는 너무 복잡하여 유한요소 해석 프로그램에 전반적으로 적용하여 사용하기에는 아직도 어려움이 있다. 그럼에도 불구하고, 도면 환경과 해석 환경을 일치시키는 것에 대한 필요성은 널리 인정되고 의문의 여지가 없는 상황이다. 최근 개발되고 있는 BIM 환경도 유한요소 해석 프로그램과 직접 연동이 가능하도록 개발되고 있다.

4.2 X-WIND 소프트웨어

4.2.2 전후처리기

AutoCAD에 유한요소 엔진을 삽입함으로써 설계 작업을 포함한 전후처리과정을 AutoCAD의 그래픽 기능을 이용해서 구현하였다. 설계작업 이후, X-WIND는 GMSH을 사용하여 AutoCAD에서 불러온 형상에 요소망을 생성한다. GMSH는 1998년 개발된 오픈소스 요소망 생성 프로그램이다. AutoCAD의 형상은 OpenCASCADE 커널을 통해 요소망을 구현하기 위해 iges 파일 형식으로 GMSH로 전송된다. 생성된 요소망은 다시 구조해석 작업에 사용된다.

파력, 바람, 부력, 자중 등의 하중이 동시에 작용하는 해상풍력 지지구조물의 해석을 위해서는 이들의 하중을 모두 고려하는 것이 필수적이다. X-WIND의 후처리기는 구조물이 받는 하중들에 대한 하중조합을 제공한다. 각각의 하중에 대한 하중계수를 사용자가 직접 선택할 수 있으며, X-WIND는 하중조합에 대한 그래프를 출력하는 기능을 갖추고 있다. 정적 하중은 구조물에 압축 또는 인장 파괴를 일으키며, 동적하중은 대개 강구조로 설계되어 많은 용접부위를 가지고 있는 해상풍력 지지구조물에 피로 파괴를 발생시키기 때문에 정적하중과 동적하중은 설계의 중요한 부분을 차지한다. 따라서, Fig. 10과 같이 하중조합에 대한 극한한계상태(ULS)와 피로한계상태(FLS)를 계산하여, 검토를 수행할 수 있는 기능을 추가하였다. ULS에서는 각각의 하중 조합에 대한 unity check를 수행하고 그 결과를 그래픽으로 출력하여 제시하며, FLS는 시간영역에서와 주파수 영역에서의 동적 피로해석을 수행하여, 피로 손상정도를 구할 수 있다^{(Zi and Kim, 2020)}.

Fig. 10 ULS/FLS provided in X-WIND

4.2.3 해석모듈

X-WIND는 X-SEA, X-OpenFAST, X-Nemoh의 3가지 모듈을 이용해 구조해석을 진행한다. X-OpenFAST에서 계산된 공력과 X-Nemoh에서 계산된 해양하중은 X-SEA로 전달되어 구조해석이 진행된다.

(1) 입력 모듈과 데이터 저장

X-WIND는 입력파일로 JSON (JavaScript Object Notation) 파일을 사용한다. 플랫폼간 데이터 전달을 수행하는 파일 형식은 대표적으로 XML과 JSON이 있다. 두 언어 모두 텍스트 기반으로 데이터를 저장하고 전송한다는 점에서 입력파일로 사용하기 적합하다. 이중 XML파일보다 처리속도가 수십 배 빠르고 컴퓨터 리소스를 3배 정도 더 적게 사용한는 JSON파일 형식을 입력파일로 사용하였다^{(Nurseitov et al., 2009)}.

(2) X-SEA: 구조해석모듈

X-SEA는 구조해석 모듈로써계류선을 포함한 각종 해양 구조물의 정적 해석과 비선형 동적 해석을 수행한다. 물성치와 구조물의 형상으로부터 질량과 강성을 구할 수 있고 해양하중, 공력하중, 계류선으로부터 오는 하중을 포함한 외부하중을 입력하여 해석을 진행한다. Table 2는 X-SEA 모듈에서 수행가능한 구조해석종류를 나타낸다^{(Zi and Kim, 2020)} .

Table 2 Solution features of X-SEA

Static analysis

Nonlinear static analysis

Linear dynamic analysis (Time integration method, mode superposition method, frequency domain)

Nonlinear dynamic analysis

Large deformation elastoplastic analysis (frame, shell and solid element)

Earthquake analyss (Response spectrum, Pushover analysis)

Environmental load (wave, current, Marine Growth, self-weight) and general load

Regular wave (Airy, Stokes, Cnoidal, Solitary, Stream function) and irregular wave(PM, JHONSWAP, Random)

3D Morrison and Diffraction pressure (Shell and solidelement)

Prestressing loss of tendon in PS concre

Joint Model: Rigid Offset, Local joint, Flexibility

Automatic calculation of Stress Concentration Factor (SCF)

Fatigue analysis (time and frequency domain)

Moooring line analysis of fixed and floating structucture

Pile-soil interaction analysis(p-y,t-z,Q-z), Pile superelement

Impact dynamic analysis in steel and concrete structures

Coupled dynamics analysis of OpenFAST and X-SEA

(3) X-OpenFAST: 공력 계산 모듈

미국 NREL의 OpenFAST는 육상 및 고정식/부유식 해상 풍력 터빈의 풍력 터빈 성능 및 하중 계산을 위한 통합 소프트웨어 패키지이다. X-OpenFAST는 OpenFAST 코드를 모듈화 한 것으로, 전후처리기가 없는 OpenFAST 코드를 전후처리기를 갖추고 있는 X-WIND에 삽입하여 사용성을 증가시켰다. X-OpenFAST의 Aerodyn을 사용하여, 바람 및 대기의 환경조건과 에어포일 정보 및 로터와 블레이드 물성치를 입력하여 타워의 하단부에서 모멘트를 포함한 하중을 출력한다. 사용자는 출력한 데이터를 X-SEA에 직접 입력하여 구조해석을 진행한다. 또한, X-WIND는 X-OpenFAST를 통해 풍력 터빈-타워-하부 구조물에 대한 완전 연성해석을 수행할 수 있다.

(4) X-NEMOH: 해양력 계산 모듈

세장한 부재로 이루어져 있는 고정식 해양 구조물은 모리슨 방정식으로 해양하중을 분포하중으로 사용한다. 반면, 세장한 부재가 거의 없는 부유식 구조물은 모리슨 방정식 대신 포텐셜 이론을 사용한다. X-NEMOH는 포텐셜 이론을 바탕으로 해양하중 압력을 구한다. 압력을 X-SEA에 입력하면 X-SEA에서 구조해석을 진행한다.

(5) X-WIND 해석 절차

X-WIND는 Fig. 11과 같이 위 모듈들을 이용하여 고정식 지지구조물과 부유식 지지구조물에 대한 해석을 진행한다.

고정식 지지구조물의 경우 (1) X-OpenFAST은 터빈, 블레이드, 타워에 대한 해석 수행 후 얻어지는 타워 하단부에서의 힘과 모멘트 정보를 X-SEA에 전달한다. (2) 이를 이용하여 X-SEA는 해석을 수행한다.

부유식 구조물의 경우 (1) X-NEMOH에서 유체 정역학적 강성(hydrostatic stiffness), 부가질량(added mass), 부가감쇄계수(added damping coefficient), 가진력(excitiation force) 값을 X-OpenFAST에 전달한다. (2) X-OpenFAST가 터빈, 블레이드, 타워에 대한 해석 후 얻어지는 타워의 하단부에서 힘과 모멘트 정보를 X-Nemoh에 전달한다. (3) X-Nemoh는 다시 X-SEA에게 해양하중 압력값을 제공한다. (4) X-SEA는 위 정보들을 수합한 뒤 해석을 진행한다.

Fig. 11 Concept map of X-WIND

5.1 고정식 해상풍력 지지구조 해석 결과의 비교

X-WIND의 적용성을 검증하기 위해 한국 서남해를 환경조건으로 선정하고 NREL (The National Renewable Energy Laboratory)의 5MW급 OWT (Offshore Wind Turbine) 모델을 사용하여 X-WIND 프로그램을 타 프로그램(OpenFAST)과 비교, 검증했다.

현재 서남해에서는 400MW 규모의 발전단지가 설치 공사 중에 있다. 2020년 1월 해상 테스트 베드로 활용된 3MW급 터빈 해상풍력 발전기 20대의 총 60MW급 실증단지 준공을 시작으로 한국해상풍력(주)는 시범단지, 확산단지의 총 3단계 단지 구축을 계획중이며, 실증단지에 5MW급 터빈 해상풍력 구조물 4대를 증축 예정이다^{(Seo et al., 2019)}.

본 연구는 NREL의 5MW급 OWT 모델을 선택했다. NREL 5MW급 OWT 모델은 NREL이 누구나 통일된 모델로 프로그램들을 비교하게 하기 위해 개발한 것으로 가장 보편적이고 공신력이 높은 모델이다. 서남해의 해상 풍력발전기는 3MW이지만 본 연구는 X-WIND 프로그램의 NREL의 OpenFAST 프로그램과 비교 검증하기 위해 5MW OWT 모델을 사용했다. 다음은 한국 서남해 환경조건을 Table 3으로 정리한 것이다.

Fig. 12와 Fig. 13는 Monopile의 일반 하중 조건(a)과 극한 하중 조건(b)에서 TP (Transition piece) 연결부의 x방향 변위를 나타낸 그래프와 변위형상이다. TP 연결부는 Fig. 12에 표시된 바와 같이 해상풍력 지지구조물과 해상풍력 타워를 연결하는 부재로 지지구조물과 타워 사이에 설치된다^{(Shim et al., 2019)}. OpenFAST와 X-WIND에서의 TP 연결부의 x방향의 변위의 추세는 모두 동일하다. 오차율은 각 4.29%, 2.18%로 나타났다.

Fig. 14와 Fig. 15는 Tripod의 일반 하중 조건(a)과 극한 하중 조건(b)에서 TP 연결부의 x방향 변위를 나타낸 그래프와 변위형상이다. OpenFAST와 X-WIND에서의 x방향의 변위 오차율은 20.73%, 3.20%이며, 변위의 추세가 동일하다.

Fig. 16과 Fig. 17은 Jacket의 일반 하중 조건(a)과 극한 하중 조건(b)에서 TP 연결부의 x방향 변위를 나타낸 그래프와 변위형상이다. OpenFAST와 X-WIND에서의 x방향의 변위의 추세는 모두 동일하다. 변위 오차율은 각각 6.33%, 5.20%로 나타났다.

Tripod와 Jacket 구조물은 Monopile에 비해 더 큰 오차율을 보여주었다. Tripod와 Jacket 구조물은 구성하는 부재의 개수가 많고 복잡한 구조를 가지기 때문인 것으로 보인다. 세 구조물 모두 극한 하중 조건에서의 오차율이 일반 하중 조건의 오차율에 비해 작은 것을 확인할 수 있다. 극한 하중 조건보다 일반 하중 조건에서 변위값이 더 작기 때문에 상대 오차 값이 커진 것으로 보인다. X-WIND와 OpenFast의 상이한 정밀도도 결과 값의 차이를 유발한 것으로 보인다. 위 예제에서 세 구조물 모두 극한 하중 조건에서 x축 방향 변위의 경향성이 일치하고 비교적 큰 변위값을 보이는 극한 하중 조건에서 작은 오차율을 보인다는 점에서 X-WIND를 검증하였다.

Fig. 12 Comparison between OpenFAST and X-Wind under normal condition in monopile structure

Fig. 13 Comparison between OpenFAST and X-Wind under extreme condition in monopile structure

Fig. 14 Comparison between OpenFAST and X-Wind under normal condition in tripod structure

Fig. 15 Comparison between OpenFAST and X-Wind under extreme condition in tripod structure

Fig. 16 Comparison between OpenFAST and X-Wind under normal condition in jacket structure

Fig. 17 Comparison between OpenFAST and X-Wind under extreme condition in jacket structure

5.2 부유식 해상풍력 지지구조 해석 결과의 비교

부유식 지지구조물의 검증을 위해 Table 4에 정리한 환경조건을 NREL의 5MW급 Spar 모델에 적용하였다. 부유식 지지구조물은 고정식 지지구조물과 달리 수심이 깊은 곳에 위치하므로 고정식 지지구조물과 다른 환경 조건을 적용하였다. Fig. 18, Fig. 19와 Fig. 20은 주어진 환경조건에서 X-WIND의 해석결과를 OpenFAST의 해석결과와 비교한 그래프이다.

OpenFAST와 X-WIND에서의 x,y,z방향의 변위의 추세는 모두 동일하다. 변위 오차율은 각 4.146%, 18.64%, 27.67%로 나타났다. x축에 비해 y축, z축 방향 변위가 작기 때문에 상대오차가 커진 것으로 보인다. 세 방향 모두 추세가 동일하다는 점에서 X-WIND를 검증하였다.

Fig. 18 Comparison between OpenFAST and X-Wind of X-direction in spar structure

Fig. 19 Comparison between OpenFAST and X-Wind of Y-direction in spar structure

Fig. 20 Comparison between OpenFAST and X-Wind of Z-direction in spar structure