제4장 하중해석
4.3 해양환경분석
4.3.2 일반해상환경
울산 해양기상부이의 높이는 수면으로부터 4.3 m 이며, 이 높이에서의 평균 풍속은 약 6.44 m/s 이다. 설계하중조건에 사용되는 풍속은 허브 높이에서의 풍속이므로, 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 허브 높이인 120 m에서의 풍속이 필요하다.
Power law profile을 이용하여 허브 높이에 따른 풍속을 계산하였으며, 식(4.1)은 Power law profile을 나타낸다.
(4.1)
IEC61400-3-1 국제 표준에서는 일반 풍속의 확장에서 Exponent alpha를 0.14로 사 용할 것을 권장한다. Table 4.5는 허브 높이에 따른 평균 풍속을 나타낸 것이다. 본 연 구에 사용된 유의파고 및 피크주기와의 관계식을 계산하기 위하여 다양한 다항식, 지수 함수, 로그함수 등을 이용하였으며 이는 식(4.2)와 같다. 또한 IEC61400-3-1 국제 표 준에는 식(4.3)과 같이 유의파고에 따른 피크주기의 범위를 적용할 것을 제시하고 있으 며, 식(4.2)에서 계산된 유의파고 및 피크주기가 표준에서 정의한 범위 안에 속하는 것 을 확인하였다. Table 4.6은 식(4.2)로부터 계산된 유의파고와 피크주기를 나타낸다.
(4.2)
≤
≤
(4.3)
Table 4.5 Mean wind speed by height Hub Height [m] Wind speed [m/s]
4.3 6.44
5.0 6.58
10.0 7.25
50.0 9.08
90.0 9.86
100.0 10.00
120.0 10.26
Table 4.6 HS and TP
HS [m] TP [s]
1 6.37
3 7.91
5 9.46
7 11.00
9 12.54
11 14.08
13 15.62
4.3.3 극한해상환경
설계하중조건에서는 50년 또는 100년 회기 주기의 극한 해상환경조건이 포함된다. 부 유식 해상풍력발전시스템의 설계 수명은 20년이지만, 부유식 해상풍력발전시스템의 생 애 주기 안에 50년 또는 100년 재현 주기의 태풍 등 극한 상황을 겪을 수 있기 때문이 다. 이러한 극한 통계분석 또한 장기간의 실측 데이터를 활용하는 것이 가장 이상적이 지만, 현실적으로 50년 또는 100년 이상의 실측 데이터를 획득하는 것은 어려우므로, 본 연구에서는 울산 해양기상부이의 단기간 실측자료만을 이용하여 분석하였다. 극한 통계분석에는 Gumbel Method를 사용하였으며, 식(4.4)와 식(4.5)로 나타낼 수 있다.
exp
exp
(4.4)
×
ln
(4.5)풍속과 유의파고의 극한 값은 1년에 12개의 peak를 추출하여 해석을 수행하였고, 극 한 풍속의 경우에는 Table 4.7을 통하여 1시간의 데이터를 10분 데이터로 변환하였다.
Table 4.8은 N년 재현 주기에 따른 허브 높이에서의 풍속을 나타내며, Table 4.9는 N 년 재현 주기에 따른 유의파고 및 파주기를 나타낸다.
Table 4.7 Conversion between extreme wind speeds of different periods
Averaging period 10-min 1 hour 3 hour
Correction factor relative to extreme 10-min
average wind speed 1.00 0.95 0.90
Table 4.8 Extreme wind speed, N-yr Period [yr] Wind speed [m/s]
10 36.21
50 40.73
100 42.64
200 44.54
500 47.05
Table 4.9 HS and TP, N-yr
Period [yr] HS [m] TP [s]
10 9.13 12.64
50 11.12 14.17
100 11.96 14.82
200 12.80 15.47
500 13.91 16.32
4.3.4 바람과 파도와의 관계
풍력발전시스템의 하중해석을 위해서는 각 풍속 별 유의파고와 파 주기가 필요하다. 따 라서 울산 해양기상부이의 3년 동안의 바람 및 파도 자료를 이용하여 각 풍속 별로 발 생한 유의파고의 확률을 계산하였고, 풍속과 유의파고 관계를 식(4.6)으로 나타내었다.
Fig. 4.2는 풍속과 유의파고와의 관계를 확률로 나타낸 것이고, Table 4.10은 식(4.6)을 통하여 계산한 풍속에 따른 유의파고를 나타낸다.
(4.6)Fig. 4.2 Relationship between wind speed and significant wave height
Table 4.10 Significant wave height according to wind speed Hs [m] Wind speed [m/s]
1 7.49
3 11.94
5 16.38
7 20.83
9 25.27
11 29.72