5MW급 부유식 풍력-파력 복합 발전기의 입사파 방향에 따른거동 실험 및 해석

초록

전 세계적인 기후변화의 심각성으로 탄소 제로 또는 중립을 위해 친환경 에너지 개발의 중요성이 증가함에 따라, 부유식 풍력 발전기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 부유식 풍력 발전기의 안정적인 발전을 위해서는 파랑 중 운동 저감이 매우 중요한데, 파력 발전기를 풍력 발전 플랫폼에 부착함으로써 발전 효율을 높일 수 있고 공간 활용의 이점도 있어서 복합 발전 플랫폼에 대한 연구들이 진행중이다. 본 연구는 부유식 해상 풍력 발전기(FOWT)에 다수의 파력 발전기(WEC)를 부착하였을 때, 입사파의 방향과 파력 발전기의 배치가 FOWT의 거동에 미치는 영향을 실험과 수치해석을 통해 파악하는 것이다. 이를 위해 포텐셜 유동 가정의 경계 요소법 기반의 유체동역학 프로그램인 ANSYS AQWA-LINE, AQWA-LIBR, AQWA-NAUT를 활용하였다. 수치해석 조건으로 수심 89.6 m, 지름 17.92　m, 길이 61.44　m, 흘수 51.2　m 인 FOWT 하부 플랫폼 모델을 사용하였다. 파력 발전기는 원통형 실린더 형태로, 풍력 발전기에 힌지로 연결되어 있다. 풍력 터빈은 NREL의 5-MW 급 터빈모델의 질량 정보를 입력하여 수치해석을 진행하였다. 계류선은 경사형 인장 계류 방식을 택하였다. 실험 모델은 약 1: 256 으로 축소한 지름 7 cm, 길이 24 cm, 흘수 18 cm의 하부 플랫폼 모델을 아크릴로 제작하였고, 계류선은 스프링 4개를 사용하여 경사형 인장 계류를 구성했다. 터빈/타워는 3D프린터로 제작하였다. 실험은 인하대학교 이차원 조파수조에서 진행하였고, 플랫폼의 운동은 4대의 고속 운동 계측 카메라로 계측하였다. 입사파는 초음파 파고계를 이용하여 계측하였다. 각 파랑 조건에서 단독 풍력 발전 플랫폼의 운동 응답과 복합 발전 플랫폼의 운동 응답을 비교하여 파력 발전기의 부착 효과를 확인하였다. 파력 발전기의 배치는 입사파 방향에 평행한 + 모양 배치(WEC+)와 입사파 방향에 대각선으로 위치한 X 모양 배치(WECx) 두가지 경우에 대해 복합 플랫폼의 거동을 확인하였다. 단독 풍력 발전 플랫폼의 상하동요 공진 주기에서 파력 발전기 부착으로 인해 복합 발전 플랫폼의 운동이 크게 저감되었다. WEC의 배치 방향에 따른 플랫폼의 거동 차이는 크지 않았지만, X 모양 배치에서 플랫폼의 거동이 장주기에서 더 작았다. WEC를 부착함으로써 단독 풍력 발전 플랫폼의 상하동요 공진주기에서 운동이 감소하는 것을 볼 수 있었다.