1.서 론

대한민국 정부는 에너지안보, 에너지효율 및 친환경에너 지 정책 추진을 위하여 “제1차 국가에너지 기본계획”을 발 표하였다(Ministry of Knowledge Economy, 2008). 그리고 국가 에너지 기본계획 구현을 위한 분야별 대책 중 신·재생에너 지 개발 보급 확대 및 성장 동력화의 핵심 내용의 구체적 실 현을 위하여 “3차 신재생에너지 기술개발 및 이용 보급 기 본계획”을 확정하였다(Ryu et al., 2011).

이에 우리나라 서남해안(전남 영광, 전북 부안해역)에 총 3단계로 나누어 9조 2천억원을 투자하여 2500MW 규모의 해 상풍력 단지를 조성하기 위한 “해상풍력 추진 로드맵”을 발 표하였다(Yoo, 2010). 해상풍력의 경우 입지의 특수성으로 인 해 대단지 개발이 경제적이며, 이로 인해 전력선의 규모가 배전급이 아닌 송전급으로 예상되기 때문에 기존의 전력망 과의 연계가능 여부가 사전에 검토되어야 한다(Kim, 2011). 대규모 발전원을 전력계통에 연계하기 위한 방법은 크게 고 압교류(HVAC : High Voltage Alternating Current)방식과 고압직 류(HVDC : High Voltage Direct current)방식으로 구분할 수 있 다. HVAC는 상대적으로 저가인 변압기를 사용하여 기존의 계통망에 쉽게 연계가 가능하지만, 전력 전송 시 3상 전기 공급을 위해 최소 세 개의 케이블이 필요하고, AC 케이블은 그 특성상 전기를 저장하는 커패시터 역할을 하기 때문에 장거리 전송 시 케이블 손실이 발생하여 전력 보상장치가 필수적으로 요구된다. 반면에, HVDC는 기존의 전력망에 연 계하기 위해 고가의 변환기기가 필요하지만 2선의 케이블이 면 전력전송이 가능하고 AC 케이블과는 달리 전력손실이 매우 적어 장거리 대용량 전력전송에 경제적으로 매우 유리 한 특징이 있다(Ryu et al., 2010). Fig. 1에서 볼 수 있듯이 1, 2단계에서는 전북 고창 변전소에 초고압 교류송전(HVAC, 154kV × 2)으로 연결되고, 3단계에서는 전북 새만금 변전소 에 초고압 직류송전(HVDC, 345kV × 2)으로 해상풍력단지 계 통연계 계획을 갖고 있다.

해상풍력단지와 기존 전력망과 계통연계를 위한 공사는 해상풍력단지 내 해상풍력발전기 상호간 연결하는 Inter-array 해저케이블 공사와 Inter-array 해저케이블을 모아 기존 전력 망과 계통연계를 위한 Export 해저케이블 공사로 구분된다. 특히 Export 해저케이블은 상대적으로 수심이 깊은 해상풍력 단지에서 시작하여 천해부와 조간대 구간을 지나 기존의 전 력망에 계통연계 되므로 해양의 여러 위험요인에 노출되게 된다. 해저케이블의 위해요소로는 항행선박의 앵커 및 어로 활동 등으로 분류되는 인위적인 위해요소와 파랑 및 조류 등과 같은 해양환경적인 위해요소로 구분할 수 있다(Hwang et al., 2012). 그리고 해저케이블에 적용되어 있는 보호공법에 는 해양의 저질 상태에 따라서 깊이를 달리하는 매설공법, 연속적인 Concrete mattress 공법, 주철관과 V-duct를 이용한 공법, Concrete bag을 쌓는 공법, 돌을 쌓는 Rock berm 공법, Mortar bag을 쌓는 공법 및 FCM(Flexible Concrete Mattress) 공법 등이 있다(Ahn and Kim, 2009).

이에, 본 논문에서는 서남해 해상풍력발전단지 해역의 해 양환경 특성 분석과 조수간만의 차를 고려한 파랑시뮬레이 션을 수행하여, 임의로 가정한 해저케이블 경과지와 보호공 법에 외력으로 작용하는 파고, 파향 분석을 통해 해저케이 블 경과지와 해저케이블 보호공법 설계의 기초자료를 제공 하고자 하였다.

2.서남해 해상풍력단지

2.1.서남해 해상풍력단지 추진 로드맵

서남해 해상풍력단지는 크게 3단계로 나누어 진행된다. 1 단계는 실증 단계로 60MW 규모로 추진할 계획이고, 2단계 는 운영기술 확보와 상업적 가능성 검증을 위한 400MW 시 범단지 조성을 목표로 하고 있다. 마지막 3단계는 비용절감, 대규모 단지개발, 상업적 운영을 목표로 한 확산단계로 2000MW 규모의 해상풍력 단지를 조성할 계획이다. Fig. 1과 2에서 서남해 해상풍력 추진 로드맵과 주변해역의 수심 분 포를 도시하였다.

2.2.서남해 해상풍력단지 파랑특성

한국해양과학기술원이 보유한 1979년에서 2003년까지 1/6° 격자로 구성된 우리나라 주변 해역의 심해 설계파 추산자 료를 이용하여 서남해 해상풍력단지의 파랑특성을 산출하 였다.

한국해양과학기술원의 심해설계파랑 자료는 ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)의 바람 자료와 태풍해상풍 모델을 이용한 바람자료를 이용하여 HYPA 모델과 WAM모델로 계산하여 우리나라 주변해역에 대해 약 1/6° 의 격자망에서 1979년에서 2003년까지 1시간 간 격으로 유의파고(Hs), 정점주기(Tp), 파향(Dir)을 계산한 자료 이다(Lee et al., 2005). Carter(1982)는 정점주기(Tp)와 영점상향 교차주기(Tz)의 관계식을 식(1)과 같이 정의하였고, 본 논문 에서는 이를 이용하여 서남해 해상풍력단지의 파랑특성을 Table 1과 Table 2에 나타내었다.

해상풍력단지가 조성될 해역(N:35.49°, E:126.17°)의 연평균 Hs와 Tz는 1.03 m와 4.47s로 계산되었다. 그리고 Table 1에서 는 심해 설계파 추산자료를 이용하여 Hs와 Tz의 결합분포를 파고 0.5 m, 주기 0.5s 구간으로 나누어 작성하였다. Table 1의 Hs-Tz 결합분포표에서 볼 수 있듯이, Hs 0.5 m~3.0 m 범위에 포함된 파랑의 수는 전체 파랑 수의 약 67.2 %를 차지하고 있고, 이중에서 0.5 m~1.0 m 범위에 포함된 파랑 출현율이 33.17 %로 가장 높은 파랑 출현율을 보이고 있다. 그리고 Tz 3.0s~7.0s 범위에 포함된 파랑의 수는 약 72.4 %를 차지하고 있 고, 이중에서 4.5s~5.0s 범위에 포함된 파랑 출현율이 12.5 %로 가장 높은 파랑 출현율을 보이고 있다. Table 2에서 Hs와 Tz 의 출현율 순위를 나타내었다.

Table 3에서 볼 수 있듯이 해상풍력단지가 조성될 해역 (N:35.49°, E:126.17°)의 주파향은 북서(NW)와 남남서(SSW) 방 향이 우세하다.

해양구조물은 극한조건에서 견딜 수 있도록 설계를 해야 한다. 이러한 기초설계에서 가장 중요한 요소는 설계파 (design wave)를 산출하는 것이다. 본 연구에서 대상으로 하 는 해상풍력단지의 경우, 해상풍력 발전기 자체는 물론 해 저케이블과 해저케이블 보호공법 또한 이러한 외력 조건에 부합 되도록 설계가 이루어져야 한다. 특히 해상풍력단지 해역은 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 외해로 약 30 km를 나가야 수심 20 m를 확보할 수 있을 정도로 완만한 해저경사와 얕 은 수심을 보이고 있고, 조수간만의 차가 평균 5.4 m로 매우 큰 해역이다. 수심 약 20~30 m에 조성될 해상풍력단지와 육 지의 전력선과 계통연계를 하기 위해서 해저케이블은 반듯 이 천해구간을 지나게 된다. 천해부구간의 천해설계파를 산 정하기 위해 해상풍력단지와 인접한 심해설계파 추산자료 에서(N:35.49°, E:126.17°)에서 50년 빈도 설계파랑 자료를 Table 4에 나타내었다.

Table 4에서 볼 수 있듯이 해상풍력 발전기와 해저케이블 에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 50년 주기 설계파 랑의 제원은 NW 파향의 Hs 7.0 m, Tp 11.76s와 SSW 파향의 Hs 5.84 m, Tp 11.15s으로, 이 자료를 바탕으로 천해설계파를 산정하여 해저케이블 경과지와 해저케이블 보호공법 설계 의 기초자료를 제공하고자 하였다.

3.서남해 해상풍력단지 파랑시뮬레이션

3.1.천해 설계파랑산출

해저케이블에 적용되는 해양환경요인 중 파랑에 대한 특성 을 파악하기 위하여 수치파랑모형을 이용한 파랑 분포를 계 산하였다. 대상해역은 수심 약 20 m 이내의 천해역으로 파랑 에 의한 파력이 해저케이블에 대한 위해요소로 작용될 수 있 다. 계산에 사용된 모델은 SWAN(Simulating WAves Nearshore) 으로 바람, 수심 및 해류 조건으로부터 근해, 호수 및 강어 귀에서 파랑의 특성인자를 추정하는 제3세대 수치 파랑모 델로 파랑작용 평형방정식을 지배방정식으로 한다(Booji et al., 1999; Ris et al., 1999).

∂ ∂ t N : Local rate of change of action density in time

∂ ∂ x c x N ∂ ∂ y c y N : Propagation of action in geographical space

c_x,c_y : Propagation velocities

∂ ∂ σ c σ N : Shifting of the relative frequency due to variations in depths and currents (with propagation velocity c_σ in σ space)

∂ ∂ θ c θ N :Depth-induced and current-induced refraction (with propagation velocity c_θ in θ space)

전파속도는 선형파 이론으로 도출되고, 파랑작용 평형방 정식의 소오스 항 S는 파랑간의 비선형 상호작용, 파랑 소 산, 파랑 발생의 효과를 나타낸다. 유의파고 H_s 는 다음으로 정의된다.

여기서 E (ω,θ ) 은 분산 밀도 스펙트럼이다. 풍파와 너울 을 합한 총 H_s 는 다음과 같이 정의된다.

여기서 H_sw 은 풍파에 의한 유의파고이고, H_ss 은 너울에 의한 유의파고이다. 평균 파향 Dir 은 다음으로 정의된다.

평균 파주기 T_m 은 다음으로 정의된다.

여기서 ω 는 절대 원주파수로 도플러 효과를 포함하는 분산관계식에 의해 결정된다.

Table 5에서 볼 수 있듯이 계산에 사용된 입사파랑의 제원 은 2.2절에서 제시한 NW 파향의 Hs 7.0 m, Tp 11.76s와 SSW 파향의 Hs 5.84 m, Tp 11.15s이고, JONSWAP 스펙트럼의 정점 계수(r)는 1.0을 입력하였다.

Fig. 3과 4에서 볼 수 있듯이 만조와 간조시의 조수간만의 차가 평균 5.4 m로 인해 간조시 임의로 가정한 해저케이블 경과지가 약 5.9 km 수면위로 드러나게 된다. 또한 만조와 간 조시의 수심변화는 해저케이블 경과지와 보호공법에 외력으 로 작용하는 파랑에 영향을 주게 된다. 이에 본 논문에서는 조수간만의 차를 고려한 천해설계파랑 산출을 위해 만조와 간조시 수심을 적용하여 파랑시뮬레이션을 수행하였다.

3.2.파고 및 파향 분포

Table 5의 입사파랑 조건(NW, SSW)으로 파랑시뮬레이션 을 수행한 결과를 Fig. 6~14에 나타내었다.

Fig. 5와 6은 NW에서 입사되는(Hs: 7.0 m, Tp: 11.76s) 조건 으로 파랑시뮬레이션 한 천해설계파랑 Hs 분포도이고, Fig. 7과 8은 SSW 방향에서 입사되는(Hs: 5.84 m, Tp: 11.15s) 조건 으로 파랑시뮬레이션 한 천해설계파랑 Hs 분포도이다. Fig. 5, 6에서 볼 수 있듯이 NW에서 입사되는 조건에서 서남해 해상풍력단지 1단계 실증단지의 만조시 천해설계파랑 Hs의 분포는 약 4.0~5.0 m이고, 간조시에는 약 2.0~3.0 m로 계산되 었다. 그리고 SSW에서 입사되는 조건에서(Fig. 7, 8) 만조시 천해설계파랑 Hs의 분포는 약 3.5~4.5 m이고, 간조시에는 약 1.5~2.5 m로 계산되었다.

Fig. 9는 각각의 입사파조건(Dir: NW, Hs: 7.0 m, Tp: 11.76s Dir: SSW, Hs: 5.84 m, Tp: 11.15s)에 따른 만조와 간조시 해저 케이블 경과지의 천해설계파랑 Hs의 분포도이다. NW 입사 파조건에 따른 해저케이블 경과지의 천해설계파랑 Hs는 만 조와 간조시 약 4.2 m, 2.5 m로 계산되었고 SSW 입사파조건 일 때 만조와 간조시 약 3.8 m, 2.1 m로 나타났으며 연안으로 오면서 점점 작아지는 경향을 보이고 있다. 만조시 해저케 이블 경과지의 Hs 분포를 살펴보면, 경도 UTM 249749~251349 구간에서는 NW로 입사되는 경우가 SSW로 입사되는 경우보다 최대 약 0.41 m 높은 Hs 분포를 보인다. 그러나 UTM 251549~267749에서는 SSW로 입사되는 경우가 NW로 입사되는 경우보다 평균 0.49 m 높은 Hs 분포를 보이 며, UTM 258149에서 최대 0.71 m 높은 Hs 분포를 보인다. 간 조시 해저케이블 경과지의 Hs 분포를 살펴보면, 경도 UTM 249749~253149 구간에서는 NW로 입사되는 경우가 SSW로 입사되는 경우보다 최대 약 0.32 m 높은 Hs 분포를 보인다. 그러나 UTM 253349~264549에서는 SSW로 입사되는 경우 가 NW로 입사되는 경우보다 평균 0.10 m 높은 Hs 분포를 보며, UTM 256549에서 최대 0.18 m 높은 Hs 분포를 보인다.

만조와 간조에 따른 수심영향으로 해저케이블 경과지의 UTM 265549~271449 구간 약 5.9 km가 수면위로 드러나게 된다. 이 구간이 시작되는 UTM 265549에서 Hs 분포를 살 펴보면, 만조시 SSW와 NW로 입사되는 경우 각각 1.58 m, Fig. 7. Hs distribution at high tide (SSW, Hs 5.84m, T 11.15s). Fig. 8. Hs distribution at low tide (SSW, Hs:5.84m, Tp:11.15s). 1.16 m로 나타났다. 이상의 결과에서 알 수 있듯이 서남해 해상풍력단지 주변해역에서는 NW로 입사되는 파랑이 영향 을 크게 미치며, 해저케이블 계통연계 및 보호공법에 영향 을 미치는 파랑은 SSW로 입사되는 파랑으로 나타났다.

서남해 해상풍력단지 주변해역의 만조와 간조시 NW(315°) 와 SSW(67.5°)로 입사되는 파랑의 파향분포를 Fig. 10~13에 나타내었다. Fig. 10, 11에서 볼 수 있듯이 NW에서 입사되 는 조건에서 만조와 간조시 파향분포를 살펴보면 총 4군데 (만조: H1~H4, 간조: E1~E4)에서 파랑이 집중되는 현상을 볼 수 있다. H1과 E1 해역은 315°로 입사되는 파랑이 수심 에 의한 굴절현상과 하왕등도에 의한 회절현상이 복합적으 로 작용하여 H1과 E1 해역에서 약 290° 파향의 파랑과 약 340° 파향의 파랑이 만나 파랑집중이 발생하는 것으로 나타 났다. 이 결과 Fig. 5와 6의 Hs분포에서 볼 수 있듯이 주변 해역 보다 H1과 E1 해역에서 상대적으로 높은 파고를 보이 고 있다. H4와 E4 해역은 315°로 입사되는 파랑이 위도에 의 한 회절효과로 위도 남동쪽 해역에서 약 270° 파향의 파랑과 약 5° 파향의 파랑이 집중되는 모습을 보이고 있다.

H2, H3과 E2, E3 해역은 수심에 의한 파랑의 굴절효과로 파랑집중이 발생하는 해역으로 315°로 입사되는 파랑에 대 한 수심의 효과가 상대적으로 큰 간조시에 파랑집중이 나타 나는 해역이 만조시 보다 넓게 나타났다. H2와 E2 해역은 약 315°와 335° 파향의 파랑이 집중되고, H3와 E3 해역은 약 325° 와 0° 파향의 파랑이 집중되는 것으로 나타났다.

SSW에서 입사되는 조건에서 만조와 간조시 파향분포는 Fig. 12, 13에서 볼 수 있듯이 만조시에는 4군데(H5~H8), 간 조시에는 3군데(E5~E7)에서 파랑이 집중되는 현상을 볼 수 있다. H5과 E5 해역은 67.5°로 입사되는 파랑이 상와등도와 하왕등도에 의한 회절현상으로 약 15°와 105° 파향의 파랑이 집중되고, H6과 E6 해역은 위도에 의한 회절현상과 수심에 의한 굴절효과로 약 60°와 350° 파향의 파랑이 집중되는 것 으로 나타났다. H7과 E7 해역은 수심에 의한 굴절효과로 약 15°와 60° 파향의 파랑이 집중되는 것으로 나타났다.

만조시 H8 해역에서는 위도에 의한 회절현상과 수심에 의한 굴절효과로 인해 약 0°, 10°, 60° 파향의 파랑이 집중되 는 현상을 볼 수 있다.

4.결 론

본 논문에서는 서남해 해상풍력발전단지 해역의 해양환경 특성 분석과 천해설계파랑 파고 및 파향 분석을 통해 임의로 가정한 해저케이블 경과지와 해저케이블 보호공법 설계의 기초자료를 제공하고자 조수간만의 차를 고려한 파랑시뮬레 이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.