A Study on Dynamic Response of a 10MW Floating Offshore Wind Turbine

10MW급 해상 부유식 풍력발전 시스템의 동적응답에 관한 연구. 먼저, 풍력발전시스템을 구성하는 구성요소의 특성을 고려하여 10MW급 해상풍력발전시스템을 설계하였다.

기호 설명

제1장 서론

연구배경

본 연구에서 개발한 10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 설치예정지역은 울산 인근 동해남부 지역이다. 수심이 깊고 풍속이 빨라 부유식 해상풍력발전시스템을 설치하기에 유리한 지역이다.

Fig. 1.2 HALIADE-X 12MW Wind turbine [45]

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그들은 결합된 공력-서보-탄성 및 유체 역학 및 계류 시스템을 사용했습니다. 이는 공력 서보탄성 설계 코드 FAST와 결합된 유체 역학 모듈 HydroDyn에 의해 향상되었습니다.

연구목적

제2장 하중

전체시스템의 하중
공기역학적 하중
유체역학적 하중
계류선의 하중
수치해석 도구

일정한 공기역학적 하중은 장기적인 발전에 중요한 역할을 합니다. 식 (2.1)은 부유식 해상풍력발전시스템에 작용하는 상세한 유체역학적 하중을 나타낸다.

제3장 설계

개요
로터와 너셀

로터 상사비
로터-너셀 조립체의 질량
블레이드의 공력 특성

타워

타워 상사비
타워 클리어런스
캠벨 선도

하부구조물

부유체 상사비
부유체의 건현
복원성

계류시스템
제어시스템

네거티브 댐핑
게인 값
검증

정상상태 해석

컨트롤러 응답의 공진주파수는 부유체의 공진주파수보다 낮은 값을 사용하는 것이 좋습니다. 정격 풍속이 정점에 도달한 후 전력이 생산되기 시작하면 제어 시스템은 로터의 회전 속도와 블레이드의 경사각을 조정하여 최대 전력을 유지합니다.

제4장 하중해석

개요

설계하중조건

DLC2.X와 DLC7.X는 풍력발전시스템이 운전 중이거나 정지되었을 때 고장이 발생하는 상황을 정의하며, 수명주기 중 낮은 빈도로 발생하는 이상상태이므로 제외한다. 따라서 DLC1.X와 DLC6.X를 제외하고는 풍력발전기의 수명주기 내에서 발생빈도가 작은 비정상 조건이나 큰 차이를 보이는 조건이므로 일반적인 조건만으로 부하해석을 수행하였다. 결과. 운영 체제에 따라. 본 연구에서 사용된 설계하중 조건은 다음과 같다.

이러한 각 설계 하중 사례에는 바람, 파도, 방향 등 둘 이상의 시뮬레이션 조합이 필요하며 적용된 부분 안전계수에 대한 자세한 정보를 보여줍니다. 풍황에 사용된 극한풍속, 파고 및 최고주기, 조류에 대한 예상값은 설치예정지 인근 울산세페어러 상부에서 얻은 자료를 바탕으로 계산하였다. 10MW 부유식 해상풍력발전 시스템. .

해양환경분석

설치지역 선정
일반해상환경
극한해상환경
바람과 파도와의 관계

설계하중 조건에 사용된 풍속은 허브 높이에서의 풍속이므로, 10MW 부유식 해상풍력발전 시스템에는 허브 높이 120m에서의 풍속이 필요하다. 멱법칙 프로파일을 이용하여 허브 높이에 따른 풍속을 계산하였고, 식 (4.1)은 멱법칙 프로파일을 나타낸다. 설계 하중 조건에는 50년 또는 100년 주기의 극한 해양 환경 조건이 포함됩니다.

이러한 극단적인 통계 분석에서는 장기간의 실측 데이터를 활용하는 것이 가장 이상적이지만, 실제로 50년, 100년에 걸친 실측 데이터를 얻기는 어렵습니다. 풍력발전시스템의 부하해석을 위해서는 풍속별 유의미한 파고와 파주기가 필요하다.

Table 4.5 Mean wind speed by height Hub Height [m] Wind speed [m/s]

극한하중해석

가동조건에서의 극한하중
정지조건에서의 극한하중

TTDspFA”는 타워 상단/요 베어링 앞뒤(병진) 편향(편향되지 않은 위치에 상대적)을 나타냅니다. TTDspSS”는 타워 상단/요 베어링 측면(병진) 편향(편향되지 않은 위치에 상대적)을 나타냅니다. 왼쪽 그림은 랜드 컨트롤러를 사용한 경우, 오른쪽 그림은 랜드 컨트롤러를 사용한 경우를 나타냅니다.

피드 컨트롤러가 사용되는 시기를 나타냅니다. 피치는 컨트롤러 간의 차이를 가장 잘 나타냅니다.

Table 4.11 Wind and wave conditions used in DLC1.1, 1.3

피로하중해석

피로하중해석조건
사이클 집계 방법
마르코프 행렬
등가피로하중

피로하중해석에 사용된 하중은 표 4.14와 같다. 일반적으로 최고점 및 최저점 알고리즘은 하중의 기울기 변화입니다. 최상위 주기 계산 방법을 사용하면 하중의 변위, 평균값 및 주기 수를 분류하는 마르코프 행렬을 그릴 수 있습니다.

따라서, 주기빈도가 높은 영역보다는 주기빈도가 낮더라도 주기빈도가 낮은 영역에서 주로 피로손상이 발생할 것을 예측할 수 있다. 등가피로하중은 모든 하중에 대해 106사이클로 계산되었습니다.

Fig. 4.16은 피로하중해석조건에 사용된 풍속분포확률을 나타낸다. 울산 해양기상부이의 자료를 이용하여 3년 동안의 풍속분포확률을 그래프로 나타내었다

제5장 모형시험

개요
모형시험 준비

제원
모형 제작
계류판의 효과
장비 및 배치

모형시험 조건
모형시험 결과

자유감쇠운동
규칙파
불규칙파

우선, 실험이 가능한 영역에서는 모형실험 결과와 수치해석 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있다. 또한 피크의 고유진동수 영역인 분홍색 점선 부분에서 RAO가 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있다. Swell의 고유진동수 범위(파란색 점선)에서 Peak가 발생하는 것을 볼 수 있다.

우선, 실험이 가능한 영역에서는 모형실험 결과와 수치해석 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있다. MARIN은 또한 DeepCwind 모델 테스트를 통해 유체역학적 하중 효과의 중요성을 조사했습니다.

제6장 최적화

개요
유체정역학적 최적화
유체동역학적 최적화
결과

본 연구에서는 반잠수식 플로트의 기둥 직경, 기둥 높이, 기둥 중심 거리를 최적화 변수로 사용하였다. 다음은 최적화에 사용된 부유체의 매개변수를 보여줍니다. 유체역학적 특성을 평가하기 위해 주파수 영역 분석이 적용되었습니다.

정수압 최적화에서는 몇 가지 제약 조건에 따라 2000개의 사례를 선택했으며 이는 위의 절차를 통해 RAO로 계산할 수 있습니다. UOU의 내부 코드로 계산된 6자유도의 RAO는 최대 Nussel 가속도와 호버링 바디의 최대 피치 각도를 사용하여 아래 방정식을 통해 계산됩니다.

Fig. 6.2 Platform parameters used for optimization (1)

풍력 터빈의 경우 클래스 1을 선택하고 난류 모델의 경우 클래스 C를 선택하여 부하 해석을 수행했습니다. 모형시험은 울산대학교 해양공학탱크에서 진행됐다. 바람의 유무와 규칙적인 파도와 불규칙한 파도에 대해 로터를 회전시켜 모형 테스트를 수행했습니다.

마지막으로 유체 바디의 최적화가 수행되었습니다. 다음으로 선택된 사례를 대상으로 유체역학적 최적화 과정을 수행하였다.

참고문헌

OC6 Phase I: Investigation of underprediction of low-frequency hydrodynamic loads and responses of a floating wind turbine. Numerical model validation of a 750 kW semi-submersible floating offshore wind turbine using model test data, II. part: Model-II. Joint dynamics and economic analysis of floating wind turbine systems (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).

This study aims to provide insight into the modeling, loading and dynamics of a 10 MW floating offshore wind turbine. First, a 10MW floating offshore wind turbine was developed taking into account the mechanical characteristics of the wind turbine components.