한국정밀공학회 2014 년도 추계학술대회논문집 KSPE 14A142

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1. 서론심해에 설치하는 부유식 해상풍력발전기는

육상에 비하여 바람의 질이 좋아 높은 발전효율을 기대할 수 있고, 소음 등으로 인한 주민수용성 문제를 해소시킬 수 있다. 또한 수심이나 해저상태의 영향이 적고, 설치와 해체가 간편한 장점이 있기 때문에, 기술이 확보될 경우고정식 해상풍력발전기를 대체할 수도 있는 잠재력을 갖고 있다. 따라서 해상풍력발전기 개발은 급속히 증대될 것으로 전망되고, 이중 상당 부분을 부유식 풍력발전기가 차지할 것으로전망된다. 본 논문에서는 5MW 급 Spar type 부유식 해상풍력발전기의 축소모형을 제작하였고,계류위치에 따른 축소모형의 안정성 검토를 위해 6자유도 운동에 대한 상태를 감시하였다.

2. 축소모형 및 운동 감시시스템Fig. 1 은 Hywind-OC3 의 5MW 급 Spar type

해상풍력발전기를 참고하여 본 연구에서 제작한 1:100 축소모형의 사양이다. 파도의 영향에강인한 구조를 위하여 수면과 만나는 부분을Taper 형태로, 블레이드 회전시 타워와의 간섭을 최소화하기 위해 로터의 Tilt 각도를 4°, 흘수선이 플랫폼의 상단에 위치하도록 부력과 등가인 무게를 갖도록 축소모형을 1:100 으로 설계 및 제작하였다. 각 부품들의 설계된 무게값과 실제 제작된 값을 서로 비교하여 오차를최소화하도록 하였다.

Fig. 1 Dimension and weight of spar type scalemodel

Fig. 2 Configuration of monitoring system for six-degree of freedom motion of scale model

Fig. 2 는 축소모형의 6 자유도 운동을 감시하기 위한 시스템 구성도이다. 축소모형 상부의 진동을 측정하기 위해 Nacelle 내부에 3 축각도, 가속도 센서를 설치하였고, 축소모형의병진운동 및 회전운동을 측정하기 위해 축소모형 무게중심 위치에 3 축 가속도, 지자기, 회전각속도 센서를 설치하였다. 가속도 센서는 각축의 운동방향 가속도와 중력방향 가속도가 결합된 정보를 출력함으로 가속도 값에서 이동거리를 변환하는 과정에서 적분으로 인한 누적오차가 발생하여 이를 해결하기 위해 지자기센서를 사용하였다. 센서에서 측정된 15 개의 신호는 메인보드로 수집되며 감시 프로그램을 통해센서의 신호를 처리하도록 구성하였다. 자세보정 알고리즘은 가속도 센서와 지자기 센서를이용하여 연산되는 TRIAD 알고리즘을 적용하여 지자기센서에서 출력되는 값을 바탕으로 가속도 센서에서 출력되는 중력방향 가속도 및적분 누적오차를 제거하였다. Fig. 3 은 축소모형의 병진운동 데이터 보상 전, 후를 나타낸그래프이다.

Fig. 3 Results of data corrected by TRIAD algorithm

계류위치에 따른 부유식 해상풍력발전기 축소모형의

운동상태 감시Motion Monitoring of Spar Type Scale Model according to Mooring Position

*황경환 1, 김철민 1, 김노원 1, #김성렬 1

*K. D. Hwang1, C. M. Kim1, R. W. Kim1, #S. R. Kim(sungrkim@kitech.re.kr1)1한국생산기술연구원

Key words : Mooring positon, Offshore wind turbine, Spar-buoy, Monitoring

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3. 계류위치에 따른 운동상태 감시 실험계류위치에 따른 해상풍력발전기 축소모형

의 운동상태를 감시하기 위해 Fig. 3 과 같이시스템을 구성하여 소형수조에 설치하였다. 축소모형 정면 2m 지점에 송풍기를 설치하여 인버터를 통해 풍속을 제어하였고, 블레이드 회전속도 120rpm, 풍속 1.3, 2.5, 3.5m/s 일 때,Nacelle 의 각도 및 가속도, 축소모형의 병진운동 및 회전운동 상태를 감시하였다.

Fig. 4 Experimental setup

4. 실험결과Fig. 5, 6은 계류위치와 풍속에 따른 Nacelle

의 각도 및 진동 주파수를 나타낸 그래프이다.Nacelle 의 각도 변화는 계류위치가 부력중심에서 무게중심으로 내려갈수록 각도변화가 감소하며 주파수는 높아지는 경향이 나타난다. 이는 계류장치의 연결위치가 무게중심으로 내려갈수록 외부 환경(풍속)에 대해 축소모형이 원래의 위치로 돌아가려는 복원력이 증가하기 때문이다.

Fig. 7 은 계류위치에 따른 축소모형의 병진운동을 나타낸 결과로서, 계류위치가 부력중심에서 무게중심으로 내려갈수록 Sway, Heave 변

Fig. 5 Angle variation of each axis according tomooring position and wind speed

Fig. 6 FFT results of nacelle at wind speed 1.3m/s

Fig. 7 Translation motion according to mooringposition

Fig. 8 Rotation motion according to mooring position

화보다 Surge 의 변화가 크게 나타남을 알 수있다. Fig. 8 은 축소모형의 회전운동을 나타낸결과로서, 계류위치가 무게중심으로 내려갈수록 Pitch 와 Roll 의 변화는 거의 없지만 Yaw 의변화가 크게 나타나며, 이는 풍속의 영향에 기인한 것이다.본 실험을 통해 파도가 없는 경우 계류위

치가 무게중심으로 내려갈수록 축소모형의 복원력을 증가시켜 안정된 경향을 보임을 알 수있다.

5. 결론본 연구에서는 계류위치에 따른 Spar type

부유식 해상풍력발전기 축소모형의 운동상태를감시하였다. 운동상태 감시 결과 계류위치가부력중심에서 무게중심으로 내려갈수록 복원력의 증가로 인해 풍속에 따른 Nacelle 의 각도변화는 작고, 주파수는 높은 특성을 보였으며,병진운동 및 회전운동은 축소모형에 가해지는풍속에 의해 Surge 와 Yaw 의 성분이 크게 나타남을 알 수 있었다. 향후, 풍속 및 파도의 영향에 따른 축소모형의 운동상태 및 안정성에대한 연구를 수행하고자 한다.

참고문헌

1. Sungho Lee., "Dynamic Response Analysis ofSpar Bouy Floating Wind Turbine Systems"Annals of the CIRP, 39, 517-521, 1990.

2. Hasan Bagbanci., “DYNAMIC ANALYSIS OF

OFFSHORE FLOATING WIND TURBINE”,

Dissertation for the Degree of Master, 2011.

3. Justin Frye., “Design of scale-model floating

wind turbine:SPAR BOUY”, WPI, 2011.