해상풍력발전기 자켓 지지구조물의 신뢰도 기반 최적설계

Abstract

인류가 오랫동안 이용한 가장 대표적 에너지원인 풍력발전은 최근 신재생 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 이 중 육지를 벗어나 해상에 설치되는 대형 풍력발전기에 대한 개발 요구가 증대되고 있다. 대형 풍력발전기를 해상에 설치하여 운용을 하기 위해서는 지지구조물이 필요하다. 여러 형태의 지지구조물 중 자켓 지지구조물은 고정식 지지구조물로서 많은 제작 및 설치, 운용의 경험이 있으며, 풍력발전기와 타워의 무게가 큰 5MW 이상의 대형 해상풍력발전기의 지지구조물로서 가장 적합한 형태로 평가 받고 있다. 바람과 파도, 조류 등의 가혹한 환경조건에 있고, 설치 후 유지∙보수에 많은 비용이 들어가는 특성 때문에 설계 초기 단계에서부터 경제성과 신뢰도를 고려하여야 한다. 이를 위해 일정 수준 이상의 신뢰도를 가지는 구조 안정성을 확보하고 지지구조물의 무게를 감소시켜 경제성을 향상시키는 것을 목표로 하여 신뢰도 기반 최적설계를 수행하고자 한다. 본 연구의 대상으로 NREL 5MW 풍력발전기의 자켓 지지구조물을 선정하였다. 설치 기준 영역은 한국 남서쪽 해역으로 결정하였으며, 지지구조물의 안정성을 평가하는 방법으로는 허용 응력비(unity check)를 이용하였다. 최대 허용 응력비가 1 이하가 될 확률이 0.9 이상을 유지하며 중량을 최소화하도록 설계 문제를 정식화 하였다. 이를 위하여 2개의 결정론적 변수와 6개의 랜덤 변수로 이루어진 8개의 설계 변수를 선정하였고, 하중은 6개의 랜덤 파라미터로 표현하였다. 신뢰도 해석이 동반되는 신뢰도 기반 최적설계는 많은 횟수의 계산을 필요로 하는데, 이를 효율적으로 수행하기 위하여 허용 응력비에 대한 근사모델을 생성하여 신뢰도를 평가하는 것에 활용하였다. 신뢰도 기반 최적설계의 효과적인 초기점을 구하기 위해 결정론적 최적설계를 우선 수행하였다. 결정론적 최적설계 결과, 최대 허용 응력비가 1 이하를 유지하며 중량이 9.91% 감소한 최적해를 도출하였다. 신뢰도 기반 최적설계 수행 시 신뢰도 해석 기법으로는 enhanced Dimension Reduction (eDR) 기법을 사용하였고, 최적설계 기법으로는 Progressive Quadratic Response Surface Method (PQRSM) 기법을 선정하였다. 신뢰도 기반 최적설계 결과, 최대 허용 응력비가 1 이하가 될 확률이 0.9 이상인 해를 얻음으로써 모든 구속 조건을 만족하였으며, 중량은 초기 설계 모델 대비 4.60% 감소한 결과를 얻었다.