해상풍력발전타워및기초설계 - (주)유신 · 유신기술회보_설계사례 190_제17호 4. 지지구조물설계 4.1 개요 4.1.1 일반사항...

▲⃝유신기술회보 _설계사례

As an energy importing country, We need to improve the energy self-sufficiercy rate. Also, as

"Kyoto protocol" comes into effect on 16 February 2005, which is targeted on greenhouse gas

reduction, the development of alternative energy is urgent.

There are many kind of alternative energies like solar, geothermal, hydro, wind, tidal, and bio

energy. But of them, it is easy to use a wind power generation because of our geographical condition

surrounded by water on three sides.

Wind power generation has environmental-friendly, which is the most aggressive measure to

prevent global warming on the international environmental protection.

However, wind power generation has many problems such as geographical limitation on

installation, large initial investment costs and noise. Also, a large wind farm sides is needed in order

to get more economic effects.

Therefore, technology and academic researches for the development of offshore wind turbine able

to use a good geographical conditions are required.

해상풍력발전타워및기초설계

이경훈1) 정용태2) 강근묵3) 김대훈4)

1) 구조본부 전무· 토목구조기술사([email protected])2) 구조본부 이사([email protected])

3) 구조본부 과장([email protected])4) 구조본부 대리([email protected])

1. 머리말

2. 서론

3. 과업수행내용

4. 지지구조물설계

5. 결론

Design of Offshore Wind Turbine Tower and Foundation

184_제17호

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해상풍력 발전 타워 및 기초설계

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1. 머리말

우리나라는에너지수입국으로서에너지자급도

향상이 필요하며, 기후변화협약에 따른 온실가스

감축목표에관한의정서인“교토의정서”가2005년

2월16일에발효됨에따라대체에너지의개발이시

급한실정이다.

대체에너지는크게태양, 지열, 수력또는조력,

풍력, 바이오에너지등이있으며이중삼면이바다

인우리나라의지형적여건상바람이풍부하여풍

력발전의이용이유리하다. 풍력발전은지구온난화

방지를위한국제적환경보호규제에대한가장적

극적인 대처방안으로 공해의 배출이 없어서 청정

성, 환경친화성을가진다.

그러나, 풍력발전은바람이안불경우발전이불

가하므로특정지역에한정되어설치가능하며초기

투자비용이크며소음발생문제가있으며경제성이

있는 대규모 풍력단지를 건설하기 위해서는 많은

부지를필요로한다. 따라서, 육상풍력발전은지역

적, 경제적한계를가지고있어광범위한위치조건

과에너지자원을가지고있는해상풍력발전에기

술개발과학술적연구가필요한실정이다.

2. 서론

2.1 풍력발전이란?

바람으로 풍차를 돌리고 이것을 기어기구 등을

이용하여 발전기를 돌려 발전하는 것으로 공기의

유동이가진운동에너지의공기역학적특성을이용

하여회전자를회전시켜기계적에너지로변환시키

고이기계적에너지로전기를얻는기술이다.

바람에너지를전기에너지로바꿀때, 이론상바

람에너지중 59.3%만이전기에너지로바뀔수있

으며이것도날개의형상에따른효율, 기계적인마

찰, 발전기의효율등을고려하면실제적으로20%

∼40%만이전기에너지로이용가능하며이수치는

기술의발전에따라점차높아지고있다.

2.2 국내 풍력자원 현황

[ 국내 해역 평균풍속 분포도 ]

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국내전체의풍력에너지자원량은제주도의에너

지밀도가 500W/㎡인 것을 비롯해평균에너지

밀도는100W/㎡정도로추산되며, 이는연간6억6

천MWh의전력생산이가능한자원이다.

특히, 내륙의고산지역으로는강원도대관령등

과해안, 강풍지역으로는새만금방조제, 시화방조

제, 대호방조제등이풍력에너지자원이우수(풍력

등급4∼6)한것으로조사되었다.

2.3 국내 풍력발전 현황

국내풍력발전에대한연구및현황은 ’90년대

초에대학과연구원을중심으로기초연구및소형

풍력시스템연구를시작한이래’90년대중반부터

본격적으로기술개발수행하게되었고, 그이후로

도단계적으로발전을이루고있다.

2.4 해외 풍력발전 현황 및 사례

1980년대 초부터 풍력발전의 제작기술이 급속

히발전하여독일의Germanischer Lloyd, 덴마

크의DNV및RISO등에서설계인증·검증, 성능

평가기준을제시하고있으며, IEA에서는풍력발전

에관한국제규정을마련하고있는단계에이르고

있다.

발전기개발현황으로는유럽을중심으로시스템

의대형화추세에있으며, 제작사별로3MW급이기

술개발완료되어생산중에있으며, 5MW급풍력발

전시스템의시작품이제작되었거나실증운전진

행중에있으며, 6MW급이상도개발단계에있다.

해상풍력발전사업은영국, 덴마크, 스웨덴, 네덜

란드등유럽국가에서활발하게이루어지고있다.

2009년말현재영국은하루최대882.8MW의

전력을 생산하고 있고 덴마크 또한 하루


186_제17호

[ 국내 해역 풍력에너지 분포도 ]

제1단계 (~ 2005년)

•중형급 750kW 풍력발전기 개발·상용화•소형분산형 30kW급 풍력 발전기 상용화•경량화·저가화 개발•소형풍력기의 연계기술확립 및 보급•풍력자원 DB구축 및 예측기술 개발

제2단계 (2006년 ~ 2008년)

•대형급 1,500kW 풍력발전기 개발 및 상용화•해양풍력 발전기 개발 및 상용화

•해양풍력 자원 DB구축

제3단계 (2009년 ~ 2012년)

•초대형급 3MW 풍력발전기 개발 및 상용화•해양풍력단지 보급확산•풍력발전산업 고도화로 해외수출 확대

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2.4.1 해외풍력발전현황

2.4.2 해외풍력발전사례



639.15MW의전력생산이가능하다.

또한2012∼2025년까지유럽의북해에800∼

1200대의풍력발전기가건설될예정이다.

구 분 영국 덴마크 스웨덴 네덜란드 독일 벨기에 아일랜드 핀란드 노르웨이 합계

단지 수

터빈 수

전력량(MW)

12

287

882.8

9

305

639.15

5

75

163.65

4

130

246.8

4

9

42

1

6

30

1

7

25.2

1

8

24

1

1

2.3

38

828

2056

구 분 영국 덴 마 크 스 웨 덴 네 덜 란 드

단지명

Beatrice Middelgrunden Lillgrund Egmond aan Zee

터빈수

터빈용량

발전용량

2기

5MW

10MW

20기

2MW

40MW

48기

2.3MW

110MW

36기

3MW

108MW

하부구조

Jacket

Quattropod

Foundation

Gravity Foundation Gravity Foundation Monopile Foundation

3. 과업수행내용

3.1 과업의 대상

•해상기상탑설치공사

•2MW급 해상풍력발전기 FOUNDATION

설치공사

•3MW급 해상풍력발전기 타워 및 기초구조물

설치공사

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188_제17호

3.2 과업의 목적 및 기대효과

국내최초로해상풍력발전기를설계하고시공하

는프로젝트로국내해상풍력발전사업의초석및

기틀 마련하고 현재까지 미진했던 국내 풍력산업

보급시장에안정적확대와기술개발을촉진하는계

기로삼고자한다.

지금까지의육상풍력과는달리해상지역에설치

되므로국토활용측면에서의적합한풍력기술이될

것으로기대한다.

또한, 환경친화적에너지기술자립으로국가경

쟁력의 제고와 풍력발전 시스템의 국산화로 국내

풍력발전사업의활성화를목적으로한다.

향후풍력발전단지조성의기초자료로도그활용

가치가높을것으로판단된다.

3.3 과업의 위치

제주시월정리앞1.5km 해역

3.4 과업의 추진현황

일 정 추 진 내 용

2007.12.20·2MW급 해상풍력발전기 FOUNDATION설치공사 기본 및 실시설계 계약

2008.9.5·풍력발전기 제품검수(에기원, Harakosan,관계사)

2008.9.15·2MW급 해상풍력발전기 FOUNDATION설치공사 기본 및 실시설계 준공

2009.8.24

·기존 2MW급 해상풍력발전기 1기를 3MW급으로 변경·3MW급 해상풍력발전기 타워 및 기초구조물 설치공사 실시설계 계약

2009.8.26 ·KICKOFF MEETING

2010.4.2 ·Jacket 부 설계 완료 및 제작발주

2010.5. ·Tower 부 설계완료

2010.8~9·2MW Jacket 1단계 설치 및 기초공사완료

2010.10 ·2MW Jacket 2단계 설치 완료

2010.11 ·2MW Tower 설치 완료

2010.11 현재 ·2MW Nacelle 및 Blade 설치 중

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3.6 기초형식 비교안

GravityType

·지반상태가 양호한 수심10m이내의 지역에서 경제성 확보 가능

·연약지반층이 두꺼운 경우에 적용성이 다소 떨어짐

·다른 기초형식에 비하여 공기가 다소 길다

·구조적 안정성 확보에 유리

덴마크

스웨덴

벨기에

Mono PileType

·수심 10∼30m 이내에서 경제성 확보에 유리

·직경 4m 이상의 대구경 말둑 시공시 사용 장비의 제약이 커서

공사비 증가

·최근 적용사례가 많아지는 추세임


네덜란드

스웨덴

영국

Tri-PodType

·수심 10∼30m 이내에서 경제성 확보에 유리

·지반상태에 대한 제약이 거의 없음

·Jacket Type이나 Mono pile Type에 비하여 중량이 커서 시

공시 대형장비가 필요


독일

중국

JacketType

·수심 30m 이내에서 경제성 확보에 유리

·지반상태에 대한 제약이 거의 없음

·소구경 말뚝적용 및 Jacket의 육상 제작으로 공기가 짧고 시공

성 우수

·용접부위가 많아 피로저항성 및 구조적 안전성 확보에 다소 불리

아일랜드

FloatingType

·수심의 제약을 거의 받지 않음

·가장 최근에 제시된 공법

·조류에 의한 이동을 방지하기 위하여 지반상태가 양호한 위치에

앵커부 설치

·구조적 안전성 확보에 다소 불리

·공사비 다소 고가

이탈리아

포루투갈

구 분 개요도 장단점 적용사례 비고

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190_제17호

4. 지지구조물설계

4.1 개 요

4.1.1 일반사항

본 과업상의 해상풍력발전기 지지구조물

(support structure)은크게타워구조와자켓구

조로구분되며, 외부플랫폼(platform)에서나셀

(nacelle)하단까지를타워(tower)로외부플랫폼

(platform)에서 해저면(sea bed)상단의 강관구

조물(tubular structure)하단까지를자켓(jacket)

으로나눈다.

타워는풍력발전기를포함하는나셀을지지하는

구조물로써 주로 발전기의 진동과 바람의 영향을

받으며자켓은타워하단을지지하는구조물로써주

로파랑의영향을받는구조물이다.

바람과 파랑의 영향을 고려하여 전체 구조물을

아래와같이북북서(NNW)로배치하였으며타워와

자켓간의 응력흐름을 원활히 하기 위하여 타워와

자켓의연결지점부에보강판을계획하였다.

4.1.2 설계의목적

본 설계의 목적은 3MW급 해상풍력발전기,

2MW급해상풍력발전기의설치와운영, 점검을용

이하게 하기 위한 해상풍력발전기의 지지구조물

(support structure) 및 기초(foundation)를 설계

하기위함이다.

4.2 3MW급 해상풍력발전기 설계

4.2.1 타워

해상풍력발전기 지지구조물중 타워는 풍력발전

기를 포함하는 나셀을 지지하는 구조물로써 주로

발전기의진동과바람의영향을받는다.

타워의 상단외경은 나셀과의 연결을 위해서

3,070mm로계획하였으며, 하단직경은하부의4

개의 자켓상단으로 원활한 힘전달과 엘리베이터,

사다리등의내부점검시설, 트랜스포터, 컨버트등

의 전기시설 배치를 고려하여 4,500mm로 계획

[ 3MW급 해상풍력발전기 전체 구조물 개요도 ]

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하였다. 타워부재의두께는부재요소가받는응력

의 영향보다는 NORSOK-N-004의 Tubular

members의 최소두께규정(D/t<120)에 의거하여

타워부재의직경의1/120보다두껍게계획되었다.

타워의 높이는 직단면구간 15.032m와 변단면

구간 45.850m로구성되어총 60.882m이며운

반및가설을고려하여4개(Seg1 = 21.760m, Seg2

= 19.180m, Seg3 = 13.082m, Seg4 = 16.8602m)

의세그먼트로나누었다.

[ 3MW급 해상풍력발전기 타워 개요도 ]

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192_제17호

[ 3MW급 해상풍력발전기 자켓 개요도 ]

4.2.2 자켓

타워가주로발전기의진동과바람의영향을받

는반면, 자켓은나셀을지지하는타워하단에설치

되어하부기초로힘을전달하는구조로써주로파

랑의영향을받는구조물이다.

자켓은4개의 jacket leg(스틸파이프)와각 leg

를연결하는브레이싱으로구성되어있으며, leg와

브레이싱이만나는조인트는can구조를두어보강

하였으며, RCD말뚝의시공과가설의편의성을고

려하여 상·하단 2개(상단 Seg=15.422m, 하단

Seg=21.619m)의세그먼트로나누었다.

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상단 Seg의외경은 950mm로하단 Seg의외

경은1,154mm로계획하였으며, 상단Seg의외경

은 파력에 정비례하므로 상단 Seg의 하단부에서

콘(cone)형상으로단면변화를두었다.

또한, 하단 Seg는 21.619m의높이에서 3.0m

의여유를두어서jacket을제작하여RCD작업시

시공성을확보하였으며RCD작업이후3.0m 여유

분을제거하는것으로계획하였다.

4.2.3 기타구조물

제주시월정리해상1.5km에해상풍력발전기구

조물이설치되므로유지관리용점검선박을위한보

트렌딩(boat landing)시설을계획하였다.

보트렌딩시설은 아래와 같이 HAT를 기준으로

약4m, LAT를기준으로약1m 여유를두고설치

하였다.

보트랜딩시설에 Platform을추가설치하여접

근성및안전성을향상하였다.

유지관리및점검을위한시설로는플렛폼, 엘리

베이터, 사다리, 계단, boat landing시설등이있으

며, 세부사항들은별도의유지관리매뉴얼에의해

서이루어져야한다.

4.3.4 부식방지대책

해양구조물의부식방지를위한구역은일반적으

로3구역으로나눌수있다. 첫째로상단의대기구

역(Atmospheric zone)과둘째로중간대의비말

대구역(Splash zone) 그리고마지막으로하단의

수중구역(submerged zone)이다.

구역구분의 기준은 보통 비말대구역(Splash

zone)을정하고그이외의부분을대기구역과수

중구역으로나누는데, 아래와같이계산된다.

- 비말대구역의최상단고(USZ, Upper Splash zone)

USZ = U1 + U2 + U3

= 2.578 + 3.082 + 0.2 = 5.860m

여기서, U1 = HAT = 2.578m

U2 = 100년빈도유의파고의1/3 x 60%

= 1/3 x 15.41 x 60% = 3.082m

U3 = 하부구조물의하향설치여유고

= 0.2m (가정값)

[ 보트랜딩 개요도 ]

[ 플렛폼 및 사다리, 계단시설 개요도 ]

14-184-197 해상풍력.ps 2010.12.15 10:2 PM 페이지193


194_제17호

- 비말대구역의최하단고(LSZ, Lower Splash zone)

LSZ = L1 - L2 - L3

= 0.000 - 2.055 - 0.2 = (-)2.255 m

여기서, L1 = LAT = 0.000 m

U2 = 100년빈도유의파고의1/3 x 40%

= 1/3 x 15.41 x 40% = 2.055 m

U3 = 하부구조물의하향설치여유고

= 0.2 m (가정값)

따라서, 본대상구조물의비말대는여유값(0.2m)

를고려하여DL(-)2.255∼DL(+)5.860m이다.

DNV-OS-J101에 의거하여 이상과 같은 비말

대구역(Splash zone)을 에폭시계도료(epoxy

coating)를적용하였다.

4.2.4 상세(국부)해석

극한하중작용에 대한 유한요소해석을 수행하였

으며이에대한상세응력검토는다음과같다.

[ 비말대구역의 정의 ]

[ 자켓 상단 연결부 해석결과 ]

[ 자켓 하단부 해석결과 ]

[ 자켓 조인트부 해석결과 ]

[ Transition Piece 해석결과 ]

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4.3 2MW급 해상풍력발전기 설계

타 워 자 켓 유 지 관 리 부 식 방 지

·타워직경

- 상단외경 : 2,296mm

- 하단직경 : 5,000mm

·타워높이

- 조인트부 : 2.5m

- 타워일반부 : 51.0m

·Seg분할(3개)

- Seg1 : 5.5m

- Seg2 : 22.0m

- Seg3 : 26.0m

·타워직경

- 상단외경 : 812.7mm

- 하단외경 : 1,016mm

·자켓분할 (2개)

- 상단 Seg = 15.422m,

- 하단 Seg = 24.078m

·작업 여유분 : 1.5m

·유지관리 및 점검시설

- 플랫폼

- 리베이터

- 다리

- 계단

- 보트랜딩 등

·비말대구역

: DL(-)2.255~DL(+)5.860m

- 상단고(USZ) : 5.860m

- 하단고(LSZ) : -2.255m

- 여유값 : 0.2m

<보트랜딩>

<플렛폼, 계단>

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196_제17호

4.4 해상기상탑 설계

MAST FOUNDATION

·MAST높이

- 8 Type 68.0m

·사용강재

- SS490()

- Type1~Type8

: Leg = Φ32 ~ Φ85

: Lattice = Φ14 ~ Φ32

·Mono-pile 길이 : 37.0m

- Seg1 : L = 15.0m, t = 35mm

- Seg2 : L = 5.0m, t = 30mm

- Seg3 : L = 17.0m, t = 25mm

·Pile Diameter

- Φ = 2,000mm

<유한요소해석>

<MAST 단면도>

<유한요소해석>

<플랫폼 단면도>

14-184-197 해상풍력.ps 2010.12.15 10:2 PM 페이지196



5. 결론

우리나라는국토의3면이바다로둘려쌓여있다.

더욱이서남해는수심이얕고풍속의변화도심하

지않아해상풍력발전의적지이다. 이러한지역적

조건의바탕아래재생가능에너지개발의촉진이라

는국가적에너지정책의일환으로해상풍력발전은

개발되고있다.

국내최초해상풍력발전설계를당사에서수행하

였고 그 중 2MW급 해상풍력발전기는 현재 제주

월정리앞바다에시공중에있고. 3MW급해상풍

력발전기는현재제작중에있다.

이는해상풍력발전설계를담당했던우리에게큰

자부심을갖게하였고, 타경쟁사에비해기술적우

위를차지하고있다고자신한다.

앞으로의풍력발전사업그중에서도해상풍력발

전사업은무한한가능성을가지고있고국가경쟁

력강화의대의적측면에서도그의미가깊은사업

이다.

따라서, 이번사업을토대로해상풍력발전에대

한지속적인연구와개발, 지원을통하여기술적발

전과더불어국가에너지정책에공헌하는계기가

되었으면하는바람이다.

[ 2MW급 해상풍력발전기 자캣시공 사진 ]

[ 3MW급 해상풍력발전기 타워제작 사진 ]

14-184-197 해상풍력.ps 2010.12.15 10:2 PM 페이지197

해상풍력발전타워및기초설계 - (주)유신 · 유신기술회보_설계사례 190_제17호 4. 지지구조물설계 4.1 개요 4.1.1 일반사항...

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