제4장 하중해석
4.2 설계하중조건
IEC61400-3-1 고정식 해상풍력발전시스템 국제 표준의 설계하중조건은 다양한 해상 및 바람조건을 포함한 일반적인 가동조건 뿐만 아니라 시스템 출력의 시작 및 종료, 오 류, 정지, 운송 및 보수 등에 대한 조건도 정의한다. IEC61400-3-1 국제 표준에는 극 한하중 및 피로하중을 다루는 8개의 설계조건들이 있으며, 이는 다양한 바람, 파도, 방 향 등을 조합한 하위 설계하중조건들로 나누어지며, 서로 다른 설계 상황을 설명한다.
부유식 해상풍력발전시스템의 설계 요구사항인 IEC61400-3-2 국제 표준에는 계류시 스템의 파단, 손상 시 복원성 등을 고려한 2개의 조건이 추가된다.
본 연구에서는 일부 조건만을 사용하여 하중해석을 수행하였다. 사용한 하중해석조건 은 풍력발전기가 전력을 생산하는 DLC1.X와 전력을 생산하지 않고 정지하고 있는 DLC6.X이다. DLC3.X, DLC4.X 및 DLC5.X는 풍력발전시스템의 시작, 정상 종료, 비
정상 종료에 대한 상황이며 일반적으로 기본 제어시스템의 루틴 속에 시작 및 종료에 대한 로직이 포함되어 있지 않기 때문에 제외하였다. DLC2.X와 DLC7.X는 풍력발전 시스템이 가동 중이거나 정지되어 있을 때 결함이 생기는 상황을 정의하며, 이는 생애 주기 안에서 일어나는 빈도수가 작은 비정상 조건들이므로 제외하였다. DLC8.X는 운 송, 조립, 유지 보수 및 수리의 상황을 정의하는 것이고, 이 연구에서는 고려되지 않는 부분이기 때문에 제외하였다. DLC9.X 및 DLC10.X는 풍력발전시스템이 가동 중이거 나 정지되어 있을 때, 계류선의 파단 및 손상 시 복원성 등을 고려하는 조건이므로 제 외하였다. 이렇듯 DLC1.X와 DLC6.X를 제외한 나머지들은 풍력발전기 생애 주기 안 에서 일어나는 빈도수가 작은 비정상적 조건들이거나 제어시스템에 따라서도 결과에 큰 차이를 보이는 조건들이기 때문에 일반적인 조건들만 사용하여 하중해석을 수행하였다.
하지만 비정상적인 조건에서의 극한하중 및 피로하중은 일반적인 조건에서의 하중보다 훨씬 더 우세할 수 있으므로 추후에는 반드시 고려해야 할 것이다.
다음은 본 연구에서 사용한 설계하중조건이다.
- 가동조건 : DLC1.1, <DLC1.2>, DLC1.3, DLC1.6 - 정지조건 : DLC6.1, <DLC6.4>
전체 해석시간은 3,800초이며 200초부터 3,800초까지 1시간의 시계열 데이터를 0.01 초 간격으로 분석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 컴퓨터 사양은 Table 4.1과 같다.
Table 4.1 Simulation computer details
Type Intel(R) Xeon(R) W-2145
CPU Speed 3.70 GHz
Total RAM 16 GB
Table 4.2는 IEC61400-3-1에서 제시한 각 하중해석조건 중에서 본 연구에서 수행한 조건들을 나타내며, Table 4.3은 사용된 바람 및 파도 약어에 대한 정의를 나타낸다.
이 설계하중조건은 각각 바람, 파도, 방향 등 둘 이상의 시뮬레이션의 조합을 요구하며, 적용된 부분 안전 계수 등에 대한 세부 정보를 나타낸다. 본 연구에서는 바람, 파도, 조 류의 조건을 고려하였으며, 풍향 및 파향은 단일 방향 및 동일 방향으로 설정하였다.
바람 조건에 사용된 극한 풍속, 파도 조건에 사용된 유의파고와 피크주기 및 조류에 대 한 기댓값은 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 설치 예정지 인근인 울산 해양기 상부이로부터 얻은 자료를 바탕으로 계산하였다. 이는 다음 절에서 설명한다.
전체적인 설계하중조건의 정의 및 자세한 내용은 IEC61400-3-1에서 확인할 수 있다.
Table 4.2 Selected IEC61400-3-1 design load cases
DLC Winds Waves Sea
currents
Type of analysis 1.X Power production
1.1 NTM
NSS
NCM U
1.2 NTM
NSS Joint prob.
distribution of
No
currents F 1.3 ETM
NSS
NCM U
1.6 NTM
SSS
NCM U
6.X Parked (standing still or idling) 6.1 EWM
ESS
ECM
U
6.4 NTM
NSS Joint prob.
distribution of
No
currents F
Table 4.3 Design load cases abbreviations
Abbreviation Definition
DLC design load case ECM extreme current model ESS extreme sea state
EWM extreme wind speed model MUL multi-directional
NCM normal current model NTM normal turbulence model NSS normal sea state
F fatigue
U ultimate strength