KR102462922B1 - 해상 풍력발전기 기초 구조 및 경량화 설계 방법 - Google Patents

해상 풍력발전기 기초 구조 및 경량화 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상 풍력발전기 기초 구조 및 경량화 설계 방법을 제공하고, 이는 자켓을 포함하고, 상기 자켓 저부는 4개의 필로티에 고정되고 상부에는 과도 블록이 설치되며, 상기 과도 블록에는 풍력발전기 타워 드럼이 설치되고, 상기 자켓은 4개의 레그 및 교차 구조를 포함하고, 상기 교차 구조는 레그 사이에 설치되며, 상기 교차 구조는 다섯 층 설치되고, X형 및 K형 구조를 포함한다. 본 발명의 장점은 기존의 자켓의 설치 구조를 변화시키고 연속체 모델을 구축하는 것을 통해, 연속체 구조를 직접 최적화함으로써 합리한 동력 전달 경로의 트러스 구조를 얻고, 자켓 구조의 무게를 감소하는 동시에 전반적으로 힘을 균일하게 받게 하여 작업 안전성을 향상시킨다.

Description

해상 풍력발전기 기초 구조 및 경량화 설계 방법{OFFSHORE WIND TURBINE BASIC STRUCTURE AND LIGHTWEIGHT DESIGN METHOD}
본 발명은 풍력 발전 기초 시설 분야에 관한 것이고, 특히 해상 풍력발전기 기초 구조 및 경량화 설계 방법에 관한 것이다.
근년래 녹색 에너지가 제기되고 해상 신에너지가 크게 개발됨에 따라, 풍력발전기 기초 구조에 대한 설계도 구조 성능을 향상시키고 생산 제조 원가를 절감하는 새로운 요구가 제기되고 있다. 기존의 해상 풍력발전기 기초 구조의 설계 제조에 있어서, 자원 개발의 정상적인 진행 및 작업자의 안전을 보장하기 위해, 플랫폼은 종종 보수적으로 설계되어 크고 육중하며, 전반적으로 받는 힘이 균일하지 못하며 이로 인해 생산, 설치 등 비용이 높다. 기존에 플랫폼 구조에 대한 최적화는 종종 원 플랫폼의 기초상에서 풍력발전기 기초 구조 사이즈, 위치 등에 대해 유한한 수정을 진행하는 것으로서 최적화 효과가 그닥 뚜렷하지 못하다. 근년래 구조 토폴로지 최적화 기술이 발전함에 따라, 특히 연속체의 최적한 방면에서 최적화 속도, 규모는 모두 아주 크게 발전하였다. 트러스 구조의 토폴로지 최적화는 연속체 모형을 구축하는 것을 통해 직접 연속체 구조를 최적화함으로써 합리한 동력 전달 경로의 트러스 구조를 얻고, 해양 공정 구조물의 설계 연구에 적용될 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하는 해상 풍력발전기 기초 구조 및 그 경량화 설계 방법을 제공하는 것이고, 해당 방법을 통해 최적화된 모형은 일정한 무게를 감소하는 전제하에 응력도 일정한 정도로 감소되고, 구조의 전반적인 응력 분포가 더 균일하다.
해상 풍력발전기 기초 구조는 자켓을 포함하고, 상기 자켓 저부는 4개의 필로티에 고정되고 상부에는 과도 블록이 설치되며, 상기 과도 블록에는 풍력발전기 타워 드럼이 설치되며, 상기 자켓은 4개의 레그 및 교차 구조를 포함하고, 교차 구조는 레그 사이에 설치되며, 교차 구조는 다섯 층 설치되고, X형 및 K형 구조를 포함한다.
교차 구조는 위에서 아래로 순차적으로 제1 층 교차 구조, 제2 층 교차 구조, 제3 층 교차 구조, 제4 층 교차 구조 및 제5 층 교차 구조를 포함하고; 제2 층 교차 구조는 K형, 제5 층 교차 구조는 X형이며, 중간점은 X의 교점에 위치하지 않는다.
레그는 위에서 아래로 순차적으로 외경이 같고 벽 두께가 다른 제1 지지 레그, 제2 지지 레그, 제3 지지 레그, 제4 지지 레그 및 제5 지지 레그를 포함한다.
해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법은,
해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 초기화 모델링을 진행하여 초기화 설계 영역을 결정하는 단계 (1);
해상 풍력발전기 기초 구조가 받는 환경 부하를 분석하는 단계 (2);
풍력발전기 기초 구조에 고정 제약, 작업 부하 및 환경 부하를 포함하는 경계조건을 인가하는 단계 (3);
최적화 목표를 결정하여, 풍력발전기 기초 구조의 최대 강도를 목표로 자켓의 부피율 및 최대 변위를 제약하는 단계 (4);
해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 토폴로지 최적화를 진행하는 단계 (5);
토폴로지 최적화를 거쳐 얻은 자켓에 대해 형상 및 사이즈 최적화를 진행하는 단계 (6);
최적화 전후의 해상 풍력발전기 기초 구조를 분석하고, 정태 응력 및 변위, 각 단계 주파수 및 극한 견딤 능력 등 방면을 비교하는 단계 (7);
요구를 만족하면 최종 최적화 구조 모형을 출력하고, 요구를 만족하지 않으면 요구를 만족할 때까지 단계 (5) 내지 (7)을 반복하는 단계 (8)을 포함한다.
단계 (2)에서, 상기 환경 부하는 해풍 부하, 파랑 부하 및 해류 부하를 포함하고, 계산 단계는
Figure 112020123671602-pat00001
로 상이한 높이에서의 풍속을 나타내고, 구체적인 풍속의 표달식은
Figure 112020123671602-pat00002
이며,
풍력발전기 타워 드럼에 작용하는 풍력 부하는
Figure 112020123671602-pat00003
이고,
여기서 ρa는 공기 밀도이고, 크기는 1.05 Kg/m3이며; CD,T는 저항력 계수이고 크기는 1이며; D(z) 원뿔형 타워 드럼이 높이 z에서의 직경이고; z는 측정점에서 해수면까지의 거리이며; zr는 풍력발전기 타워 드럼 상부 높이이고; a는 거칠기 인자로서 0.115이며;
상기 자켓이 파랑 부하 영역 단위 길이에서의 파랑 부하의 계산 과정은
속도 퍼텐셜 함수:
Figure 112020123671602-pat00004
이고,
여기서 k는 파수, w는 각주파수이며,
파면 방정식:
Figure 112020123671602-pat00005
,
파속 q:
Figure 112020123671602-pat00006
,
파랑 높이 및 파면의 관계, 즉 H＝η|θ＝0-η|θ＝π에 따라
Figure 112020123671602-pat00007
를 얻고,
파속에 따라
Figure 112020123671602-pat00008
를 얻을 수 있으며
파랑 높이 H, 주기 T 및 물 깊이 d를 알면, 계수 λ와 파장 L을 얻을 수 있고,
자켓의 직경 D≤0 .2λ인 경우 모리슨 방정식을 통해 파성류 힘을 계산하고, 계산 공식은
Figure 112020123671602-pat00009
이며,
여기서 ρw는 해수 밀도이고 크기는 1030 kg/m3이며; CM, CD는 관성 계수 및 항력(drag force) 계수이고 크기는 각각 2.0 및 0.65이며; u(z,t)는 물덩어리(water parcel) 속도이고,
Figure 112020123671602-pat00010
는 물덩어리 가속도이며, Stokes 5차 파랑 이론을 통해 얻은 것이며,
자켓이 받는 해류 부하는 모리슨 방정식을 통해 얻고
Figure 112020123671602-pat00011
상기 식에서 uc,MSL는 해면의 물의 유속이고, 단위는 m/s이며, d는 물의 깊이이고 단위는 m이다.
단계 (3)에서, 해상 풍력발전기 기초 구조 모형에 대한 제약은 필로티 하단에 4개의 고정 제약 포인트를 인가하고, 필로티 하단의 4개의 면에 대해 대칭 제약을 진행한다.
단계 (3)에서, 필로티와 해저 토양 사이의 작용력은 6-8배의 필로티가 해저를 향해 연장되는 실제 거리로 변환시키고, 필로터 최저부에서 고정 제약을 진행한다.
단계 (3)에서 해풍 부하는 자켓 상방의 풍력발전기 타워 드럼, 풍력발전기 및 설계 영역이 해수면보다 높은 부분에 작용하고; 파랑 부하는 설계 영역이 해수면에 위치한 부분에 작용하며; 해류 부하는 설계 영역이 해수면보다 낮은 영역에 작용하여; 풍력발전기가 발생한 풍하중 및 풍력발전기 타워 드럼 상방의 터빈, 임펠러의 등가 질량을 집중 질량 포인트로 하여 타워 드럼 구조 상방에 인가한다.
상기 단계 (4)에서 강도 최적화를 진행하는 수학적 모형은
Figure 112020123671602-pat00012
이고,
상기 식에서, U는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 변위 매트릭스를 가리키고, F는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 힘 매트릭스를 가리키며, K는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 강도 매트릭스를 가리키고, ue 및 ke는 단위 변위 벡터 및 강도 매트릭스를 가리키며, x는 설계 변수의 벡터를 가리키고, xmin은 상대 밀도의 최소 벡터를 가리키며, N은 설계 영역 이산화의 단위 수량이고, p는 패널티 계수를 가리키며, V(x) 및 V0는 각각 자켓 부피, 설계 영역 부피를 가리키고, f는 규정된 용적율이다.
단계 (5)에서, 밀도 변환법을 사용하여 토폴로지 최적화를 진행하고, 공식 (1) 중의 밀도 임계값을 조절하는 것을 통해 해상 풍력발전기 기초 구조 모형을 얻으며, 밀도 임계값을 조절하여 자켓 구조를 최적화한다.
본 발명에 따른 방법을 통해 최적화된 구조의 중량은 크게 감소되고, 최적화 전의 모형에 비해 최적화 후의 모형의 응력 분포가 더 균일하여 경량화 요구를 만족시키는 동시에 응력 및 변위를 보장한다.
도 1은 선행기술의 해상 풍력발전기 기초 구조의 정면도이다.
도 2는 선행기술의 자켓 노드 및 지지 레그와의 연결점 높이 분포 모식도이다.
도 3은 토폴로지 최적화 설계 영역 모식도이다.
도 4는 본 발명의 부하 제약 분포도이다.
도 5는 본 발명의 토폴로지 최적화 과정도이다.
도 6은 본 발명의 자켓 노드 및 지지 레그와의 연결점 높이 분포 모식도이다.
도 7은 본 발명의 구조 모식도이다.
해상 풍력발전기 기초 구조는 자켓을 포함하고, 자켓 저부는 4개의 필로티(1)에 고정되고 상부에는 과도 블록(4)이 설치되며, 과도 블록에는 풍력발전기 타워 드럼(5)이 설치되고, 자켓 저부에는 가로 지지부(6)가 설치되며, 자켓은 둘러싸여 원뿔형 구조를 형성하는 4개의 레그(2)를 포함하고, 지지 레그(2) 사이에는 교차 구조(3)가 설치되며, 교차 구조(3)는 위에서 아래로 순차적으로 제1 층 교차 구조(31), 제2 층 교차 구조(32), 제3 층 교차 구조(33), 제4 층 교차 구조(34) 및 제5 층 교차 구조(35)를 포함하고; 그 구조 형상은 순차적으로 X형, K형, X형, X형 및 X형 구조이며, 제5 층 교차 구조(35)의 X형 구조의 중간점은 X 의 교점보다 약간 낮은 위치에 위치한다.
지지 레그(2)는 제1 지지 레그(21), 제2 지지 레그(22), 제3 지지 레그(23), 제4 지지 레그(24) 및 제5 지지 레그(25)를 포함하고, 도 6-7에 도시된 바와 같이 제1 지지 레그(21)는 노드 Z1-Z3 사이의 거리이고; 제2 지지 레그(22)는 노드 Z3-Z4 사이의 거리이며; 제3 지지 레그(23)는 노드 Z4-Z7 사이의 거리이고; 제4 지지 레그(24)는 노드 Z7-Z8 사이의 거리이며; 제5 지지 레그(25)는 노드 Z8-Z11 사이의 거리이고; 제1 지지 레그(21), 제2 지지 레그(22), 제3 지지 레그(23), 제4 지지 레그(24) 및 제5 지지 레그(25)의 벽두께는 다르고 외경은 같다.
해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법은 아래 단계를 포함한다.
단계 (1)에서 HyperMesh 소프트웨어를 이용하여 해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 초기화 모델링을 진행하여 초기화 설계 영역을 결정하고, 도 1에 도시된 바와 같은 연속체 해상 풍력발전기 기초 구조 모형을 구축한다.
본 발명에서, 최적화 전의 자켓 구조는 도 1-2에 도시된 바와 같고, 여기서 최적화 전의 해상 풍력발전기 기초 구조의 각 부재의 관의 외경 및 벽두께 분포는 표 1과 같다. 지지 레그 상부는 L1에서 L4 사이의 거리이고; 지지 레그 저부는 L4에서 L5 사이의 거리이며; 필로티는 L7에서 L8 사이의 거리이다.
표 1 최적화 전의 해상 풍력발전기 기초 구조의 각 부재의 관의 외경 및 벽두께
부재 외경(m) 두께(mm)
교차 구조 0.8 20
과도 블록 1.2 35
지지 레그 상부 1.2 40
지지 레그 저부 1.2 50
필로티 2.082 60
본 발명에서 최적화 전의 자켓의 교차 구조 노드 및 그 연결점 높이는 표 2와 같다.
표 2 자켓 구조 노드 및 그 연결점 높이
노드 및 중간 연결점 높이 값(m)
L1 15 .651
L2 4 .378
L3 -8 .922
L4 -24 .614
L5 -43 .127
L6 -44 .001
L7 -45000
L8 -57 .500
X1 10 .262
X2 -1 .958
X3 -16 .371
X4 -33 .373
단계 (2)에서 해상 풍력발전기 기초 구조가 받는 환경 부하를 분석한다.
본 구현예에서 극한 작업 환경에서의 해풍 부하(P4), 파도 부하(P3), 해류 부하(P2)를 이용하여 해상 풍력발전기 기초 구조 모형에 대해 토폴로지 최적화 분석을 진행한다. 아래 단위 면적의 해풍 부하(P4), 파도 부하(P3), 해류 부하(P2)에 대해 분석 및 계산을 진행한다.
Figure 112020123671602-pat00013
로 상이한 높이에서의 풍속을 나타내고, 구체적인 풍속의 표달식은
Figure 112020123671602-pat00014
이며,
풍력발전기 타워 드럼(5)에 작용하는 풍력 부하는
Figure 112020123671602-pat00015
이고,
여기서 ρa는 공기 밀도이고, 크기는 1.05 Kg/m3이며; CD,T는 저항력 계수이고 크기는 1이며; D(z) 원뿔형 타워 드럼이 높이 z에서의 직경이고; z는 측정점에서 해수면까지의 거리이며; zr는 풍력발전기 타워 드럼 상부 높이이고; a는 거칠기 인자로서 0.115이며;
상기 자켓이 파랑 부하 영역 단위 길이에서의 파랑 부하(P3)의 계산 과정은
속도 퍼텐셜 함수:
Figure 112020123671602-pat00016
이고,
여기서 k는 파수, w는 각주파수이며,
λ1＝λA11+λ3A13+λ5A15; λ2＝λ2A22+λ4A24; λ3＝λ3A33+λ5A35; λ4＝λ4A44; λ5＝λ5A55;
Figure 112020123671602-pat00017
Figure 112020123671602-pat00018
Figure 112020123671602-pat00019
Figure 112020123671602-pat00020
Figure 112020123671602-pat00021
파면 방정식:
Figure 112020123671602-pat00022
여기서 λ1＝λ; λ2＝λ2B22+λ4B24; λ3＝λ3B33+λ5B35; λ4＝λ4B44; λ5＝λ5B55;
Figure 112020123671602-pat00023
Figure 112020123671602-pat00024
Figure 112020123671602-pat00025
Figure 112020123671602-pat00026
파속 q:
Figure 112020123671602-pat00027
여기서
Figure 112020123671602-pat00028
c≡coshkd, s≡sinhkd로 정의하고
파랑 높이 및 파면의 관계, 즉 H＝η|θ＝0-η|θ＝π에 따라
Figure 112020123671602-pat00029
를 얻고,
파속에 따라
Figure 112020123671602-pat00030
를 얻을 수 있으며
파랑 높이 H, 주기 T 및 물 깊이 d를 알면, 계수 λ와 파장 L을 얻을 수 있고,
자켓의 직경 D≤0 .2λ인 경우 모리슨 방정식을 통해 파성류 힘을 계산하고, 계산 공식은
Figure 112020123671602-pat00031
이며,
여기서 ρw는 해수 밀도이고 크기는 1030 kg/m3이며; CM, CD는 관성 계수 및 항력(drag force) 계수이고 크기는 각각 2.0 및 0.65이며;
u(z,t)는 물덩어리(water parcel) 속도이고,
Figure 112020123671602-pat00032
는 물덩어리 가속도이며, Stokes 5차 파랑 이론을 통해 얻은 것이며,
상기 자켓이 받는 해류 부하는 모리슨 방정식을 통해 얻고
Figure 112020123671602-pat00033
상기 식에서 uc,MSL는 해면의 물의 유속이고, 단위는 m/s이며, d는 물의 깊이이고 단위는 m이다.
단계 (3)에서 풍력발전기 기초 구조에 고정 제약, 작업 부하 및 환경 부하를 포함하는 경계조건을 인가한다.
해상 풍력발전기 기초 구조 모형에 인가하는 경계조건은 도 4에 도시된 바와 같이, 해저 토양이 필로티(1)에 대한 작용은 고정 제약(P1)이고, 해상 풍력발전기 기초 구조 모형에 대한 제약은 필로티(1) 하단에 4개의 고정 제약 포인트를 인가하고, 필로티(1) 하단의 4개의 면에 대해 대칭 제약을 진행한다.
필로티(1)와 해저 토양 사이의 제약력은 6-8배의 해저면에서 L8까지의 실제 거리이고, 필로티(1) 최저부에서 고정 제약을 진행하며, 본 실시예는 6배의 해저면에서 L8까지의 거리로 계산한다.
해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 환경 부하 및 작업 부하에 있어서, 환경 부하는 해풍 부하(P4), 파도 부하(P3), 해류 부하(P2)를 포함하고, 여기서 해풍 부하(P4)는 자켓 상방의 풍력발전기 타워 드럼(5), 풍력발전기 및 설계 영역(V)이 해수면보다 높은 부분에 작용하고; 파랑 부하(P3)는 설계 영역이 해수면에 위치한 부분에 작용하며; 해류 부하(P2)는 설계 영역이 해수면보다 낮은 영역에 작용하여; 풍력발전기가 발생한 풍하중 및 풍력발전기 타워 드럼(5)이 받는 풍하중 질량 포인트(p5)를 풍력발전기 타워 드럼(5) 구조 상부에 집중적으로 등가 인가하고 모멘트를 부가한다.
단계 (4)에서 최적화 목표를 결정하여, 풍력발전기 기초 구조의 최대 강도를 목표로 자켓의 부피율 및 최대 변위를 제약한다.
본 발명은 구조의 강도를 최대화하는 것을 최적화 목표 함수로 하고, 구조의 전반적인 부피 제약을 최적화 제약 조건으로 하며, 강도 최적화l 수학 모형은 아래와 같다.
Figure 112020123671602-pat00034
상기 식에서, U는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 변위 매트릭스를 가리키고, F는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 힘 매트릭스를 가리키며, K는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 강도 매트릭스를 가리키고, ue 및 ke는 단위 변위 벡터 및 강도 매트릭스를 가리키며, x는 설계 변수의 벡터를 가리키고, xmin은 상대 밀도의 최소 벡터를 가리키며, N은 설계 영역 이산화의 단위 수량이고, p는 패널티 계수를 가리키며, V(x) 및 V0는 각각 자켓 부피, 설계 영역 부피를 가리키고, f는 규정된 용적율이다.
단계 (5)에서 해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 토폴로지 최적화를 진행한다.
본 실시예에서 OptiStruct 소프트웨어를 토폴로지 최적화 소프트웨어로 사용하고, 최적화 영역은 도 3에 도시된 바와 같으며, 밀도 변환법 및 MMA 수치를 이용하여 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 토폴로지 최적화를 진행한다. 흔히 보는 밀도 강도 차이값 방법은 SIMP 차이값 모형 및 RAMP 차이값 모형을 포함하고; 단계 (2)에서 분석한 환경 부하, 해풍 부하(P4) 및 본 단계에서 얻은 파성류에 의해 커플링된 부하 방정에 따라, 최적화 소프트웨어에서 구축된 부분 좌표계를 통해, 단계 (3)에서 분석한 각 부하의 인가 위치에 따라 함수에 따라 규칙적으로 분포된 압력 부하를 인가하며; 밀도 임계값을 조절하는 것을 통해 즉 단계 (4)의 수학 모형 중의 x를 조절하여 재건된 해상 풍력발전기 기초 구조 모형을 얻고 밀도 임계값을 조절하여 자켓 구조를 최적화함으로써, 토폴로지 최적화된 해상 풍력발전기 기초 구조 모형을 얻고, 최저고하 과정에서 자켓의 부피가 점점 작아지고 자켓의 유연도가 점점 상승하며 도 5에 도시된 바와 같다.
단계 (6)에서 토폴로지 최적화를 거쳐 얻은 자켓에 대해 형상 및 사이즈 최적화를 진행한다.
단계 (5)의 토폴로지 최적화는 단지 설계 영역(V)의 구조 형식만 얻었고, 본 단계에서 모형이 실제 해상 풍력발전기 기초 구조에 더 접근하도록 해상 풍력발전기 기초 구조 모형 중 자켓의 사이즈를 시물레이션하고, 도관의 직경, 벽두께 사이즈 수치를 포함하며, 상기 수치를 ANSYS에 입력하고 재건된 모형에 대해 형상 및 사이즈 최적화를 진행하고, 최적화 목적은 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 형상 및 사이즈를 더 개선하고 경량화를 실현하며 부피를 최소화 하는 것이다.
단계 (7)에서 최적화 전후의 해상 풍력발전기 기초 구조를 분석하고, 정태 응력 및 변위, 각 단계 주파수 및 극한 견딤 능력 등 방면을 비교한다. 실제 해양 환경 파라미터를 이용하고, ANSYS 소프트웨어를 사용하여 초기 설계된 설계 영역 모형과 단계 (7)을 거쳐 최적화 된 설계 영역 모형의 정태 성능 및 동태 성능을 비교 분석한다.
단계 (8)에서, 요구를 만족하면 최종 최적화 구조 모형을 출력하고, 요구를 만족하지 않으면 요구를 만족할 때까지 단계 (5) 내지 (7)을 반복하여 최적화 구조 모형을 얻고 도 7에 도시된 바와 같다.
상기 단계를 거쳐 해상 풍력발전기 기초 구조를 얻고, 본 발명의 구체적인 구조 특징을 상세히 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 자켓형 해상 풍력발전기 기초 구조는 4-필로티 자켓 기초 구조로서 설계된 물의 깊이는 50m이다. 이 해상 풍력발전기 기초 구조의 주요한 작용은 풍력발전기가 발생한 부하를 해저에 전달하는 동시에, 기초 구조 자체가 받는 물의 동력 및 공기 동력 부하도 해저에 전달하는 것이다. 본 발명의 해상 풍력발전기 기초 구조는 풍력발전기 타워 드럼(5). 과도 블록(4), 교차 구조(3), 지지 레그(2) 및 필로티(1)를 포함하고; 해상 풍력발전기의 풍력발전기 타워 드럼(5) 구조 높이는 약 68 m이고, 무게는 약 260 t이며; 풍력발전기 타워 드럼(5) 구조는 볼트 및 플랜지 및 과도 블록(4)을 통해 하나로 연결되어 풍력 터빈 및 자켓 기초 구조를 연결하는 작용을 한다. 높이가 증가됨에 따라 풍력발전기 타워 드럼(5)의 외경 및 벽두께도 점점 작아져 원뿔형으로 분포되고; 전반적인 자켓 및 풍력발전기 타워 드럼(5)는 고강도 강철을 사용하고 과도 블록(4)은 콘크리트를 사용하며, 지지 레그(2) 및 필로티(1)는 콘크리트를 통해 고정 연결된다.
본 발명의 최적화 후의 구조는 도 6-7에 도시된 바와 같고, 여기서 ZX는 각 층 자켓 구조의 중간 연결점에서 해수면까지의 높이를 가리키고, Z는 교차 구조(3)와 지지 레그(2) 연결점에서 해수면까지의 높이를 가리키며, 본 발명의 자켓은 5층의 교차 구조를 포함하고, 각 층의 자켓 구조 노드 및 그 연결점 정보는 표 3과 같다.
자켓 구조 노드 및 연결점 높이
노드 및 중간 연결점(m) 높이 값(m)
Z1 15.088
Z2 11.663
Z3 0.208
Z4 -2.125
Z5 -10.588
Z6 -19.262
Z7 -24.581
Z8 -30.376
Z9 -37.162
Z10 -47.856
Z11 -49.567
Z12 -57.500
ZX1 13.482
ZX2 0.283
ZX3 -15.659
ZX4 -28.002
ZX5 -45.519
표 3을 참조하면, 제1 층 교차 구조(31)의 구조느 평편한 형상이고, 제2 층 교차 구조(32)의 구조는 K자 형이며, 제3 층 교차 구조(33), 제4 층 교차 구조(34) 및 제5 층 교차 구조(35)의 구조는 선행기술에 비해 각각 교차 구조(3)의 구조 중의 높이 위치를 조절하였다. 여기서 제5 층 교차 구조(35)의 구조의 중간 연결점은 약간 아래에 위치하는 비전형적인 X 구조로서, 전반적인 자켓이 파성류 부하를 견디는 동시에 구조는 전체 해상 풍력발전기 구조의 중량을 견뎌야 한다.
본 발명 중 각 관의 구조의 분포는 도 7과 같고 그중 외경 및 벽두께의 데이터는 표 4와 같다.
외경 및 벽두께
관 구조 외경(D)m 벽두께(T)m
과도 블록 0 .966 0 .026
제1 지지 레그 0 .966 0 .039
제2 지지 레그 0 .966 0 .045
제3 지지 레그 0 .966 0 .041
제4 지지 레그 0 .966 0 .054
제5 지지 레그 0 .966 0 .062
제1 층 교차 구조 0 .352 0 .019
제2 층 교차 구조 0 .352 0 .019
제3 층 교차 구조 0 .352 0 .016
제4 층 교차 구조 0 .352 0 .016
제5 층 교차 구조 0 .352 0 .016
표 1 및 표 4를 비교하면, 최적화 후의 해상 풍력발전기 기초 구조의 중량이 가벼워지고 부피가 작아짐을 확인할 수 있다.
앞에서 본 발명이 제공하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법 및 그 최적화 구조 특징을 상세히 설명하였고, 본문에서는 구체적인 예를 들어 본 발명의 원리 및 실시형태를 설명하였다. 앞의 실시에에 대한 설명은 본 발명의 방법 및 그 핵심 사상을 이해하도록 하기 위함이다. 언급해야 할 것은, 당업자는 본 발명의 원리를 벗어나지 않는 전제하에 본 발명에 대해 약간의 개선 및 수정을 진행할 수 있고 이런 개선 및 수정은 모두 본 발명의 보호범위에 속하며 공개된 실시예의 상기 설명은 당업자가 본 발명을 실시하고 사요하도록 하기 위한 것이고, 이런 실시예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 있어서 자명한 것이다. 본문에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 상황에서 다른 실시예에 의해 실현될 것이다. 따라서 본 발명은 본문에 공개된 이런 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라 본문에 공개된 원리 및 새로운 특점과 일치한 가장 넓은 범위로 이해해야 한다.
1-필로티; 2-지지 레그; 21-제1 지지 레그; 22-제2 지지 레그; 23-제3 지지 레그; 24-제4 지지 레그; 25-제5 지지 레그; 3-교차 구조; 31-제1 층 교차 구조; 32-제2 층 교차 구조; 33-제3 층 교차 구조; 34-제4 층 교차 구조; 35-제5 층 교차 구조; 4-과도 블록; 5-풍력발전기 타워 드럼; 6-가로 지지부; Ⅴ-설계 영역.

Claims (9)

  1. 자켓을 포함하고, 상기 자켓 저부는 4개의 필로티에 고정되고 상부에는 과도 블록이 설치되며, 상기 과도 블록에는 풍력발전기 타워 드럼이 설치되는 해상 풍력발전기 기초 구조에 있어서,
    상기 자켓은 4개의 레그 및 교차 구조를 포함하고, 상기 교차 구조는 레그 사이에 설치되며, 상기 교차 구조는 다섯 층 설치되고, X형 및 K형 구조를 포함하고,
    상기 교차 구조는 위에서 아래로 순차적으로 제1 층 교차 구조, 제2 층 교차 구조, 제3 층 교차 구조, 제4 층 교차 구조 및 제5 층 교차 구조를 포함하고; 상기 제2 층 교차 구조는 K형, 상기 제5 층 교차 구조는 X형이며, 중간점은 X의 교점에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레그는 위에서 아래로 순차적으로 외경이 같고 벽 두께가 다른 제1 지지 레그, 제2 지지 레그, 제3 지지 레그, 제4 지지 레그 및 제5 지지 레그를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조.
  4. 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법에 있어서,
    해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 초기화 모델링을 진행하여 초기화 설계 영역을 결정하는 단계 (1);
    해상 풍력발전기 기초 구조가 받는 환경 부하를 분석하는 단계 (2);
    풍력발전기 기초 구조에 고정 제약, 작업 부하 및 환경 부하를 포함하는 경계조건을 인가하는 단계 (3);
    최적화 목표를 결정하여, 풍력발전기 기초 구조의 최대 강도를 목표로 자켓의 부피율 및 최대 변위를 제약하는 단계 (4);
    해상 풍력발전기 기초 구조에 대해 토폴로지 최적화를 진행하는 단계 (5);
    토폴로지 최적화를 거쳐 얻은 자켓에 대해 형상 및 사이즈 최적화를 진행하는 단계 (6);
    최적화 전후의 해상 풍력발전기 기초 구조를 분석하고, 정태 응력 및 변위, 각 단계 주파수 및 극한 견딤 능력 등 방면을 비교하는 단계 (7);
    요구를 만족하면 최종 최적화 구조 모형을 출력하고, 요구를 만족하지 않으면 요구를 만족할 때까지 단계 (5) 내지 (7)을 반복하는 단계 (8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    단계 (2)에서, 상기 환경 부하는 해풍 부하, 파랑 부하 및 해류 부하를 포함하고, 계산 단계는
    Figure 112020123671602-pat00035
    로 상이한 높이에서의 풍속을 나타내고, 구체적인 풍속의 표달식은
    Figure 112020123671602-pat00036
    이며,
    풍력발전기 타워 드럼에 작용하는 풍력 부하는
    Figure 112020123671602-pat00037
    이고,
    여기서 ρa는 공기 밀도이고, 크기는 1.05 Kg/m3이며; CD,T는 저항력 계수이고 크기는 1이며; D(z) 원뿔형 타워 드럼이 높이 z에서의 직경이고; z는 측정점에서 해수면까지의 거리이며; zr는 풍력발전기 타워 드럼 상부 높이이고; a는 거칠기 인자로서 0.115이며;
    상기 자켓이 파랑 부하 영역 단위 길이에서의 파랑 부하의 계산 과정은
    속도 퍼텐셜 함수:
    Figure 112020123671602-pat00038
    이고,
    여기서 k는 파수, w는 각주파수이며,
    파면 방정식:
    Figure 112020123671602-pat00039

    파속 q:
    Figure 112020123671602-pat00040

    파랑 높이 및 파면의 관계, 즉 H＝η|θ＝0-η|θ＝π에 따라
    Figure 112020123671602-pat00041
    를 얻고,
    파속에 따라
    Figure 112020123671602-pat00042
    를 얻을 수 있으며
    파랑 높이 H, 주기 T 및 물 깊이 d를 알면, 계수 λ와 파장 L을 얻을 수 있고,
    자켓의 직경 D≤0 .2λ인 경우 모리슨 방정식을 통해 파성류 힘을 계산하고, 계산 공식은
    Figure 112020123671602-pat00043
    이며,
    여기서 ρw는 해수 밀도이고 크기는 1030 kg/m3이며; CM, CD는 관성 계수 및 항력(drag force) 계수이고 크기는 각각 2.0 및 0.65이며; u(z,t)는 물덩어리(water parcel) 속도이고,
    Figure 112020123671602-pat00044
    는 물덩어리 가속도이며, Stokes 5차 파랑 이론을 통해 얻은 것이며,
    상기 자켓이 받는 해류 부하는 모리슨 방정식을 통해 얻고
    Figure 112020123671602-pat00045

    상기 식에서 uc,MSL는 해면의 물의 유속이고, 단위는 m/s이며, d는 물의 깊이이고 단위는 m인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (3)에서, 해상 풍력발전기 기초 구조 모형에 대한 제약은 필로티 하단에 4개의 고정 제약 포인트를 인가하고, 필로티 하단의 4개의 면에 대해 대칭 제약을 진행하며; 필로티와 해저 토양 사이의 작용력은 6-8배의 필로티가 해저를 향해 연장되는 실제 거리로 변환시키고, 필로터 최저부에서 고정 제약을 진행하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    단계 (3)에서 해풍 부하는 자켓 상방의 풍력발전기 타워 드럼, 풍력발전기 및 설계 영역이 해수면보다 높은 부분에 작용하고; 파랑 부하는 설계 영역이 해수면에 위치한 부분에 작용하며; 해류 부하는 설계 영역이 해수면보다 낮은 영역에 작용하여; 풍력발전기가 발생한 풍하중 및 풍력발전기 타워 드럼 상방의 터빈, 임펠러의 등가 질량을 집중 질량 포인트로 하여 타워 드럼 구조 상방에 인가하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (4)에서 강도 최적화를 진행하는 수학적 모형은
    Figure 112020123671602-pat00046
    이고,
    상기 식에서, U는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 변위 매트릭스를 가리키고, F는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 힘 매트릭스를 가리키며, K는 해상 풍력발전기 기초 구조 모형의 전체 강도 매트릭스를 가리키고, ue 및 ke는 단위 변위 벡터 및 강도 매트릭스를 가리키며, x는 설계 변수의 벡터를 가리키고, xmin은 상대 밀도의 최소 벡터를 가리키며, N은 설계 영역 이산화의 단위 수량이고, p는 패널티 계수를 가리키며, V(x) 및 V0는 각각 자켓 부피, 설계 영역 부피를 가리키고, f는 규정된 용적율인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (5)에서, 밀도 변환법을 사용하여 토폴로지 최적화를 진행하고, 공식 (1) 중의 밀도 임계값을 조절하는 것을 통해 해상 풍력발전기 기초 구조 모형을 얻으며, 밀도 임계값을 조절하여 자켓 구조를 최적화하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전기 기초 구조의 경량화 설계 방법.
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