파도가 풍력을 만났을 때

HBM S9M 힘 센서는 해상 풍력발전소의 골격 구조물에 부딪히는 파도를 이용하여 하중을 기록합니다.

해상 풍력발전소에 파도가 부딪히면, 얕은 물에 있는 발전소 기초 구조물 무게를 측정할 수 있는 압력 쇼크가 발생합니다. 이와 같은 골격 구조물, 다시 말해 재킷 구조물의 크기 정보를 제대로 파악하기 위해, 독일 하노버에 있는 해안연구센터(FZK)의 대형 웨이브 채널에서 물리적 모델링 실험이 시행되었으며,  HBM의 S9M 힘 센서 를 통해 결정적인 결과를 도출하였습니다.

세계 최대 웨이브 채널에서의 하중 테스트

특히 '강한 쇄파(plunging breakers)'에 의해 발생된 pressure surge 는 결정적으로 중요한 역할을 합니다. 각각의 둥근 기둥에 부딪히는 강한 쇄파(plunging breakers) 를 이용해 하중을 측정하는 방법을 설명해주는 몇 가지 분석 모델이 있습니다. 그러나 이러한 접근 방식을 jacket structure 에 적용하기에는 한계가 있습니다. jacket structure 가 해상 풍력발전소에 사용되기 때문입니다. 수력 조건에 있어서 다양한 complexity 가 나타나는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

pressure surge loading 을 통해 physical modelling experiments 의 크기를 더욱 잘 측정하기 위해서, EU의 연구 프로그램 HYDRALAB IV의 일환으로 FZK 대형 웨이브 채널에서 대형 스케일 모델을 이용하여 물리적 모델링 실험을 시행하였습니다. 이 실험은 트론헤임의 노르웨이 과학기술대학교(NTNU)와 스타방에르 대학교(UIS)에서 의뢰하였습니다.

FZK의 대형 웨이브 채널은 길이 320미터, 넓이 5미터, 깊이 7미터에 이르는 세계에서 가장 큰 채널입니다. 웨이브 제너레이터의 800kW 아웃풋을 최적으로 사용하기 위해 모델의 스케일링을 1:8로 조정하였습니다. 이 상태에서 구조물에 가해지는 파도 높이는 2미터 이상으로 하였습니다. 골격 구조물의 로드(rod)는 지름 14cm의 스틸 파이프로 구성하였습니다. 구조물의 전체 크기는 2.4x2.4x4.9m 이었습니다.

하중 기록은 모두 도량형으로.

수력 프로세스와 선택된 jacket structure에 가해지는 하중의 영향을 도량형으로 기록하기 위해, 웨이브 채널과 구조물 자체에 수많은 다른 센서들을 장착하였습니다.

  • wave lever과 flow sensor 들은 구조물 전면 및 구조물 자체에서 측정되는 수위와 플로우 상태의 변동값을 측정하였습니다.
  • 웨이브 하중에 대한 골격 구조물의 반작용값은 힘 센서와 가속도 센서를 통해 측정하였습니다.
  • 계측 상황을 비디오로 녹화하여 구조물에 가해지는 Wave amplitude 의 성질에 관한 자세한 시각 정보를 제공할 수 있도록 하였습니다.

The greatest challenge – 힘 계측

구조물의 다양한 힘을 계측하기 위해서 특별한 도전을 시도하였습니다. 하나는 선택된 골격 로드에 분산된 무게를 측정하는 것이었으며, 다른 하나는 각각의 로드에 가해지는 총 힘과 전체 구조물에 가해지는 힘을 측정하는 것이었습니다.

힘 센서는 일시적으로 또는 영구적으로 사라지기 때문에, 보호등급 IP 68에 해당하는 HBM 힘 센서 S9M 타입을 통해 무게 분산값을 측정하였습니다. 단단한 알루미늄으로 만들어진 각각의 로드에는 최대 네 개의 힘 센서가 설치되었으며, 각각의 힘 센서에 부착되어있는 5cm 넓이의 골격링을 통해 수직 웨이브 하중을 측정하였습니다. 개별적으로 계측된 결과는 로드에 가해진 무게 분산값을 계산하는데 사용되었습니다.

구조물에 가해진 수직 힘의 전체 결과값을 도출하기 위해 같은 타입의 힘 센서 네 개가 사용되었습니다. 힘 션트(force shunt)를 방지하기 위해 전체 골격 구조물을 연결식 진자 지지대에 고정하였으며, 힘 센서는 파도에 충격 받는 방향의 진자 지지대 네 개에 설치하였습니다.

HBM은 선택된 골격 로드 여섯 개에 가해진 힘을 측정하기 위해 두 개 부품으로 구성된 센서를 개발하였습니다. 여섯 개의 로드는 각각 두 개의 힘 센서를 통과하여 재킷 구조물과 결합되었습니다. 골격 파이프의 지름을 지정된 길이(14cm)에 맞추어야 하는 동시에 큰 힘을 도출해내야 했기 때문에 기존의 매우 간결한 설계 구조를 개선해야 했습니다(센서의 공칭(정격) 측면 힘 20kN). 휨 모멘트로 인한 힘 센서의 하중을 방지하기 위해, 힘 센서를 특수 개발된 볼 조인트로 고정시켰습니다.

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