1. 서 론

해상풍력발전은 신재생 에너지 중 가장 작은 면적에서 가장 높은 전력을 생산할 수 있는 가장 효과적인 무탄소 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 전력망 건설 및 계통 연결에서 막대한 자본 투입이 필요하고, 발전 단가가 비싼 단점으로 인해서 성장률이 더디게 진행해 왔다. 그러나 해외 터빈 제조사의 대형 풍력발전기 개발과 함께 발전단가 하락으로 이어지고, 글로벌 수요도 빠르게 증가하면서 2030년까지 연평균 성장률이 약 10% 수준으로 성장하여 연간 설치 용량이 50GW를 넘어설 것으로 예상된다. 해상풍력발전에 관한 기술적인 연구는 터빈이나 블레이드 분야에 집중되어 있으며, 유럽 및 미국에서 기술을 독점하고 있다. 해상풍력발전 단지의 건설 시 공사비 비중이 증가하게 하는 타워 구조에 관한 연구는 미흡한 상황이다. 대부분의 해상 풍력 타워는 강구조로 설치되어 있으며, 구조물의 크기가 커지면서 세장비 증가, 좌굴 안전성, 진동 문제까지 복합적으로 해결해야 하는 상황이다. 특히 좌굴 안전성을 높이기 위해서 타워 지름 증가, 보강구조 채택 및 두께 증가를 고려해야 하며 이는 직접적인 프로젝트 비용 증가로 이어진다. 본 연구와 관련된 기존의 선행연구를 아래와 같이 요약하였다.

Choi et al.(2012)는 해상 풍력발전시스템 타워 내부에 설치된 서비스 리프트의 설계 및 구조 안전성에 관한 연구를 수행하였다. 서비스 리프트의 선정 시 작용 환경을 고려하여 일반적인 카운터웨이트(Counter weight) 방식이 아닌 이중 와이어 호이스트(Double wire hoist)방식을 선정하였다. 구조해석을 통한 설계 검증을 위하여 상용 해석프로그램인 ANSYS를 활용하였고, 최대 응력은 허용 기준 비교 시 안전율 1.8로 만족하였다. 운용 시 비상 조건에서 사용하는 안전 브레이크는 안전율 2.3으로 설계기준을 충분히 만족하였다. 서비스 리프트 제품에 대한 공학적 설계, 구조해석을 통한 검증으 로 사용하는 데 문제가 없다고 판단하였다.

Lee and Kim(2014)에는 수심이 얕은 서남해 해상풍력발전기 5MW에 사용되는 모노파일(Monopile) 구조를 갖는 지지구조물의 최적 설계에 관한 연구를 수행하였다. 모노파일의 설계는 DNV 규정의 극한한계상태 설계법과 피로 한계상태 설계법을 적용하였다. 주요 설계 변수에 대한 민감도 해석을 바탕으로 출력설계 변수들의 민감도를 백분율로 표현하였다. 최적 설계의 목적함수인 중량을 최소화 하기 위해서는 축 하중 안전계수를 23.4%, 굽힘 모멘트 안전계수를 10% 낮추면, 전체 안전계수를 만족하면서 모노파일 질량은 24%, 그라우트와 TP는 3%의 질량을 각각 줄일 수 있다. 또한 모노파일의 두께가 약 22% 감소할 수 있다는 점이 주요 연구 성과로 주장하였다.

Ferroudji(2019)는 육상에 설치되는 풍력발전기(850kW)의 타워에 대한 선형구조해석을 통한 설계 검증을 수행하였다. 검증을 위하여 사용된 유한요소해석 프로그램은 SOLID WORKS며 타워는 총 3개로 분리되어 조립되고, 높이는 55m 이다. 타워 자체, 나셀 블레이드의 중량과 함께 블레이드의 표면적에 작용하는 풍하중 그리고 타워에 작용하는 풍하중을 조합하여 고려하였다. 풍력발전기가 운용 시 발생하는 추가 하중은 참고문헌의 값을 인용하였다. 타워의 최하단부에 있는 유지/보수용 개구부에서 가장 큰 응력이 발생하였으나 허용 기준에 비해 안전계수 2.4로 충분히 만족하였다.

Seo et al.(2021)은 서남해 연약지반의 특성을 반영하고, 해상풍 력발전기 용량 8MW의 고정식 하부구조물을 개발하였다. 구조해석프로그램인 SACS를 적용하고, 설치할 때 구조물의 고정을 위해 사용되는 핀 파일(Pin pile) 효과를 해석에 반영하 였다. 평가 기준은 EUROCODE 3을 참고하고, 극한 한계상태 설계와 사용 한계상태 모두를 만족시키기 위하여 일부 구조 부재를 변경하여 구조설계를 마무리하였다. 핀 파일 효과는 아주 깊게 관입되어 토질의 저항을 받고 있어서 고정지지 조건과 거의 같게 나타났다. 저자는 비선형성이 강한 점토 층에서의 토양강성 효과를 정확하게 고려하기 위해서는 지반과 파일의 비선형 행렬식 구성을 기반으로 하는 수치해석을 권고하였다.

Mei and Xiong(2021)는 15MW 부유식 해상 풍력 터빈 구조에 대한 유체역학적 하중의 영향을 조사하기 위해 상용해석 프로그램인 AQWA와 OpenFAST를 통합한 프로그램을 이용하여 통합해석을 수행하였다. 해양 데이터를 기반으로 한 해석에서 2차 파동의 영향에 의해 Surge 운동이 증가하는 것으로 나타났다. 만약 2차 파동의 영향을 무시하면 Pitch 운동 과 Yaw 운동을 과소평가하였다. 극한하중 조건에서 타워와 하부구조물이 만나는 위치의 피로 손상은 2차 파동의 영향을 무시하면 피로 손상의 57%를 과소평가하였다. 따라서 타워의 피로 손상의 주요 원인인 굽힘 모멘트 효과를 반영하기 위해서는 2차 파동의 영향을 고려한 설계가 필요하다는 것을 제안하였다.

Guo et al.(2022)는 IEC 61400-1에서 규정하고 있는 설계수명 20년과 실제 운용되고 있는 풍력 발전단지의 66개 타워에 대한 잔여 피로 하중을 수치 해석적인 방법을 통하여 계산하였다. 가장 핵심은 설계 시 사용하는 환경 하중 값과 실 제 계측값은 차이가 있으며, 그 차이만큼 더 사용해서 경제적인 손실 비용을 최소화 하자는 취지이다. 풍력단지에서 계측된 환경 데이터를 기반으로 GL 2010 기준에 의해 하중 계산을 수행하고 상세 유한요소해석 모델에서 피로 응력으로 환산하였다. S-N 자료의 불확실성은 97.7% 확률 레벨로 고려하여 전체 피로 손상 비율에 반영하여 설계수명에서 5.6년을 더 운용하더라도 피로수명에 문제가 없다고 주장하였다.

Sharma and Boriwal(2022)는 80m 길이를 갖는 풍력 타워 모델을 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 구조해석을 수행하였다. 이 연구에서는 향후 휨 모멘트와 변형을 예측하는 이론식과 검증을 위한 기본 데이터를 확보하기 위해 수행되었으며, 해석 결과 일반적인 외팔보 거동이 잘 구현되었다. 타워는 3차원 솔리드 요소를 사용하여 모델링 했으며, 자중과 풍하중 조합에 대한 구조 응답을 계산하였다.

Han et al.(2023)에는 부유식 해상풍력 하부구조물의 피로 성능 개선을 위한 수치해석을 수행하였으며, 사용된 모델은 선박 해양플랜트 연구소에서 개발한 모델을 이용하였다. 하부구조물은 3개의 기둥과 연결되는 브레이스로 구성되어 있고, 풍력 타워는 한쪽 모서리에 배치되어 있으며, 용량은 15MW이다. 설치 환경정보는 울산에서 60km 떨어진 해상 풍력 발전단지이며, 수심은 평균 137m이다. 운동 해석 및 구조, 피로강도 평가는 DNV 선급에서 제공하는 Sesam 프로그램을 사용하였다. 피로해석 결과 타워와 인접한 기둥과 브레이스의 만나는 지점에서 허용 기준(20년)을 만족하지 못하여, 두께 및 보강재 추가 그리고 기하학적 형상을 변경하여 만족시켰다. 응력 집중이 발생하는 주요 연결부에서 두께 100mm 이상의 극 후판이 적용되어 향후 설계 변경 시 강재 입고 지연이 발생할 가능성을 지목하였다.

본 연구에서는 대형 해상풍력발전기 타워의 구조 안전성 평가를 진행하는 데 있어서 면내 전단하중 조합법을 이용하여 대표 하중을 선택하고, 상세한 유한요소모델링을 이용하여 극한한계상태 및 좌굴 강도, 그리고 피로 한계상태 기반 의 안전성을 검증하는 절차를 소개하였다. 이 방법은 풍력 관련 엔지니어링 업체에서 수행하고 있는 국제 코드 기반 방법에 비해서 하중 구성 및 조합을 쉽게 이해할 수가 있고, 부위별 구조 최적화를 가능하게 하여 초기 중량 추정의 정확도 및 발주 확정 시간을 줄여주는 장점이 있다. 연구에서 제안한 단계별 평가법 및 구조해석에 사용된 여러 가지 특징들을 이용하여 기존 코드에 의한 의사 결정보다 정확도와 신뢰성을 높이는 의사 결정이 가능할 것으로 기대된다. 기존 선행연구에서는 기본적인 구조 안전성을 검토하는데 하중 조합이나 내부 구성에 대한 접근성에 제한이 있었으나, 제안된 면내 전단하중 조합법을 이용하는 제안은 풍력발전기 타워 구조의 구조 신뢰성 평가 분야에 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2. 부유식 풍력발전기 타워

2.1 주요 구성 및 제원

현재 가장 많이 사용되고 있는 부유식 풍력발전기 형식은 부력에 의해 안정화되는 반잠수식이다. 이 구조는 다양한 수심에 적용 가능하고, 유체역학적 운동 특성이 우수하여서 자주 활용되고 있다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 부유식 풍력발전기 모델을 연구한 참고문헌(Mei, 2021)의 타워 제원을 참고하였다.

연구에서 사용한 타워는 총 5개의 플랜지와 4개의 segment로 구성된다. 한 개의 segment 내에는 여러 개의 can으로 구분되며 Fig. 2-(a)와 같다. Can 별로 두께는 다르게 설계되어 있으며, 가장 두꺼운 최하단은 92mm, 가장 얇은 두께는 segment 4에서 31mm이다. 풍력 타워 구조의 유한요소 모델은 2차원 쉘 요소로 구성되며 요소의 크기는 70mm에서 100mm 내외로 Fig. 2-(b)와 같다. 구조해석 시 요소의 크기에 따른 응력 변화는 발생하며, 국제선급연합회(IACS, 2020) 및 노르웨이선급(DNV, 2015) 기준에서 제시하고 있는 구조강도 해석용 크기인 100mm를 근거로 하였다.

풍력발전기 주요 사양을 Table 1과 2에 나타내고 있다.

여기에서, VCG는 타워의 수직 방향 무게 중심, Ixx는 2차 관성모멘트 X 방향, Iyy는 Y 방향 그리고 Izz는 Z 방향을 나타낸다.

3. 유한요소해석 및 변수 영향 검토

3.1 모델링 및 경계, 하중 조건

본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 Nastran을 사용하였다(MSC, 2020). 사용된 요소는 4절점을 갖고 있고, 각 절점당 6 자유도를 갖고 있다. 전체 절점 개수는 406,148개와 요소는 405,856개이다. 풍력 타워 구조를 구성하는 재료는 참고문헌(EN1993-1-1:2005)에서 인용하였고, Table 3과 같다. 해석의 경계 조건은 하부구조물과 만나는 타워 끝단에 고정 지지(x, y and z : fix) 조건을 Fig. 3과 같이 적용하였다. 타워의 최상단부에 있는 로터와 나셀 장치는 Fig. 4와 같이 1,017톤을 타워 중심부에 강체 요소인 RBE 2를 적용하여 구현하였다. 강체 요소는 한 절점에서 하나 이상의 다른 절점으로 연결되는 링크이며, 절점의 움직임은 독립 절점에 의해서 종속 절점들이 제어된다. 구조 안전성 평가는 EUROCODE 3(2005)에 제공된 지침을 따른다. 풍력발전기에 작용하는 환경 하중은 50년 재현 주기의 파랑 하중과 풍하중을 고려하였다.

면내 전단하중을 유한요소모델링에 적용하는 일례를 Fig. 5에 나타내고 있다. 타워는 총 5개의 플랜지 연결부가 구성되어 있으며, 각 플랜지에는 볼트로 구속되어 있으며, Fig. 6 과 같이 피로강도를 평가할 수 있는 모델링으로 표현하였다. 풍력발전기의 글로벌 해석을 위해서는 하부구조물과 계류 라인을 고려한 동적해석을 시간-이력법을 적용하여 계산한다. 이 해석의 기본개념은 타워, 하부구조물 그리고 계류 라인의 평형 하중 조건을 만족하도록 모든 분산 하중을 재구성하는 방식이다.

외부 환경 하중과 관성 하중을 고려하여 이를 유한요소 모델에 적용하여 선형 해석을 수행하는 과정이며 모든 하중의 시계열에 대해서 계산하는 것은 여전히 엔지니어가 접근 하는데 쉽지 않은 분야이고, 초기 설계안을 확정하고 중량 산출까지 상당한 기간이 필요하다. 이러한 애로사항을 해결 하고자 can의 중심에서 수평 방향 전단하중 비율을 조합하여 이 값이 전체 해석에서의 모멘트 선도와 같아지는 대푯 값을 추출하였다. 이 방법은 보수적이지만 짧은 시간 내에 구조설계를 확정하고, 중량 확정을 할 수 있어서 구조 기본 설계 단계에서는 장점이 있다.

3.2 극한한계상태 평가

모멘트 한계곡선 값과 일치시킨 전단하중을 이용한 극한 조건에서의 응력 결과를 타워의 높이 방향 위치별로 Table 4와 같이 정리하였다. 최대 응력은 T2 플랜지3 위치에서 331MPa이며, 허용응력은 재료의 항복응력인 355MPa이다. EUROCODE 3에서는 소성한계상태의 선형해석을 적용하는 경우, 아래 식(1, 2, 3)을 이용하여 등가설계응력값을 계산하고 있다.

여기에서 σ_x,Ed는 축방향 응력, n_x,Ed는 축방향 막응력, t는 두께, m_x,Ed는 축방향 휨모멘트, σ_θ,Ed는 비틀림응력, n_θ,Ed는 원주방향 막응력, m_θ,Ed는 원주방향 휨모멘트, τ_xθ,Ed는 전단 응력, n_xθ,Ed는 X축 방향 막 전단응력, m_xθ,Ed는 X축 방향 원주 휨모멘트를 각각 의미한다.

EUROCODE 3에서 제안하는 조합응력 계산을 위해서 주요 응력 결과와 작용 모멘트값을 Fig. 7에 나타내고 있다. 상세 유한요소모델링에서는 각 응력 성분을 더 정확하게 확인할 수 있다.

3.3 좌굴 한계상태 평가

타워의 좌굴 한계상태에 대한 안전성의 평가를 위하여 고유치 좌굴 해석(Eigen buckling analysis)을 수행하였다. 1모드에서 구해진 고유치 값을 기준으로 탄성 좌굴응력(1)과 임계 좌굴응력(2)을 계산할 수 있다. 임계 좌굴응력 값이 타워 둘레 방향 응력보다 크기 때문에 좌굴 발생 가능성은 없다고 판단할 수 있다. 고유치 좌굴 해석은 면내 전단하중 조합을 이용하였고, 가장 작은 압축하중에서 발생할 수 있는 좌굴 패턴을 Fig. 8에 나타내고 있다. 타워 높이 방향으로 국부좌 굴이 발생하였고, 고유치 좌굴계수는 허용 기준인 1.0보다 큰 값으로 만족하였다. 이 결과는 실제의 값과 차이가 발생하기 때문에, 식(4)에 의해서 탄성좌굴 응력을 먼저 계산한다. 탄성좌굴 소성 수정 식(5)에 의해서 보정된 허용한도 값을 계산하고, 이 값은 좌굴 발생의 최대 응력이며, 이 값이 압축 좌굴응력인 σ_M 보다 더 크면 좌굴은 발생하지 않는다고 판단할 수 있다. 좌굴모드 3번에서는 타워의 원주 방향으로 전단좌굴이 발생하는 패턴으로 변경되며, Fig. 9와 같다. 현재 설계조건에서는 수직 방향과 원주 방향 좌굴 모드로 분류할 수 있다.

여기에서 σ_e는 탄성 좌굴응력, σ_M은 최대 하중 조합에서 계산된 압축 응력, E.F는 고유치 좌굴계수, σ_cr는 임계 좌굴응력, σ_y는 항복강도를 나타낸다.

3.4 피로 한계상태 평가

자중을 제외한 변동하중인 풍하중에 의한 타워의 용접부와 플랜지 연결부에 대한 스크리닝 해석을 통하여 피로수명 평가 위치를 선정하였다. 피로해석 모델링을 이용한 핫 스팟(Hot spot) 응력 계산을 위해서 요소의 크기는 인접한 두께의 평균값을 이용하였으며, Fig. 10과 같다. 핫스팟 응력은 4개 절점을 가진 요소에서 계산되며, 3t/2와 t/2 위치에서 계산된 응력으로부터 선형 외삽법을 이용하여 추정되며 Fig. 11에서 도식화하고 있다. 피로 평가를 위해서 사용하는 응력은 균열 위치에서의 주응력(Principal stress)이다. S-N 데이터는 Table 5에 정리하였으며, Detail category가 100MPa 조건이 용접부, 160MPa은 비용접부를 나타낸다.

피로 한계상태 평가를 위한 순서도를 Fig. 11에 나타내고 있다. 풍하중 및 관성력에 의한 변동하중을 면내 전단하중 조합에 의해서 구해진다. 피로 하중은 일반적으로 시간이 지남에 따라 구조물이 받는 다양한 진폭과 주파수를 나타내는 하중 스펙트럼을 사용하여 분석하며, 연구에서는 보수적인 설계 관점에서 최대 진폭에 하중 이력이 설계수명 동안 작용하는 것으로 가정하였다. 계산의 효율성을 위하여, 스크리닝 해석을 통하여 피로강도가 취약한 위치를 찾는다. Hotspot 응력은 용접이나 기하학적 불연속 주변의 국부적인 응력을 나타내며, 이 단계에서 응력을 정확하게 계산하기 위하여 유한요소해석 모델링을 적용하였다. 이 응력은 공칭 응력 계산으로 포착할 수 없는 응력 증폭을 고려하므로 피로수명을 평가하는 데 중요한 과정이다. 평가 부위는 용접부와 모재에 따라서 분류한 후 간략 피로 계산 방법에 사용 될 피로 변수들을 반영하여 누적손상률(D)을 계산한다. 최종 설계 수명은 설계 피로수명인 20년을 계산된 누적손상률로 나눠줌으로써 결과를 확인할 수 있다. 누적손상률을 계산하는데 Palmgren-Miner 법칙(IACS, 2020)을 사용하였다. 이 누적 손상 모델은 피로 손상이 각 하중 주기에 따라 선형적으로 누적된다고 가정한다. 계산된 피로수명이 설계수명을 충족하지 못하는 경우 재 설계 과정으로 반복하며, 원하는 피로 성능을 달성하기 위해 재료 변경, 기하학적 특징 변경, 용접 품질 개선 등 방법을 고려할 수 있다.

유한요소모델링을 이용하여 hotspot 응력을 계산하는 기본 개념도를 Fig. 12-(a)에서 나타내며, 실제 용접비드(Welding bead) 끝단 부에 발생하는 응력을 계산하기 위하여, 두께와 같은 요소 크기로 분할된 모델에서 두께의 0.5인 위치와 1.5 인 곳의 주응력을 읽어서 hotspot 응력을 계산한다. 플랜지 용접부 인근 요소에서 응력을 읽는 위치에 대한 정보를 Fig. 12-(b)에 도시하고 있다.

풍하중 및 관성력에 의한 변동하중 성분만을 이용하여 대표적인 응력 집중이 발생하는 곳을 스크리닝하였으며, 그 결과를 위치별로 Fig. 13부터 15까지 나타내고 있다. Fig. 13 의 피로수명은 3,357년으로 피로 허용 기준인 20년을 충분히 만족하고 있다. Fig. 14의 can 용접부의 피로수명은 74.3년으로 Fig. 13보다 낮은 피로 선도를 적용하고, 변동하중 크기가 증가하여 수명 여유치를 보다 낮게 평가하는 경향을 나타낸다. Fig. 15의 flange 연결부를 구성하고 있는 용접부에서는 368년으로 계산되었으며 설계 허용 기준을 충분히 만족하였다. 유한요소해석법에 따른 최소 수명 지점인 can 용접부를 EUROCODE 3에 의해서 계산하면 112.5년으로 평가하며 변동 피로 하중을 고려하는 방식이 다르고, 코드에서는 경험 계수를 고려하고 있어서 직접 비교는 어렵지만 유사한 경향은 확인할 수 있었다.

4. 결론 및 향후 연구과제

본 논문에서는 대형 해상풍력발전기(15MW)의 핵심 구성품인 타워의 구조설계안에 대한 안전성 검증을 이른 시일 안에 할 수 있는 방법에 대해 제안하고 있다. 안전성 검증을 위해서는 유한요소모델링을 기반으로 하고, EUROCODE 3을 이용해서 계산된 극한하중 조건에서의 모멘트 한계곡선 값과 등가한 면내 전단하중 조합을 생성하였다. 단위하중을 적용하여 초기 구조 응답 계산을 하고, 한계곡선 값과 보간을 하면 바로 등가한 응력 분포를 확인할 수가 있는 장점이 있다. 이 방법은 시간-이력 기반 복잡한 시리즈 해석을 수행 하지 않아도 되고, 하중 조건이 단순화되어 있어서 빨리 설계안을 검증할 수가 있다. 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

향후 연구과제로서는 타워와 하부구조물을 고려하고, 하부구조물의 관성력 효과를 각 한계 상태별 구조 강도 검증 시 고려하는 것이다. 이 해석을 위해서는 계류 라인과 하부 구조물을 표현해야 하며, 대표 하중 조건을 선택하고 이때의 모멘트 한계곡선을 정의하는 스크리닝 작업이 필요하다. 이러한 과정은 엔지니어의 노하우에 의해서 진행할 수 있지만, 몇 가지 설계 변수를 이용하여 대표 하중 케이스를 구성할 수 있는 시스템 구성이 필요하다.