주요 연구 성과
- 이상봉 교수님 연구실, SOWFA-OpenFAST 연동을 활용한 부유식 해상풍력 터빈의 능동 와류 혼합 제어 전략 평가
- 관리자 |
- 2025-11-14 15:26:21|
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- 2025-11-14 15:26:21|
해상풍력 단지 운영에서 가장 중요한 과제 중 하나는 터빈 간 와류 상호작용으로, 하류 터빈은 유입 풍속 감소와 난류 강도 증가에 지속적으로 노출되어 발전량 저하와 구조적 피로 누적이 가속되는 문제가 발생한다. 이러한 단지 규모 효율 향상을 목표로 KAIST AIM 연구실은 이상봉 교수의 지도 아래 Simulator for Offshore Wind Farm Applications(SOWFA)에 기반한 Large Eddy Simulation(LES)을 OpenFAST와 연동하여 부유식 해상풍력 터빈에 적용 가능한 능동 와류 혼합 제어 기법을 정밀하게 평가하였다.
본 연구에서는 연구원 Yisehak A. Keflemariam과 Moosarreza Shokati가 부유식 환경에 적합한 세 가지 능동 와류 혼합 제어 전략을 검토하였다. 검토된 기법은 Dynamic Induction Control(DIC), Dynamic Individual Pitch Control(DIPC), 그리고 부유식 플랫폼을 고려하여 구성된 고차 DIPC(higher order DIPC)이다. 고차 DIPC는 다중 사인파 형태의 피치 변조를 도입하여 복수의 주파수 성분을 동시에 가지도록 설계되며, 이를 통해 팁 와류의 불안정성이 증폭되고, 더욱 빠른 와류 붕괴와 향상된 후류 회복을 유도한다. 이러한 접근은 기존의 와류 혼합 제어 개념을 부유식 해상풍력 고유의 공력–유체–구조 연성 특성에 맞게 확장한 것으로, 실제 해상 운용 환경에 적합한 물리 기반 제어 전략을 제시한다.
시뮬레이션 결과에 따르면 주파수 기반으로 조정된 피치 변조는 근후류 영역의 에너지를 크게 증가시키고, 팁 와류 붕괴를 가속하며, 주변 경계층으로부터 고운동량 유입을 강화한다. 세 제어 기법 중 고차 DIPC가 가장 우수한 성능을 보였으며, 기준 Greedy 제어 대비 약 7.9퍼센트의 발전량 향상, 기존 단일주파수 DIPC 대비 약 2.3퍼센트의 추가 향상을 달성하면서 터빈 및 플랫폼에 작용하는 하중은 허용 가능한 수준으로 유지되었다. 또한 Proper Orthogonal Decomposition(POD)과 Mean Kinetic Energy(MKE) 유속 분석을 통해 고차 DIPC가 에너지 전달 메커니즘을 강화하고 후류 회복 거리를 유의미하게 단축함이 검증되었다.
LES와 SOWFA OpenFAST 연동을 결합한 본 연구는 부유식 해상풍력 환경에서 능동 와류 제어를 체계적으로 평가한 가장 포괄적인 사례 중 하나를 제시한다. 연구 결과는 정밀하게 조정된 고차 피치 변조가 구조적 안정성을 유지하면서 후류 혼합과 하류 에너지 가용성을 향상시킬 수 있음을 보여주며, AIM 연구실의 연구는 차세대 해상풍력 단지 개발을 위한 중요한 계산적 및 물리적 기반을 제공한다.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120552
본 연구에서는 연구원 Yisehak A. Keflemariam과 Moosarreza Shokati가 부유식 환경에 적합한 세 가지 능동 와류 혼합 제어 전략을 검토하였다. 검토된 기법은 Dynamic Induction Control(DIC), Dynamic Individual Pitch Control(DIPC), 그리고 부유식 플랫폼을 고려하여 구성된 고차 DIPC(higher order DIPC)이다. 고차 DIPC는 다중 사인파 형태의 피치 변조를 도입하여 복수의 주파수 성분을 동시에 가지도록 설계되며, 이를 통해 팁 와류의 불안정성이 증폭되고, 더욱 빠른 와류 붕괴와 향상된 후류 회복을 유도한다. 이러한 접근은 기존의 와류 혼합 제어 개념을 부유식 해상풍력 고유의 공력–유체–구조 연성 특성에 맞게 확장한 것으로, 실제 해상 운용 환경에 적합한 물리 기반 제어 전략을 제시한다.
시뮬레이션 결과에 따르면 주파수 기반으로 조정된 피치 변조는 근후류 영역의 에너지를 크게 증가시키고, 팁 와류 붕괴를 가속하며, 주변 경계층으로부터 고운동량 유입을 강화한다. 세 제어 기법 중 고차 DIPC가 가장 우수한 성능을 보였으며, 기준 Greedy 제어 대비 약 7.9퍼센트의 발전량 향상, 기존 단일주파수 DIPC 대비 약 2.3퍼센트의 추가 향상을 달성하면서 터빈 및 플랫폼에 작용하는 하중은 허용 가능한 수준으로 유지되었다. 또한 Proper Orthogonal Decomposition(POD)과 Mean Kinetic Energy(MKE) 유속 분석을 통해 고차 DIPC가 에너지 전달 메커니즘을 강화하고 후류 회복 거리를 유의미하게 단축함이 검증되었다.
LES와 SOWFA OpenFAST 연동을 결합한 본 연구는 부유식 해상풍력 환경에서 능동 와류 제어를 체계적으로 평가한 가장 포괄적인 사례 중 하나를 제시한다. 연구 결과는 정밀하게 조정된 고차 피치 변조가 구조적 안정성을 유지하면서 후류 혼합과 하류 에너지 가용성을 향상시킬 수 있음을 보여주며, AIM 연구실의 연구는 차세대 해상풍력 단지 개발을 위한 중요한 계산적 및 물리적 기반을 제공한다.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120552
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