Vibroacoustic Underwater Noise from Fixed and Floating Offshore Wind Turbines

본 연구는 10 MW 고정식 및 부유식 해상 풍력 터빈의 운전 중 발생하는 수중 소음 방출을 예측하고 비교하기 위한 물리 기반 진동음향 프레임워크를 제시하며, 모노파일 구조물에 비해 부유식 구성이 더 높은 저주파 소음 레벨과 더 복잡하며 방향에 의존하는 방사 패턴을 생성하며, 수심이 전반적인 전파와 소음 레벨에 상당한 영향을 미친다는 사실을 규명합니다.

핵심

바다를 거대하고 고요한 콘서트 홀이라고 상상해 보세요. 수년 동안 우리는 해저에 말뚝을 박는 것과 같은 건설 작업의 시끄럽고 갑작스러운 '타격음'이 해양 생물을 교란시킨다고 우려해 왔습니다. 하지만 이번 새로운 연구는 풍력 터빈이 실제로 가동되어 전기를 생산할 때 내는 지속적인 윙윙거림에 초점을 맞추고 있습니다.

연구자들은 다음과 같은 간단한 질문에 답하고 싶어 했습니다: 풍력 터빈이 해저에 고정되어 있는지, 아니면 수면 위에 떠 있는지 여부는 중요한가요?

이를 규명하기 위해 연구자들은 10 메가와트 규모의 거대한 풍력 터빈의 정교한'디지털 트윈'을 구축했습니다. 그들이 시뮬레이션한 것은 바람이 블레이드를 어떻게 밀어내는지, 터빈 내부의 기어가 어떻게 덜컥거리는지, 그리고 그 진동이 어떻게 타워를 따라 내려가 물속으로 전달되는지였습니다. 그 후 그들은 두 가지 버전을 비교했습니다:

1. "고정" 버전 (모노파일): 해저 깊숙이 박힌 거대한 강철 기둥.
2. "부유" 버전: 케이블로 닻을 내리고 수면 위에서 떠다니며 흔들리는 거대한 플랫폼.

다음은 일상적인 비유를 통해 설명한 그들이 발견한 바입니다:

1. "무거운 수영 선수"vs"뻣뻣한 기둥"

부유식 터빈을 수영장의 무거운 수영 선수라고 생각해 보세요. 플랫폼이 거대하고 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 파도에 따라 흔들리고, 굴러가고, 떠다닙니다. 이 움직임은 많은 저주파 소음(깊고 우르릉거리는 소리) 을 만들어냅니다.

• 발견: 부유식 버전은 깊은 우르릉거리는 범위 (10Hz 미만) 에서 훨씬 더 시끄럽습니다. 마치 계속 두드리는 베이스 드럼과 같습니다. 연구에 따르면, 전체 플랫폼이 거대한 진동하는 드럼 스킨처럼 움직이기 때문에 이러한 저주파에서 고정식 버전보다 최대 15dB 더 시끄러울 수 있습니다.

고정식 터빈(모노파일) 을 콘크리트에 심어진 뻣뻣한 기둥처럼 생각해 보세요. 이는 흔들릴 수 없습니다. 대신 회전하는 기어와 샤프트에서 발생하는 진동이 기둥을 따라 곧바로 전달됩니다.

• 발견: 고정식 버전은 깊은 우르릉거림에서는 실제로 조용하지만, 더 높은 음역대 (기어의'윙윙거림') 에서는 더 시끄럽습니다. 기둥이 뻣뻣하기 때문에 튜닝 포크처럼 고주파 기계 진동을 물속으로 매우 효율적으로 전달합니다.

2. 소리의 모양

소리는 단순히 곧바로 퍼져나가는 것이 아니라 패턴을 형성하며 퍼집니다.

• 고정식 터빈: 소리는 잔잔한 연못에 떨어진 돌에서 퍼지는 물결처럼 비교적 고르게 퍼집니다. 예측 가능하고 대칭적입니다.
• 부유식 터빈: 소리는 혼란스럽고 방향성이 있습니다. 부유식 플랫폼은 복잡하게 움직이는 세 개의 다리 및 가로대들을 가지고 있기 때문에 소리는'덩어리진'패턴을 만듭니다. 어떤 방향으로는 시끄러운 소리 빔을 쏘아 보내고 다른 곳에는 조용한 지점을 남깁니다. 이는 물결보다는 다양한 방향으로 깜빡이며 향하는 손전등 빛과 더 비슷합니다.

3. "방 크기"효과 (수심)

물의 깊이는 소리가 연주되는 방의 크기와 같은 역할을 합니다.

• 얕은 물 (작은 방): 얕은 물에서는 소리가 수면과 바닥 사이를 반사하며 갇히게 됩니다. 이로 인해 소리는 더 멀리 이동하고 더 오래 유지되며, 특히 부유식 터빈의 경우 그렇습니다. 작은 욕실 안에서 외치는 것과 같습니다. 소리가 갇혀 울림이 발생합니다.
• 깊은 물 (큰 홀): 깊은 물에서는 소리가 세 가지 차원 (위, 아래, 옆) 으로 퍼질 수 있습니다. 이로 인해 에너지가 더 빠르게 소산됩니다. 연구에 따르면, 부유식 터빈을 얕은 물에서 깊은 물로 이동시키면 소리가 퍼지고 사라질 공간이 더 생기기 때문에 소음 수준이 약 9dB만큼 떨어질 수 있습니다.

4. 누가 이를 들을 수 있는가?

연구자들은 소음 지도를 해양 생물의 청각 범위와 비교했습니다.

• 고정식 터빈: 고음역대의'기어 윙윙거림'은 바다표범, 돌고래, porpoise(물범) 의 청각 범위와 상당히 겹칩니다. 이는 이러한 동물들이 고정식 터빈에 더 가까운 거리에서 소리를 듣고 교란될 가능성이 더 높다는 것을 의미합니다.
• 부유식 터빈: 깊은'우르릉거림'은 대부분의 해양 포유류가 들을 수 있는 범위 아래에 있습니다. 그러나 연구는 이 깊은 우르릉거림이 어차피 바람과 파도 같은 자연적인 바다 소음에 의해 묻히는 경우가 많으므로, 고정식 터빈의 고음역대 소음보다 동물들에게 덜 문제가 될 수 있다고 지적합니다.

결론

이 연구는 엔지니어들에게 새로운'계산기'를 제공합니다. 풍력 발전소를 건설하기 전에 이제 이 도구를 사용하여 수중 소음이 얼마나 시끄러울지 정확히 예측할 수 있습니다.

• 고정식 기둥에 건설한다면, 얕은 물에서 잘 전달되는 더 시끄러운 고음역대 윙윙거림을 예상하세요.
• 부유식 플랫폼에 건설한다면, 수심과 소리가 이동하는 방향에 따라 다르게 행동하는 더 깊고 베이스가 강조된 우르릉거림을 예상하세요.

목표는 하나가'나쁘고'다른 하나가'좋다'고 말하는 것이 아니라, 차이를 이해하여 바다의 음향 환경에 더 친절한 풍력 발전소를 설계할 수 있도록 하는 것입니다.

기술 요약

기술 요약: 고정식 및 부유식 해상 풍력 터빈에서 발생하는 진동음향 수중 소음

문제 제기
해상 풍력 터빈에서 발생하는 인위적 수중 소음은 환경적 우려로 대두되고 있으며, 특히 이 분야가 더 큰 용량과 더 깊은 수심을 향해 확장되면서 바닥 고정식 (단일 말뚝) 과 부유식 기술을 모두 활용함에 따라 그 중요성이 커지고 있습니다. 시공 중 발생하는 충격성 소음 (예: 말뚝 타격) 은 잘 규제되어 있지만, 지속적인 운전 중 소음은 상대적으로 덜 이해되고 있습니다. 이 소음은 두 가지 경로를 통해 발생합니다: 공기 중 음향 (공기 - 물 임피던스 불일치로 인해 종종 간과됨) 과 구조물 전파 진동음향입니다. 후자는 변동하는 공기역학적 추력, 구동계 여기, 그리고 유체역학적 하중에서 기인하여 구조물 진동을 유발하고, 이 진동이 물속으로 방사됩니다. 현재의 환경 평가는 종종 사후 측정이나 단순화된 경험적 스케일링에 의존하며, 설계 초기 단계에서 소음을 정량화할 수 있는 물리 기반 예측 도구가 부족합니다. furthermore, 부유식 플랫폼의 고유한 동적 메커니즘—강체 운동과 유체 - 탄성 결합을 특징으로 함—은 단일 말뚝과 비교하여 스펙트럼 내용과 방사 효율을 변경할 수 있으나, 이러한 차이점은 완전히 정량화되지 않았습니다.

방법론
본 연구는 10 MW DTU 기준 터빈에 대한 운전 중 수중 소음을 예측하기 위한 물리 기반 진동음향 프레임워크를 제시하며, 두 가지 구성으로 분석합니다: 단일 말뚝 기초 (수심 30m) 와 반잠수식 부유식 플랫폼 (수심 30m 및 350m 에서 테스트). 방법론은 세 가지 연속 단계를 통합합니다:

1. 구조 동역학 (시간 영역): OpenFAST 를 사용하여 결합된 공기 - 유체 - 서보 - 탄성 방정식을 풀기 위해 시뮬레이션을 수행합니다. 모델에는 타워 및 블레이드 굽힘 모드, 서브구조 탄성 (SubDyn 을 통해), 그리고 유체역학적 하중 (HydroDyn 을 통해) 이 포함됩니다. 부유식 구성의 경우, 6 개의 강체 자유도 (전후진, 좌우진, 상하진, 롤, 피치, 요) 가 포함됩니다. OpenFAST 가 내부적으로 해결하지 않는 구동계 소음을 고려하기 위해, 나셀에 샤프트 고조파 및 기어 맞물림 주파수를 나타내는 합성 톤 여기가 도입되어 모드 증폭 인자로 스케일링됩니다.
2. 원천 재구성: 잠수된 구조 노드의 노드 가속도는 등가 쌍극자 힘 원천으로 변환됩니다. 구조 부재의 유한한 단면 치수를 고려하기 위해 방사 임피던스 보정이 적용되어, 단순 선원 모델이 놓치는 고주파 감쇠 및 위상 차폐 효과를 해결합니다.
3. 음향 전파 (주파수 영역): 선형 헬름홀츠 방정식을 해석적 그린 함수를 사용하여 풀어 음압장을 계산합니다. 모델은 경계 조건을 고려하기 위해 이미지 방법을 사용합니다: 압력 방출 자유 표면과 부분 반사 해저 (모래 퇴적물). 수렴 분석은 30 개의 이미지 반사가 정확도를 위해 충분함을 확인합니다.

주요 기여
본 논문은 세 가지 구체적인 과학적 기여를 합니다:

1. 통합 모델링 프레임워크: 공기탄성 하중, 구조 동역학, 유체 - 구조 상호작용, 그리고 수중 음향 전파를 결합한 통합 접근법을 수립하여, 별도의 원천 및 전파 모델링을 넘어섰습니다.
2. 측정 가능한 기술자: 근본적으로 다른 지지 구조물 간의 일관된 비교를 가능하게 하는 음향 기술자 (협대역 SPL, OASPL, 지향성 패턴) 를 정의합니다.
3. 메커니즘 식별: 바닥 고정식과 부유식 터빈 간의 소음 서명 차이를 유발하는 물리적 메커니즘, 구체적으로 강체 운동, 구조 질량, 그리고 수심의 역할을 분리하여 식별합니다.

결과
비교 분석은 스펙트럼 내용, 지향성, 그리고 전파에 관한 몇 가지 뚜렷한 발견을 도출합니다:

• 스펙트럼 특성:
  • 저주파수 (< 10 Hz): 부유식 구성은 단일 말뚝에 비해 현저히 향상된 방출 (OASPL 최대 15% 또는 약 15dB 높음) 을 보입니다. 이는 추가적인 강체 자유도와 부유식 플랫폼의 더 큰 구조 질량으로 인해 매우 낮은 주파수에서 방사 효율이 증가하기 때문입니다.
  • 중간~고주파수 (> 10 Hz): 단일 말뚝 구조가 더 효율적으로 방사합니다. 해저와의 단단한 연결은 구동계 유발 진동 및 국부 구조 모드의 전파를 용이하게 하여, 여기가 더 크고 더 유연한 구조물에 분산되는 부유식 플랫폼에 비해 이 범위에서 더 높은 음압 레벨을 초래합니다.
• 지향성 및 공간 분포:
  • 단일 말뚝: 고주파수에서 매끄럽고 거의 축대칭인 응답을 보이며, 저주파수에서는 풍향과 정렬된 명확한 쌍극자 패턴을 보입니다.
  • 부유식: 복잡하고 이방성인 3 차원 방사 패턴을 보입니다. 저주파수에서 주 방출 축은 결합된 강체 운동으로 인해 회전합니다. 고주파수 (100–1000 Hz) 에서 부유식 플랫폼은 단일 말뚝의 균일성과는 달리 20–25dB 의 강한 방향 의존적 변동과 다중 로브 패턴을 보입니다.
• 전파 및 수심 효과:
  • 수심은 전파 체제에 결정적인 영향을 미칩니다. 얕은 수심 (30m) 은 전파를 준 2 차원 도파관으로 제한하여 감쇠율을 느리게 만듭니다. 깊은 수심 (350m) 은 완전한 3 차원 기하학적 확산을 허용하여 수신 레벨을 낮춥니다.
  • 얕은 수심에서의 부유식 구성은 깊은 수심 대응물에 비해 OASPL 변동이 최대 7% (~9dB) 까지 나타나 부유식 시스템이 수심 지형에 민감함을 강조합니다.
• 난류 영향: 대기 난류를 도입하면 날카로운 톤 피크가 더 넓은 스펙트럼 혹으로 확장되며, 저주파수에서 전체 SPL 을 최대 10dB 까지 증가시키지만, 지지 구조 유형에 관한 근본적인 경향은 변하지 않습니다.

의의 및 주장
저자들은 이 작업이 사후 설치 측정에만 의존하는 것이 아니라 설계 단계에서 수중 음향 영향을 평가하기 위한 예측 도구를 제공한다고 주장합니다. 측정 가능한 구조 응답 매개변수를 방사된 소음 레벨과 연결함으로써, 이 프레임워크는 다음을 지원합니다:

• 환경 정보 설계: 개발자가 음향 발자국을 명시적으로 고려하여 터빈 선택, 공간 구성, 그리고 구조 세부 사항을 최적화할 수 있게 합니다.
• 규제 지원: 표준화, 준수 검증, 그리고 과학 기반 규제 임계값 개발을 위한 추적 가능한 지표를 제공합니다.
• 메커니즘 이해: 부유식 터빈이 고정식 바닥 시스템의 단순한 확장으로 취급되어서는 안 된다는 점을 명확히 합니다. 그들의 고유한 동역학은 특정 평가가 필요한 고유한 저주파 원천과 복잡한 3 차원 방사 패턴을 도입합니다.

본 연구는 부유식 플랫폼이 많은 해양 종에 덜 민감한 주파수 대역 (매우 낮은 주파수) 에 에너지를 집중시킬 수 있지만, 단일 말뚝은 많은 해양 척추동물이 민감한 청력을 가진 중간~고주파수 대역에서 더 높은 위험을 초래한다는 결론을 내립니다. 이 프레임워크는 이러한 트레이드오프를 정량적으로 평가하여 향후 완화 전략을 지원합니다.