풍력발전기 설계를 위한 기초 데이터로 구조물에 가해지는 축력(Axial Force), 모멘트, 다수의 하중 등이 필요하다. 여기에 해상풍력발전기 설계에는 파력하중 및 조수력 하중과 풍하중에 대한 데이터가 추가되어야 한다. 식(1)은 모리슨 방정식으로 자켓 형식 구조물이나 모노파일과 같이 고정된 수직 기둥에 가해지는 파랑의 하중을 계산하는 식이다.

여기서 ρ는 유체밀도(kg/m²), C_A는 부가질량계수, A는 단면적(m²), v˙는 유체의 가속도(m/s²), C_D은 항력계수, D는 부재 직각방향의 지름(m), |v|는 유체 입자의 속력(m/s)이다. 풍하중은 풍속 변화의 영향을 받는 시간의 함수이다. 풍하중은 개단면(Open Cross Section)의 구조와 폐단면(Closed Cross Section) 구조의 외부 표면의 접선 방향으로 작용한다. 구조물 설치로 인한 바람의 교란(Disturbance), 웨이크 효과(Wake Effects), 발전기 축에 대한 바람 흐름의 교차, 터빈과 바람 간의 공탄성 효과, 난류와 돌풍, 댐핑 등이 풍하중에 영향을 준다[7]. 기본 풍하중 F는 식(2)로 표현된다.

여기서 ρ_Air는 공기의 밀도, U¯는 풍속(해수면 10 m 높이에서 10분간 지속한 풍속(m/s)), C_Dw는 형상계수이다.

풍력발전기의 설계 시에는 지진 하중도 고려되어야 한다. 풍력발전기의 주 조물은 가늘고 긴 형상이기 때문에 좌굴(Buckling)에 취약하다. 따라서 좌굴을 일으킬 수 있는 1개의 수직 가속도와 2개의 수평 가속도에 대한 스펙트럼 분석하여 지진 중을 고려한다.

기상 환경 조건이라 함은 대상지역에 대한 연평균 폭풍일수, 최대 풍속과 풍향, 연평균 풍속, 최대 월평균 기온, 최저 월평균 기온, 기간별 연평균 기온, 최저기온, 최고기온 등을 포함한다. Figs. 1과 2는 각각 대상 지역의 풍속 데이터와 기온 데이터를 보여주는 예시 그래프이다[11].

Fig. 1 
Wind speed data

Fig. 2 
Temperature data

해상 환경 조사항목으로는 대상지역에 대한 대조차, 평균조차, 소조차 등의 조위 관측자료와 조석에 따른 해수 유속자료, 태풍 등의 외력 조건을 반영한 파랑의 분포, 심해 설계파의 분포 등이 포함되어야 한다[13]. 대상 지역에서의 대조 및 소조는 각각 3.74와 2.74 m이며, 평균 해면은 2.43 m로 조사되었다[12].

Fig. 3은 대상 지역의 심해설계파를 측정하기 위한 그리드 위치를 보여주는 그림이며, Table 1은 인근 해역의 외해에 개방된 W-N 계열 파향에 대한 심해 설계파 제원을 50년 평균과 100년 평균으로 각각 정리한 예시이다. 타 파형에 비해 섬들에 의한 저항을 적게 받는 S 방향 파랑에 의해 최대 약 10 m의 파고 분포를 보여주고 있다. 한국해양과학기술원의 해상파랑관측 및 조사의 장기 파랑산출 자료의 통계자료를 통해 대상지역에 대한 파향별, 파고계급별 발생빈도 및 풍향별, 풍속계급별 발생빈도를 분석한다[13,14].

Fig. 3 
Grid locations for deep sea design wave

해상풍력단지의 건설을 위해 주변 수심을 파악하는 것이 필요하다. 암초, 어초, 침선, 첨소 등의 해저지형과 해저 시설물의 위치와 형상을 포함하는 격자수심도를 작성하여야 할 것이다. 수심 측량에 사용한 장비로는 멀티빔 음향측심기, 모션센서/자이로컴퍼스, 수중음속 측정기, 인공위성 위치측정기 등이 있다.

수심도를 작성할 때에는 측정 구역 인근의 기준 검조소의 조석 관측자료를 만조와 간조 때의 수위와 시간을 적용한 국립해양조사원의 표준 조석으로 수심을 보정하여야 할 것이다. Fig. 4는 대상 지역의 해저지형 단면도를 보여주는 예이다[15].

Fig. 4 
Samples of the subsea topographic plots [10] (Adapted from Ref. 10 with permission)

해상풍력발전단지 구축을 위해 대상 부지에 대한 지반 시추조사는 필수 불가결하다. 토질 구성, 강도 특성, 지층 구조 등의 지반의 공학적 특징을 분석하여야 할 것이다. Table 2는 해저 지반조사의 항목을 나타내는 표이며, 대상 지역의 기본적인 지반조사를 실시함과 동시에 해상 토양과 암반에 대한 상세조사를 실시하여 지층의 물리적, 역학적 특성을 명확히 규명을 하는 것이 설계단계에서 필요하다[15].

주기기 터빈은 풍력발전기의 발전량 산정에 주요한 요소이며, 주기기에 따라 하부 구조물의 규모와 종류가 달리 결정된다. 해외의 해상풍력발전기 터빈 용량은 주로 3.0-3.6 MW급이 사용되고 있으나 점차 대용량화되는 추세이다. 대상 단지의 해상 풍속이 유럽 등의 해상 사이트보다 양호하지 않기 때문에 대용량 주기기를 선택하는 것이 전력생산의 효율을 높이는데 유리하다고 판단된다.

대용량 주기기 터빈을 사용하면 하부 구조물을 제작하거나 시공 과정에서 비용 절감 효과가 있으나 현장 적합성과 기계적 성능의 효율 등을 고려하여야 한다.

Table 3은 검토 대상업체의 터빈 사양을 비교한 표이다. 또한, Table 4는 대상지역의 전체 발전용량을 300 MW로 구성할 때 검토 대상의 주기기 터빈의 설치 댓수를 보여주는 표이다.

Fig. 5는 해상 풍력발전기의 개략도를 보여주며, 기초(Foundation), 하부 구조(Substructure), 상부 타워(Tower)와 터빈(Turbine)으로 구성된다. Fig. 6은 대표적인 부유식과 고정식 하부 구조를 나타내고 있다. 부유식은 아직 연구개발이 더 필요한 단계에 있다. Fig. 7은 대표적인 고정식 하부 구조를 보여주는 그림이다. Figs. 7(b), 7(e), 7(g), 7(h)는 각각 모노파일(Monopole), 중력식(Gravity Base), 석션 버킷(Suction Bucket), 고층 파일캡(High-Rise Pile Cap) 하부 구조로 주로 발전용량 4-5 MW 미만에 쓰이는 구조이다. Figs. 7(d)와 7(f)는 각각 트라이 포드(Tripod)와 트라이파일(Tri-Pile) 하부 구조로 각각 수심 20-40 m, 수심 25-40 m에 적용이 가능한 구조로, 최대수심 48 m인 대상지역에 적용하기에는 성능 용량이 다소 부족하다고 판단하였다.

Fig. 5 
The structure of the offshore wind turbine

Fig. 6 
Types of the substructures

Fig. 7 
Types of the fixed support structures [3] (Adapted from Ref. 3 on the basis of OA)

Fig. 8은 1990년대부터 2015년까지, 2015년부터 2020년까지의 세계 해상풍력발전기 하부 구조 건설 동향을 보여주는 그림이다. 모노파일 하부 구조는 2015년까지는 75% 정도에서 2015년 이후에는 66%로 줄어들고 있으나 모노파일이 전반적으로 우세함을 볼 수 있다. 자켓 형식 하부 구조가 10에서 16%로 점점 증가되고 있음을 알 수 있다[4].

Fig. 8 
Global market share of the offshore wind turbine substructures

Fig. 9는 발전기 용량에 따른 하부 구조 형식을 보여주는 그림으로 발전기 용량 5 MW 이상에서는 주로 자켓 형식이 지배적임을 보여주고 있다.

Fig. 9 
The offshore wind turbine rating (MW)

대상지역의 최대 수심은 48 m이나 대체적으로 15-28 m 정도이며, 지반은 퇴적층-풍화암-연암-보통암-경암순으로 구성되어 있다. 지지층의 남부 지역은 심도 30 m 이상의 지지층으로 분포되어 있고, 중심부와 북부 지역은 심도 15-25 m의 지지층으로 분포되어 있다.

Table 5는 설치 대상지역에 각각의 하부 구조를 적용하는 경우 수심, 해저지질 특성의 해양환경과 발전기 용량의 관점에서 적용성을 평가한 표이다. S(매우 우수 100), A(우수: 90), B(보통: 80), C(불리: 70), D(매우 불리: 60), F(적용 불가)로 환산 점수화시켰으며, 만약 평가항목 중 하나라도 적용불가(F)를 포함하는 경우에는 합산에서도 적용불가(F)가 되도록 하였다.

모노파일, 중력식, 석션 버킷, 고층 파일캡은 적용불가(F)로 판정됨에 따라 현장적용 대상에서 제외시켰으며, 나머지는 자켓(Jacket, 97점)과 확장형 모노파일(Extended Monopole, 90점), 트라이포드(77점), 트라이파일(73점) 순서로 분석되었다.

주기기 터빈의 용량이 증가함에 따라 블레이드 길이가 길어지고 타워의 높이도 증가되므로 풍력발전기의 총중량도 대폭 늘어나게 된다. 이에 따라 하부 구조 또한 고유진동수(Natural Frequency)가 낮아진다. 고유진동수가 풍력발전기의 가진주파수(Exciting Frequency)의 영역에 들어서는 위험을 초래하게 되고, 공진(Resonance)을 유발할 수 있게 된다. 이런 위험을 방지하기 위해 하부 구조물은 구조 보강, 즉 직경을 증가시키거나 또는 타워의 두께를 증가시켜 고유진동수를 가진주파수의 영역에서 많이 벗어나게 만들어야 한다. 따라서 주기기 터빈의 용량 증가는 하부 구조물에 대한 구조 보강을 요하게 되므로 하부 구조물에 사용되는 강재량 또한 다소 증가하게 될 것이다.

그러나 하부 구조물을 초대형 강관으로 보강하는 경우에는 별도의 제작 장비가 필요하게 되므로 생산 제작이 무척 어려울 뿐만 아니라 제작된 초대형 강관을 운반하거나 설치 시에도 매우 큰 어려움이 발생될 것이다.

따라서 Table 5의 분석 결과에 따라 대용량 주기기 터빈을 설치하는 본 대상지역의 하부 구조로 적절한 대상로는 Figs. 7(a)의 자켓 형식의 하부 구조와 7(c)의 확장형 모노파일 형식의 하부구조가 유력하다고 판단된다.

대형 모노파일의 경우 일반적으로 제작공정이 단순하고, 전용 선박을 이용하면 파일을 항타하는 조건에서 하루에 1기 설치가 가능하여 공기 단축이 가능하기 때문에 해상 장비 운용 비용 및 설치 비용이 감소하여 총 공사 비용이 자켓 형식보다 80% 수준이 될 수 있는 장점이 있다. 그러나 본 대상 위치에 적용을 검토한 결과, 지역의 대부분이 심도 15-25 m이므로 항타공법의 적용에 한계가 있고, 강한 암반 지반의 경우 직경 5.0 m를 초과하는 초대형 굴착 장비를 사용하는 경우에 공기가 오히려 증가되며 공사 비용이 휠씬 증가한다. 또한 파일과 트랜지션 피스(Transition Piece)의 접합에 대한 국내의 시공 경험이 없어 국내 설치에 적용하기엔 다소 어려움이 있다.

반면에 자켓 하부 구조를 사용할 경우에는 타워의 직경을 증가시키거나 타원의 두께를 변화시키지 않고, 외부 보강체를 추가함으로써 타워의 고유진동수를 비교적 쉽게 변경시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 수심이 깊고, 대용량의 터빈을 사용하는 해상풍력 발전기에는 자켓 하부 구조를 사용하는 것이 제작 비용, 설치 운반 비용, 설치의 용이성 등에서 많은 이점이 있다. 안전성 측면에서도 자켓 형식이 우수하다. 또한 자켓의 굴착 직경은 2.0 m 정도이므로 8.0 m인 모노파일의 굴착 직경보다 훨씬 적게 필요하다. 이 경우 굴착 면적으로 환산 비교해도 자켓 형식의 소요 굴착 면적이 적으므로 설치 작업 시 발생하는 부유사로 인한 해상 오염을 한층 경감시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 자켓 형식의 하부 구조를 선택하는 것이 시공성, 경제성, 환경 친화적 측면에서 합리적이라 판단된다.