모노파일 형식 해상풍력 기초의 국부세굴 검토

1. 서 론

전 세계적으로 과도한 화석연료의 사용으로 이산화탄소 발생량이 증가하고 있으며, 이를 지구온난화 및 이상기후의 원인으로 지적하고 있다. 이에 이산화탄소 저감을 위해 다양한 친환경 신재생에너지 사용을 위한 시도는 증가하는 추세다. 특히, 풍력발전은 대표적인 신재생에너지로 해외 많은 국가에서 풍력발전을 통해 생산하는 전력량의 비율을 증가시키기 위해 풍력발전 시설물을 신규로 건설하고 있다. Global Wind Report(2021)에 의하면 전 세계의 풍력발전의 신규 설치 규모는 Fig. 1과 같이 증가하는 양상을 나타내고 있다. 2020년 기준으로 전 세계 풍력발전 규모는 총 90 GW까지 증가하였으며, 전년도 대비 53% 증가하였다. 이 중 내륙의 풍력발전은 86.9 GW 규모로 증가하였고 해상 풍력발전은 6.1 GW 규모로 증가하였다. 전 세계에서 총 743 GW 규모의 전력을 풍력발전을 통해 생산하고 있으며, 전년도 대비 14%의 전력량이 증가하였다. 현재 풍력발전의 생산량이 높은 국가는 중국, 미국, 브라질, 네덜란드, 독일 순이며, 가장 많은 풍력발전을 하는 중국은 2020년 기준 278GW 규모의 시설을 보유하고 있다. 현재 국내 내륙과 해상의 풍력발전 현황은 각각 1,515 MW, 136 MW이며 아직도 풍력발전의 규모가 성장세 있다고 할 수 있다. 또한, 한국판 뉴딜정책 중 하나로 저탄소⋅분산형 에너지 확산을 위해 풍력발전의 확대를 지향하고 있다.
풍력발전을 위해서는 대규모의 토지가 필요하며, 풍력발전을 위한 입지 확보에 있어 국내에서는 특히 여러 가지 문제가 발생한다. 해상풍력 발전은 이러한 입지 문제의 해결방안으로 제시되고 있는데 해상풍력 발전시설을 포함하여 일반적으로 해상구조물을 설치할 때는 내륙에 설치할 때와 다르게 해상환경에서만 발생할 수 있는 문제점에 대한 검토가 필요하다. 대표적으로 유수의 영향으로 구조물 주변에 발생하는 국부세굴이 있으며, 이는 구조물의 안전과 직접적으로 연관이 되는 현상이다. 따라서, 설계 이전에 충분한 검토가 반드시 이루어져야 한다. 본고에서는 해상 풍력 발전시설의 설계 이전에 시설물하부에 발생하는 국부 세굴에 대한 영향을 검토하고자 할 때 엔지니어가 고려해야 할 세굴 관련 이론 및 실험의 설계과정에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 해상풍력 발전시설의 고려사항

2.1 해상풍력 발전시설의 구조

해상풍력 발전시설은 단위 시설물(해상풍력발전기)이 군집하여 단지를 구성하는 방식으로 설치하며, 발전효율 및 시설물 안전을 위해 통상적으로 700 m 이상의 간격을 유지하여 설치한다. 해상풍력발전기는 상단부터 블레이드, 터빈 모터, 터빈 베어링, 타워, 하부구조물로 구성되어 있다(Fig. 2(a) 참조). 해수와 직접으로 접하는 구간은 타워와 하부구조물로 세굴에서는 하부구조물이 가장 큰 영향인자로 작용한다. Fig. 2(b)는 해상풍력발전기의 하부구조물의 일반적인 형태를 나타내고 있다. 국외 설치사례를 해외 설치된 시설물을 살펴보면 영국 스코틀랜드에서는 모노파일(monopile) 방식의 하부구조물을 설치하였으며, 일본의 후쿠시마에서는 트라이포드(Tri-pod) 방식으로 설치되었다(Fig. 3 참조). 미국의 블록 아일랜드에서는 자켓(jacket)방식을 채택하여 설치하였다. 일반적으로 수심에 따라서 하부구조물을 설계하며, 천해영역에서는 모노파일방식를 주로 사용하고 수심이 깊어짐에 따라 자켓방식이나 트라이포드 방식을 주로 사용한다. M. Kühn(1998)는 해상풍력 시설의 지지구조를 단일기둥 구조(모노파일 방식)과 다중기둥 구조(자켓 방식, 트라이포드 방식)로 구분하여 장담점을 비교하였다(Table 1 참조). 국내에서 최근 설치계획에 있는 신안과 같은 수심이 낮은 서해안과 남해안에서는 단일기둥 구조가 적합할 것으로 판단되며, 이에 따라서 국내에서 주로 활용될 것으로 기대하고 있는 단일기둥 구조를 중점으로 검토하였다.

2.2 해상풍력 발전시설 위험요소

최근 해상풍력 발전시설은 다양한 연구가 진행되었으나, 다른 구조물에 비해 상대적으로 사례가 부족하여 발생할 수 있는 위험요소에 대한 경험이 부족한 것으로 판단된다. 해상 풍력 발전시설에서 예상되는 위험요소에 대해 David(2020)는 기상, 유지관리, 기술, 환경, 정책으로 5가지 분야로 구분하여 해상풍력시설이 위험요소를 갖고 있다고 제시하고 있다. 이를 국내 적용할 때 해풍이나 풍랑으로 인해 구조물에 발생하는 풍파하중이 지속적으로 발생하며, 매년 하절기에 발생하는 태풍의 영향 또한 매우 위험한 요인으로 볼 수 있다. 또한 기술적인 측면에서 기상에 해상풍력 발전시설의 세굴방지 기술이나 풍파하중을 고려한 설계 등 개선사항 및 향후 연구가 필요한 부분이 있다. 본고에서는 특히 지지구조물에 발생하는 세굴 측면에서 검토하였으며, 세굴 이외에도 다양한 연구를 통해 여러 가지 위험요소에 대한 대책이 필요할 것으로 보인다.

2.3 세굴 실험의 필요성

미국의 FHWA(Federal Highway Administration)에서 교각의 기초 등에서 흐름으로 인해 발생하는 침식이나 손실을 세굴로 정의하였다. 하천 및 바다에서 구조물이 기둥형 구조물이 설치되면 흐름을 방해하면서 기존의 흐름을 변화시키게 되어 새로운 패턴의 흐름을 발생시키게 된다. 흐름의 축소 및 반사, 말굽형와(horseshoe vortex), 후류와(lee-wake vortex) 등의 새로운 패턴의 흐름이 있고 주로 말굽형와는 기존 연구들에서 기둥 주변의 세굴의 대표적인 원인으로 제시되고 있다. 해상시설물 중에서 단일기둥을 갖는 구조물에 발생하는 세굴의 메커니즘은 Fig. 4와 같다(Lind & Whitehouse, 2012). 세굴의 원인이 되는 흐름의 시간에 따라 장기 세굴과 단기 세굴로 구분하며, 일반적으로 해안에서 발생하는 세굴은 지속적인 흐름(조석이나 파랑)에 의해 발생하는 장기 세굴로 인식된다. 세굴의 발생 정도는 바닥면을 이루고 있는 저면 물질과 수리학적 흐름 특성 등에 의해 결정되며, 흐름특성은 파랑, 조류 등 다양하고 복잡한 흐름의 구성요소들이 종합적으로 결합되어 결정된다. 따라서, 해상풍력 발전기의 주변에 발생하는 세굴을 정확히 예측하는 일은 한계가 있으므로 사전에 설계에 대한 세굴의 정도에 대한 검토가 필요하다. 세굴에 대한 사전 검토가 적절하게 이루어지지 않는다면, 구조물의 안정에 문제가 발생하여 붕괴 사고로 이어질 수 있다. 세굴의 주요 원인은 조류로 인해 발생하는 흐름과 파랑에 의해 발생하는 흐름 그리고 2가지가 동시에 발생하는 흐름으로 구분하며, 설치 위치에 따라 해양환경이 다르므로 설치가 예정된 위치에서 지배적인 세굴의 원인을 사전에 파악해야 한다. EIM(Experimental Information Modeling)을 통해 사전에 세굴이 발생하는 원인과 세굴의 정도를 개략적으로 파악할 수 있으며, 이 방법은 수리실험과 수치실험을 동시에 수행하여 세굴특성을 파악하는 방법이다. 수치실험을 통한 검증은 대략적인 예측을 할 수 있으나, 정확한 정보를 반영하는데 한계가 있으며, 수리실험만 수행하는 경우는 경제적으로 비효율적인 방법이다. 따라서 동시에 두 가지 방안을 병행하는 것을 권장한다.

2.4 단일기둥에 발생하는 세굴

세굴을 검토할 때는 장기적인 세굴에 대해서는 평형상태에 도달한 세굴을 검토하게 된다. 단일기둥에 발생하는 세굴의 기존 이론을 살펴보면 단일 기둥 인근에 발생하는 국부세굴의 기본적인 메커니즘은 바닥 부근에서 말굽형와에 의해 발생한다. 말굽형와는 기둥 주위의 바닥면의 입자를 쓸려가게 만들고, 구조물의 설치지역으로부터 이탈하는 유사의 이송률이 유입되는 이송률보다 커짐으로써 세굴공이 발달된다. 점차적으로 이러한 말굽형와의 흐름강도는 약해지며, 평형상태에 도달하면 더 이상 세굴이 발생하지 않는 것이 일반적이다. 이때는 유사의 유입량과 유출량이 일정하며, 바닥면에서 발생하는 흐름의 유속에 의한 전단응력이 바닥면의 한계전단응력에 미치지 못하는 상태를 나타낸다. 기둥의 기저부근에 말굽형와 이외에도 말뚝의 직하류에는 연직방향의 축을 갖는 후류와가 발생하며 말굽형와와 동일한 메커니즘에 따라 바닥면의 한계 전단강도까지 세굴을 발생시킨다. 해상에 설치된 구조물은 하천보다 다양한 패턴의 흐름이 발생하므로 그 중 가장 핵심적인 흐름인 말굽형와의 영향을 주는 바닥면에서의 유속의 형성이 다르게 나타난다. 기둥의 전면에서 발생하는 흐름에 의해서 만들어지는 말굽형 와에 따라서 세굴의 정도가 달라지므로 기둥으로 인해 흐름이 압축되어 강력한 흐름이 기둥의 표면적을 타고 빠르게 흘러간다. 기존의 교각에 발생하는 세굴에 대한 이론은 다양한 연구 결과를 실험식을 통해 제시하고 있으나, 복잡한 형태의 흐름을 나타내는 해상에서의 세굴은 사례가 적기 때문에 상대적으로 연구가 적다.

3. 검토과정

해상풍력 발전기에 발생하는 국부세굴을 검토할 때 수행하는 수리실험의 목적은 원형에서 나타나는 유사이송을 모형을 통해 구현하고 이를 통해 개선방향을 도출하거나 개선방법을 확인하고 검토하기 위함이다. 이를 위해서는 수리실험에서 경계조건 및 초기조건이 원형과 동일하게 구현되어야 하지만, 현실적으로 1:1 규모의 실험을 수행하는 것은 제한적이다. 따라서 모형은 원형이 축소된 형태로 재현하여 이를 통해 실험의 결과를 도출한다. 이때 실험을 구성하는 경계조건 및 초기조건의 수치를 물리적인 특성에 따라 축척비율을 상이하게 적용하는데 이를 상사성(similarity)이라고 한다. 상사성 검토가 적절히 이루어지지 않은 경우에는 축척효과(scale effect)가 발생하여 실험결과에 오류를 발생시키게 된다. 상사성을 검토하기 위해서는 우선적으로 원형의 실험에 적용하고자 하는 수위, 유속, 파고, 파장 등 영향인자의 정보를 수집해야 한다. 일반적으로 해당 지역 및 인근 지역의 계측값을 사용하여 해당 지역에서 발생 가능한 파랑의 특성과 조류의 영향 등의 자료를 획득할 수 있으며, 수심 및 바닥면을 이루고 있는 유사의 종류 등에 대한 자료도 검토해야 한다. 원형에 대한 조사가 충분히 이루어진 이후 실험의 제한사항을 확인할 필요가 있다. 실험의 제한사항은 실험을 위해 준비된 공간이나 장비 등 제원을 확인하고 이에 적합한 실험 가능 범위를 확인하여 가능한 축척의 범위를 도출해야 한다. 예를 들어, 구현하고자하는 원형의 폭이 2 km일 때 실험 공간이 200 m이면 최대 1:10의 비율로 모형을 구현할 수 있다. 길이의 차원 이외에도 조파기의 성능, 유량, 유속 등 장비의 제원에 따라 실험의 한계점을 사전에 파악할 필요가 있다. 다음으로 한계 범위 내에서 축척을 결정하고 모형의 상사성 검토를 통해 앞서 언급한 바와 같이 원형과 동일한 흐름과 유사거동을 구현할 수 있도록 검토한다. 상사성 검토가 완료되면 기존 이론을 활용하여 예상 실험결과를 개략적으로 도출하고 이전에 동일한 사항에 대해 EIM을 통해 이를 확인하는 과정을 거친다. 이러한 EIM 과정을 거치지 않게 되면 실험의 불필요한 시행착오의 횟수가 증가하여 실험의 비용이 증가할 수 있다(Oh et al., 2011). 따라서 필수적으로 수리실험과 수치실험을 같이 수행할 필요가 있다. 이와 같은 과정을 통해 모노파일 방식의 해상풍력 발전기를 설계함에 있어 세굴에 대한 검토를 수행하게 되며, 본고에서는 검토 과정에서 필요한 상사성 검토 및 세굴심의 예측과 관련된 연구 및 이론을 정리하였으며, 검토과정은 Fig. 5와 같이 진행한다.

4. 상사성 검토

4.1 흐름특성에 대한 상사성 검토

일반적으로 상사성은 기하학적 상사성, 운동학적 상사성, 동력학적 상사성 총 3가지로 구분하고 있으며, 기하학적 상사성은 원형과 모형의 길이의 비가 일정하게 유지되는 것을 의미하며, 운동학적 상사성은 원형과 모형의 속도와 가속도의 비가 일정해야 함을 의미한다. 동력학적 상사성은 원형과 모형의 대응점에서 작용하는 힘의 비가 일정해야 함을 의미한다. 우선, 기하학적 상사성을 검토하여 개수로 폭과 길이, 유사입자의 지름과 같은 길이 성분의 조건을 검토한다. 사전에 선정한 축척에 대해서 일정한 비율(Lr)에 따라 모형을 설정하며 이때 현실적인 한계점에 대해서 검토가 병행되어야 한다. 운동학적 상사성과 동력학적 상사성은 둘 중 하나가 성립하면 동시에 성립된다. 하지만 원형에서 발생하는 모든 힘에 대한 검토를 하기는 쉽지 않다. 이를 대체하기 위해서 상사성 검토에는 유체의 흐름과 관련된 무차원 수를 통해 검토를 수행하게 되는데, Froude 수와 Reynolds 수를 가장 많이 사용한다. Froude 수는 중력에 의한 흐름특성을 반영하며, Reynolds 수는 마찰력에 의한 흐름특성을 반영한다. 단일기둥에 대한 세굴실험은 개수로 또는 조파수로에서 진행되므로 Eq. (1)과 같이 Froude 수를 통해 상사성 검토를 수행하게 된다. Froude 수가 1일 때를 기준으로 상류와 사류를 구분하며 그 경계를 한계류로 정의한다.
Eq. (1)
umgmLm=upgpLp
여기서, m은 실험 모형에 적용되는 값을 의미하며 p는 실제 대상의 값을 의미한다. L은 길이 성분, g는 중력가속도, u는 유속을 의미하며, 또한 LrLm/Lp의 관계를 나타내며 이는 길이에 대한 축척을 의미한다. Froude 수에 따라서 주로 사용되는 물성치에 대한 비율을 길이의 축척(Lr)을 통해 나타내면 다음과 같다.
길이 축척 = Lr
면적 축척 = Lr2
체적 축척 = Lr3
시간 축척 = Lr0.5
힘 축척 = Lr3
전단응력 축척 = Lr
속도 축척 = Lr0.5
유량 축척 = Lr2.5

4.2 유사관련 상사성 검토

Pugh(2008)은 유사이송에 대한 상사성 검토 방법을 제시하였다. 그의 연구에 의하면 1차적으로 Froude 상사에 맞추어 축척을 결정하고 무차원 수를 통해 검토를 수행한다. 가장 흔히 사용되는 Reynolds 수에 대해서는 전단응력에 대해 축척의 Lr1.5의 관계를 나타내므로, 마찰력에 대한 흐름 특성이 적절하게 반영되지 않으므로 마찰력이 연관되는 유사에서는 특히 축척효과가 발생할 수 있다. 따라서 세굴 실험에서는 다른 인자를 통해 축척효과를 감소하기 위한 검토를 수행하게 된다. 이때, 검토인자는 무차원 전단응력(τ*), 단위 유사량(q*), 입경 Reynolds 수(R*), 침강 속도(w) 이다.

4.2.1 무차원 전단응력(τ*)

무차원 전단응력은 유사 이송의 특성을 파악하는 대표적인 무차원수로 Pugh and Dodge(1991)은 바닥면의 전단응력 및 쉴드 파라미터를 통한 유사의 상사성 검토를 수행하였으며, 실험을 통해 검증하였다. 유사의 상사성 검토는 Eq. (2)와 같이 τ*를 도출하여 이를 통해 원형과 모형의 무차원 전단응력(τ*)이 동일한 값이 도출되는지 확인한다. 이는 이후에 입경 Reynolds 수를 확인하는데 다시 사용된다.
Eq. (2)
τ*=τ0ρ(s-1)ds(τ0=12ρfwU2)
여기서, ρ는 물의 밀도, fw는 파랑 마찰 계수(wave friction factor), ds는 유사의 입경 U는 파랑으로 인해 발생되는 수직방향의 물입자의 유속(Orbital velocity)을 의미하며, Froude 상사를 반영한 유속을 적용한다. 파랑 마찰 계수 fw는 Schlichting (1968), Jonsson(1966), Swart(1974) 등은 실험을 통해 경험식을 제시하였다(Roux, 2003). fw는 일반적으로 동수역학적 매끄러운 경계조건과 거친 경계조건에 따라 구분하여 사용하며, 이는 층류와 난류 흐름 특성을 반영하기 위함이다.

4.2.2 단위 유사량(q*)

단위 유사량은 Eq. (3)와 같이 나타나며 이는 유사량을 전단 유속(shear velocity)와 유사의 입경으로 나눈 값으로 무차원 수에 해당한다. 원형과 모형에서 유사한 값으로 나타나야 한다.
Eq. (3)
qs*=qsu*d
여기서, qs*는 단위 유사량, qs는 유사량, u*는 전단 속도, d는 유사의 입경을 의미한다.

4.2.3 입경 Reynolds 수(R*)

앞서 Froude 상사성 검토를 통해 나타나는 단위 유사량은 거의 동일한 값으로 도출된다. 따라서, 쉴드 곡선(Shield curve)에서 나타나는 원형의 전단응력(τp*)은 모형의 무차원 전단응력(τm*)과 동일하게 나타나게 된다. 하지만, 모형의 입경 Reynolds 수(Re*=U*dv )가 5에서 100사이로 나타나게 되면 모형의 단위 유사량은 원형보다 크게 나타나게 된다.

4.2.4 침강 속도(w)

따라서 이러한 경우에는 침강속도를 통해 조정해야 한다. 침강속도를 비교해 보면서 적절한 유사입경을 결정하면 된다. 유사입경에 따른 침강속도는 Fig. 6과 같이 나타난다. 쉴드 곡선에 나타나는 전단 속도와 입자크기로 유사량을 나눈 값을 단위 유사량이라고 한다. 단위 유사량은 모형과 원형이 유사하게 나타나는지 여부를 확인해야 한다. 만약 레이놀즈 수가 5보다 작다면 유사의 밀도를 대체하는 방식으로 단위유사량을 동일하게 맞추어야 한다. 하지만 1 mm 이상의 입경을 갖는 모형에 대해서는 이러한 조정이 필요없다.

5. 세굴심 예측

5.1 해양에서의 세굴

일반적으로, 해상 구조물에 발생하는 흐름은 파랑에 의한 흐름과 조류에 의한 흐름 2가지로 구분할 수 있다. 반면, 파랑이 미치는 영향과 조류가 미치는 영향을 동시에 해석한 연구는 아직 많지 않다. 왜나햐면, 흐름의 두 원인이 동시에 발생하는 경우에는 경계가 모호하며, 비선형적인 상관관계를 나타내기 때문에 정확히 두 가지의 연관성을 도출하기에는 제한적이다. 세굴의 영향을 검토하기 위해서는 실험을 통해 결과를 도출하는 방법이 현재로서 가장 효과적인 방법이며 실험을 통해 도출된 결과를 공식화 한 대표적인 이론은 Sumer et al.(1992)가 제시하였다. 해양에서 기둥 주변에 발생하는 세굴의 직접적인 원인은 말굽형와, 후류와 두 가지 모두이며, Fig. 7과 같이 Keulegan-Carpenter(KC) 수를 통해 세굴공의 크기를 예측한다(Eq. (4) 참조). 또한 실험에서 와류가 유사를 휩쓸고 상승하는 것을 확인하였다. KC 수는 파랑과 해류의 영향정도를 나타낸다. 따라서 KC 값이 클수록 파랑의 영향이 적다. 또한 Sumer et al.(1992)는 KC 수에 따른 세굴심과 기둥 폭의 비의 관계를 Eq. (5)와 같이 나타냈으며 이는 Fig. 6과 같이 나타난다. KC 값이 커질수록 세굴심은 기둥 폭의 1.3배로 수렴하며, 6보다 작은 KC 수에 대해서는 유사에 영향을 미치지 않는 전단응력을 나타내므로 검토가 불필요하다고 언급하였다.
Eq. (4)
KC=UmT/D
여기서, KC 는 Keulegan-Carpenter 수, Um은 와류로 발생하는 최대 유속, D는 기둥의 폭(지름), T는 파의 주기를 의미한다.
Eq. (5)
SD=1.3(1-e-0.03(KC-6)),for KC>6
여기서 S는 세굴심, D는 기둥의 폭(지름), KC는 Keulegan-Carpenter 수를 의미한다.
Sumer et al.(1993), Farooq and Ghumman(2019)은 세굴을 감소시키는 가장 효율적인 모양을 찾기 위한 수리실험을 수행하였으며, 원형, 직사각형, 타원형 등과 같은 다양한 모형을 실험을 통해 세굴에 미치는 영향을 확인하였다. 폭은 동일하게 설정하여 기둥의 모양이 세굴에 미치는 영향을 확인하였다. Sumer et al.(1993)는 3가지 모양에 대한 KC 수에 따른 세굴심을 실험을 통해 도출하였다(Fig. 8 참조). Farooq and Ghumman(2019)는 특이하게 기둥에 케이블을 둘러 싸거나 기둥 가운데 흐름이 통할 수 있는 구멍을 뚫는 등 부수적인 인자를 포함시켜 세굴의 감소 정도를 측정하였다. 기둥에 추가되는 부수적인 인자에 따라 최대 52.4% 만큼 세굴심이 감소하였다.

5.2 최근 세굴 연구의 방향성

Sumer의 Eq. (5)는 대략적인 결과를 나타내고 정확한 결과도출에는 한계가 있다. Qi and Gao(2019)는 Sumer의 연구를 기반으로 다양한 케이스를 적용하여 KC와 관련된 세굴심을 검증하고, 새로운 식을 제시한 연구를 정리하였다. 또한 다양한 실험을 통해 연구를 수행하였으며, 실험을 통해 세굴의 거동을 확인하고자 하였다. Kirkil et al.(2008)은 대형 구조물에 발생하는 대규모의 난류 현상 및 이에 따른 세굴을 조사하였으며, 결과는 압력의 변동과 난류의 동역학적 에너지를 분석하여 말굽형와의 영향이 난류의 영향보다 크게 나타나는 것을 실험을 통해 확인하였다. 강력하게 방출되는 상승류가 기둥의 바로 뒷면에서 발생하며 이는 세굴에 직접적인 영향을 준다. Guan et al.(2019)는 2차원 Particle Image Velocimetry(PIV)를 사용하여 기둥 주변에 발생하는 유속을 측정하였으며 말굽형 와는 세굴공을 거치면서 초기 발생 와류에서 3개의 와류로 분리되어 발달하는 것을 확인하였으며, 이는 세굴공의 모양 및 크기에 따라 결정되어 세굴공이 커지면 와류의 규모도 커지는 것을 확인하였다.

6. 활용 방안

국제적으로 환경문제를 해결하기 위한 화석연료 대체사업으로 신재생에너지 활용이 확대되는 상황에서 대표적인 신재생에너지인 풍력발전을 국내에 적용하기 위해서는 해상풍력 발전시설의 설치는 불가피한 요소이다. 하지만, 해상풍력 발전기를 설치하는데 필요한 기준 등이 확립하기 위해서는 다소 시간이 소요될 것으로 보인다. 특히 해상풍력 발전기를 정상적으로 운용하기 위해서는 구조적인 안정성이 반드시 검토되어야 하는데 이를 위해서는 해상풍력 발전기 기둥 인근에서의 국부세굴에 대한 검토가 반드시 이루어져야 한다. 해안에서 발생하는 국부세굴은 조류 및 파랑의 영향으로 인해 복잡한 흐름을 갖고 있어 기존의 하천에서 적용되는 세굴심과 관련된 공식은 제한적이며 KC 수 등을 이용한 예측이 필요하다. 또한 이는 대략적인 예측이므로 실험을 통한 검토가 추가적으로 수행되어야 하는데 실험을 설계함에 있어 적절한 결과를 도출하기 위해서는 상사성 검토를 통해 원형에 나타나는 수리학적 현상이나 유사의 거동을 모형에서 재현가능성을 검토해야한다. 이후 수치해석을 통해 이를 이중적으로 검토함으로써 그 결과에 대한 신뢰도를 향상시켜야 한다. 본고에서는 이러한 과정을 대략적으로 나타내고 있으며, 본고를 통해 해상풍력 시설을 설계하는데 있어 사전 검토자료로 활용되기를 기대한다.

Fig. 1
풍력 발전시설 신규 설치 현황(Global Wind Report, 2021)
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Fig. 2
해상풍력발전기 구성 (a) 및 하부구조물 종류(b) (http://product.posco.com/)
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Fig. 3
해외 해상풍력발전기 설치사례
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Fig. 4
해상시설물 (단일기둥) 세굴 메커니즘 (Lind & Whitehouse, 2012)
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Fig. 5
실험 검토과정 및 EIM 기법
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Fig. 6
유사입경에 따른 침강속도(Pugh, 2008)
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Fig. 7
KC 수에 따른 세굴심(Sumer et al., 1992)
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Fig. 8
단면형상에 따른 최대 세굴심(Sumer et al., 1993)
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Table 1
해상풍력 발전기 지지구조물 형태에 따른 특징 비교(M. Kühn, 1998)
구분 단일기둥 구조 다중기둥 구조
적정수심 (제한수심) 3~20 m (25 m 이상) 10 m 이상 (8 m 이하)
설계의 용이성 설계변경이 용이함 설계변경이 어려움
연약지반 설치 부적합 경우에 따라 적용가능
공사비용 상대적 저가 상대적 고가
공사기간 단기간 장기간
공사의 용이성 협소한 공간에서 시공이 가능 시공에 넓은 공간이 필요
설치의 용이성 사전 바닥면 작업 불필요 사전 바닥면 작업 필요
해상환경 검토 사전검토 필요 사전검토 필요
구조적 안정성 상대적 불안정 상대적 안정

References

Hutchins, D.. 2020 The Risks and Opportunities of offshore Win d Energy. Global Risk Intel https://www.globalriskintel.com/insights. last date accessed: 20th Jul. 2021.
Farooq, R., Ghumman, AR. (2019). "Impact assessment of pier shape and modifications on scouring around bridge pier." Water, Vol. 11, No. 9, pp. 1761.
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