Research Highlight (이상봉 교수)

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- 후류로 인한 부유식 풍력 터빈 피로 하중 고해상도 지도 개발 -

 

 

 

< KAIST AE 이상봉 교수 >

 

 

  이번 리서치 하이라이트에서는 2024년 12월에 Physics of Fluids에 게재된 강유주 박사과정의 (이상봉 교수님 연구실) “Wake effect on floating offshore wind turbine fatigue load”를 소개한다. (DOI: https://doi.org/10.1063/5.0242835)

 

  풍력 발전의 효율을 극대화 하기 위해 풍력 터빈들은 단지화 되어 가는 추세이다. 하지만 풍력 발전의 효율을 저하시키는 주요 원인 중 하나가 바로 후류(wake)이다. 하류 풍력 터빈은 상류 풍력 터빈의 후류에 의해 발전량이 감소하고 피로 하중이 증가하는 문제를 겪는다. 특히 후류로 인한 피로 하중의 증가는 풍력 터빈의 유지 보수 비용을 증가시키고 터빈의 수명을 단축시킨다. 따라서 풍력 발전의 단가를 낮추기 위해서는 피로하중의 저감이 필수적이다.

 

  하지만 현재 풍력 발전 단지 배치 최적화 과정에는 주로 후류로 의한 발전량 손실만 고려하며, 피로 하중은 반영되지 않는다. 이는 후류로 인한 증가된 피로 하중을 정밀하게 예측하고 분석하기 위한 수치적 복잡성과 높은 계산 비용 때문이다.

 

 

 

< 그림 1. 상류 풍력 터빈에 의한 후류 가시화 ​ >

 

 

  강유주 박사과정 학생과 이상봉 교수는 대와류 시뮬레이션 (Large Eddy Simulation, LES)를 활용하여 상류 풍력 터빈의 후류를 생성한 후, 2,580개의 후류 위치에서 부유식 풍력 터빈의 공탄성 시뮬레이션을 수행하였다. 대규모 시뮬레이션 통해 후류-터빈 중첩 효과를 면밀히 분석하고, 하류 풍력 터빈의 위치에 따른 전력 손실, 블레이드 및 타워의 하중 증가, 부유체 거동 불안정성의 고해상도 지도를 최초로 작성하였다.

 

 본 연구에서는 후류에 의한 블레이드 피로 하중은 전력 회복보다 늦게 회복된다는 주요 결과를 발견하였다. 횡 방향 거리 1D (D: 풍력 터빈 지름) 에서는 전력이 완전히 회복되었지만, 블레이드 및 타워의 피로 하중은 여전히 증가된 상태를 유지하며, 최소 1.5D 이상 떨어져야 피로 하중까지 안정적으로 회복된다. 피로 하중은 후류 중심선을 기준으로 bimodal 분포를 나타나며 약 터빈 지름의 절반의 횡 방향일 때 피로하중이 가장 크게 증가한다. 분석 결과 상류 터빈과 근접한 후류에서는 평균 속도 결손이, 원거리 후류에서는 난류가 하중 증가의 주요 원인으로 작용한다.

 

  본 연구는 기존 연구들이 제한된 지점에서 피로 하중만을 평가했던 것과 달리, 고해상도 공간 분포를 통한 후류-터빈 상호작용의 전반적인 이해를 가능하게 하였다. 이러한 정량적 결과는 향후 풍력 발전단지 설계 시, 전력 회복만을 고려할 경우 피로 하중 증가로 인해 구조 수명이 짧아질 수 있다는 중요한 인사이트를 제공한다. 즉, 풍력 단지 배치 최적화에 있어 피로하중 지도가 반드시 고려되어야 하며, 이를 통해 터빈 수면을 연장하고, 유지보수 비용과 풍력 에너지의 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

 

 해당 연구는 국제 학술지인 Physics of Fluids 2024년 12월호에 게재되었다. Physics of Fluids는 유체분야 JCR 상위 4% 이내의 최상위 국제 학술지이다.

 

 한편, 이상봉 교수 연구팀은 풍력 발전의 효율 극대화를 목표로, 후류 영향 정량 평가, 후류 억제를 위한 제어 기법 개발, 나아가 후류의 물리적 메커니즘 규명에 이르기까지 폭넓은 연구를 활발히 수행하고 있다.

 

 

< 그림 2. (a) 후방 터빈 해석 위치, (b) 후류-터빈 중첩효과 및 후방터빈 유입장, (c) OpenFAST 공탄선 시뮬레이션 ​ >

 

 

 

< 그림 3. 하류 터빈의 위치에 따른 (a)-(b) 피로하중 및 (c)-(d) 발전량 ​ >

 

 

 

< 그림 4. 발전량과 피로 하중을 고려한 후방 터빈 배치 비권장 구역 ​ >

 

 

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원문    이상봉 교수[slee1@kaist.ac.kr]

편집         이은혁[lehx01@kaist.ac.kr]