NSGA-II 알고리즘을 활용한 15MW급 반잠수형 부유식 해상풍력 플랫폼 및 타워 형상 최적화에 관한 연구 = A Study on the Shape Optimization of a 15MW Semi-submersible Floating Offshore Wind Turbine Platform and Tower Using the NSGA-II Algorithm

국문 초록 (Abstract)

최근 전 세계적으로 신재생에너지의 중요성이 부각됨에 따라 부유식 해상풍력에 대한 연구개발뿐 아니라 실증 및 상용화가 본격적으로 이루어지고 있다. 그러나 해양 환경에서 작용하는 파도, 바람, 해류 등의 외란은 플랫폼 및 타워의 운동을 증가시켜 시스템의 안정성과 발전 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 외란에 대한 동적 응답을 효과적으로 저감하고 운용 안정성을 확보할 수 있는 플랫폼 및 타워 설계가 요구된다. 본 연구의 목적은 부유식 해상풍력 발전기의 안정적인 운용과 비용 절감을 동시에 달성하기 위해, 플랫폼과 타워의 형상을 최적화하여 전체 시스템 성능을 향상시키는 데 있다. 이를 위해 다양한 형상에 대해 주파수 영역 동유체력 해석과 시간 영역 연성 해석을 연계한 물리 기반 시뮬레이션을 수행하여, 비선형 환경 하중이 반영된 해석 결과를 산출하였다. 이후 해석 결과를 바탕으로 수학적 대리 모델을 구축하고 NSGA-II 유전 알고리즘을 적용하여 주요 형상 변수의 최적 설계를 도출하였다. 태풍이 부는 극한 조건을 대상으로 반잠수형 부유식 해상풍력 플랫폼 형상 최적화를 수행한 결과, 흘수 (Draft)와 컬럼의 폭(Column Width)이 성능에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 설계 변수임을 확인하였다. 도출된 최적 플랫폼 형상에서는 종동요 (Pitch) 운동 14%, 나셀 (Nacelle) 가속도 16%, 배수량 (Displacement)이 2%가 감소하여 안정성과 비용 측면 모두에서 개선 효과를 보였다. 또한, 터빈이 가동되어 전기를 생산하는 운용 조건을 대상으로 타워 형상 최적화를 수행한 결과, 타워의 외경이 증가하고 두께가 감소한 조합이 최적 형상으로 도출되었다. 최적 타워 형상에서는 질량이 7% 감소하고, 나셀 가속도 및 타워 하단 굽힘 모멘트가 약 1% 감소하였다. 아울러 평균 발전량은 8 kW 증가하고 발전량 변동은 0.55% 감소하여 발전 성능이 소폭 향상되고 출력 안정성이 개선되는 경향을 확인하였다. 이를 통해 제안한 최적 설계가 비용과 안정성, 발전 성능 측면에서 전반적인 개선 효과를 보임을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global interest in renewable energy has accelerated not only R&D but also demonstration and commercialization of floating offshore wind turbines (FOWTs). However, ocean environmental disturbances such as waves, wind, and currents can amplify platform and tower motions, thereby degrading operational stability and power performance. Accordingly, platform and tower designs that effectively mitigate dynamic responses and secure operational stability are required. The objective of this study is to enhance the global performance of a FOWT while simultaneously achieving stable operation and cost reduction by optimizing the shapes of the platform and tower. To this end, physics-based simulations were conducted for various geometries by coupling frequency-domain hydrodynamic analysis with time-domain fully coupled simulations, thereby producing analysis results that incorporate nonlinear environmental loading. Based on these results, mathematical surrogate models were constructed and the NSGA-II genetic algorithm was applied to identify optimal designs of key geometric design variables. For platform shape optimization under typhoon extreme conditions, draft and column width were identified as the most influential geometric design variables affecting the objective functions. The optimal platform geometry reduced the standard deviation of pitch motion by 14%, nacelle acceleration by 16%, and displacement by 2% relative to the baseline design, demonstrating improvements in both stability and cost. For tower shape optimization under power production operating conditions, an optimal configuration characterized by increased outer diameter and reduced thickness was obtained. The optimal tower design reduced tower mass by 7% and decreased both nacelle acceleration and tower base bending moment by approximately 1%. In addition, the mean power production increased by 8 kW while power variability decreased by 0.55%, indicating a slight improvement in power performance and output stability. Overall, the proposed optimal designs yielded comprehensive improvements in cost, stability, and power performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 3
• 1.3 연구 목표 및 연구 내용 9
• 제 2 장 대상 부유식 해상풍력 발전 시스템 및 수치해석 모델 11
• 2.1 대상 부유식 해상풍력 발전 시스템 11
• 2.2 수치해석 모델 16
• 2.3 수치해석 검증 21
• 제 3 장 부유식 해상풍력 발전기 플랫폼 형상 최적화 27
• 3.1 해석 조건 및 실험계획법 29
• 3.2 수치해석 결과 39
• 3.3 수학적 대리 모델 및 최적화 알고리즘 43
• 3.4 부유식 해상풍력 플랫폼 형상 최적화 결과 56
• 제 4 장 부유식 해상풍력 발전기 타워 형상 최적화 75
• 4.1 타워 모델링 및 해석 조건 77
• 4.2 수치해석 결과 95
• 4.3 부유식 해상풍력 타워 형상 최적화 결과 98
• 제 5 장 결론 및 향후 연구 방향 111
• 5.1 결론 111
• 5.2 한계점 및 향후 연구 방향 113
• 참고 문헌 114
• Abstract 121