KR101046648B1 - 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물 - Google Patents

극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물에 관한 것으로서, 특히 해저면에 설치되고, 석션 펌프가 구비되는 석션 파일과; 상기 석션 파일의 상부에 설치되고, 외측에 복수의 윈치가 설치되는 해상 기초 구조물과; 상기 석션 파일의 주변인 해저면에 설치되되, 상기 석션 파일을 중심으로 방사상으로 설치되는 복수의 앵커와; 상기 앵커와 해상 기초 구조물의 윈치를 상호 연결하는 복수의 와이어와; 상기 해상 기초 구조물의 내측에 설치되어 상기 해상 기초 구조물의 거동을 측정하는 측정 센서부; 및 상기 측정 센서부의 측정값을 통해 상기 해상 기초 구조물이 기준값 이상으로 거동되면 상기 석션 파일의 석션 펌프를 제어하여 상기 석션 파일에 수직 압력을 부여하고, 각각의 상기 윈치를 제어하여 상기 와이어를 당겨 상기 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받아 해상 풍력 발전 시설물이 허용치 이상으로 거동하는 경우 기초를 이루고 있는 석션 파일의 석션 펌프를 동작시킴과 동시에 석션 파일의 주변에 설치된 앵커와 연결된 와이어를 윈치를 이용하여 당겨 기초에 수직 압력을 부여하여 과도한 변형을 방지하고, 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단할 수 있는 이점이 있다.

Description

극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물{MARINE WIND POWER GENERATION FACILITY FOR AUTOMATICALLY CONTROLLING MOVEMENTS IN ULTIMATE LOADS}
본 발명은 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물에 관한 것으로서, 상세하게는 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받아 해상 풍력 발전 시설물이 허용치 이상으로 거동하는 경우 기초를 이루고 있는 석션 파일의 석션 펌프를 동작시킴과 동시에 석션 파일의 주변에 설치된 앵커와 연결된 와이어를 윈치를 이용하여 당겨 기초에 수직 압력을 부여하여 과도한 변형을 방지하고, 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단하도록 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물에 관한 것이다.
해상풍력발전은 풍력터빈을 호수, 피오르드(fjord) 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여 그 곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말한다.
2008년 말까지 해상풍력발전 총 누적용량은 총 풍력발전 누적용량의 1%가 약간 넘는 수치인 1,473MW이며 2008년에는 30% 증가율과 같은 수치인 350MW가 추가되었다.
해상풍력발전의 장점으로는 국토가 비좁은 국가에서 풍력터빈을 설치할 수 있는 지역을 구하기란 쉽지 않다. 즉 육상풍력발전의 경우 설치 부지의 한계가 있다는 말이다. 이에 비해 해상은 부지확보가 양호해 대규모 풍력발전단지 조성이 가능하다.
또한, 해상은 장애물의 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사 조건의 육상풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있고, 해상풍력발전의 경우 해안과 떨어져 설치되기 때문에 풍력터빈의 대형화로 인하여 발생되는 소음과 시각적인 위압감 같은 문제를 해소할 수 있다.
그리고, 해상에 설치된 풍력발전단지는 뛰어난 경관을 연출한다. 실례로 덴마크 미델그룬덴은 세계적인 해상풍력발전단지 조성의 성공사례로 알려지면서 전력생산뿐만 아니라 관광 투어 코스로도 인기를 끌고 있고, 바닷물 속에 잠겨 있는 풍력터빈 지지대가 어류와 해저 생물의 좋은 산란처 역할을 하여 어획량이 늘고 바닷물 위의 풍력터빈 지지대는 철새들의 쉼터 역할을 하고 있다.
해상 풍력 발전 시설물은 크게 터빈과, 기초로 나뉜다.
먼저, 터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전터빈과 동일한 기술을 적용한다. 수명은 20년 정도이며 육상보다 대용량인 3~5MW 이상의 풍력터빈을 적용한다. 각 요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅된다.
그리고, 기초(Foundation)는 대표적인 4가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.
콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type)은 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전단지에 사용된 타입으로 빈데비(Vindeby), 미델그룬덴(Middelgrunden) 해상풍력발전단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6~10m의 수심에서 사용가능하며 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 기초 직경은 12~15m다.
모노파일 타입(Monopile type)은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식이며, 25~30m의 수심에 설치가 가능하다. 홀스레브(Horns Rev), 노스 호일(North Hoyle) 해상풍력발전단지 등에 적용되었으며 해저면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 기초 직경은 3~3.5m이다.
자켓 타입(Jacket type)은 현재 해상풍력발전단지 보유국에서 많은 관심을 보이고 실증 중에 있는 타입으로 수심 20~80m에 설치가 가능하다. 영국의 "The Talisman Beatrice Wind Farm Demonstrator" 프로젝트에서 적용된 이 타입은 자켓식 구조물로 지지하고 말뚝 또는 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 대수심 해양의 구조물이고 실적이 많아 신뢰도가 높은 편이며 모노파일 타입과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우 경제성이 좋다.
부유식 타입(Floating type)은 미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있는 부유식 타입은 수심 40~900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중이다.
그러나, 이러한 해상 풍력 발전 시설물은 설치 후 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받는 데, 파력이나 바람에 의한 수평 저항이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받아 해상 풍력 발전 시설물이 허용치 이상으로 거동하는 경우 기초를 이루고 있는 석션 파일의 석션 펌프를 동작시킴과 동시에 석션 파일의 주변에 설치된 앵커와 연결된 와이어를 윈치를 이용하여 당겨 기초에 수직 압력을 부여하여 과도한 변형을 방지하고, 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단하도록 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
해저면에 설치되고, 석션 펌프가 구비되는 석션 파일과; 상기 석션 파일의 상부에 설치되고, 외측에 복수의 윈치가 설치되는 해상 기초 구조물과; 상기 석션 파일의 주변인 해저면에 설치되되, 상기 석션 파일을 중심으로 방사상으로 설치되는 복수의 앵커와; 상기 앵커와 해상 기초 구조물의 윈치를 상호 연결하는 복수의 와이어와; 상기 해상 기초 구조물의 내측에 설치되어 상기 해상 기초 구조물의 거동을 측정하는 측정 센서부; 및 상기 측정 센서부의 측정값을 통해 상기 해상 기초 구조물이 기준값 이상으로 거동되면 상기 석션 파일의 석션 펌프를 제어하여 상기 석션 파일에 수직 압력을 부여하고, 각각의 상기 윈치를 제어하여 상기 와이어를 당겨 상기 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 앵커는 석션 파일 또는 석션 파일 앵커이다.
여기에서 또한, 상기 앵커는 상기 석션 파일과 대응되는 면에 와이어 고리가 형성되고, 상기 와이어 고리에 상기 와이어를 결속한 상태에서 해저면에 삽입후 최대의 견인 저항 능력을 발휘하도록 상기 석션 파일을 기준으로 외측으로 1~80°의 각도로 기울인 상태로 설치 고정된다.
여기에서 또, 상기 측정 센서부는 상기 해상 기초 구조물의 중심점을 기준으로 직각을 이루도록 각각 측정 센서를 설치한다.
여기에서 또, 상기 측정 센서는 경사계, 가속도계중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 윈치는 일측에 토크미터 또는 로드셀을 구비한다.
여기에서 또, 상기 컨트롤러는 상기 와이어와 앵커를 인발시 상기 윈치의 토크미터 또는 로드셀에서 측정된 값을 통해 상기 와이어의 허용 인장력을 초과하는지의 여부를 측정하고, 허용 인장력이 초과되면 알람을 발생시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물에 따르면, 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받아 해상 풍력 발전 시설물이 허용치 이상으로 거동하는 경우 기초를 이루고 있는 석션 파일의 석션 펌프를 동작시킴과 동시에 석션 파일의 주변에 설치된 앵커와 연결된 와이어를 윈치를 이용하여 당겨 기초에 수직 압력을 부여하여 과도한 변형을 방지하고, 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 구성을 나타낸 부분 평단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 동작을 설명하기 위한 사용 상태도이다.
이하, 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 구성을 나타낸 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 구성을 나타낸 부분 평단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물(1)은, 석션 파일(10)과, 해상 기초 구조물(20)과, 앵커(30)와, 와이어(40)와, 측정 센서부(50)와, 컨트롤러(60)로 이루어진다.
먼저, 석션 파일(10)은 하부가 개방되는 중공관 구조로 형성되고, 해저면에 설치되며, 하기에서 설명할 컨트롤러(60)의 동작에 따라 상면에 석션 파일 내부의 해수를 배출시키면서 압력차에 의해 석션 파일(10)을 해저면에 관입시키는 석션 펌프(11)가 구비된다.
그리고, 해상 기초 구조물(20)은 터빈(21)을 포함하는 통상의 구조물로 석션 파일(10)의 상면에 수직으로 설치된다. 여기에서, 해상 기초 구조물(20)에는 수위와 간섭없는 높이에서 윈치(23)가 하기에서 설명할 앵커(30)와 대응되는 위치에 각각 설치되며, 각각의 윈치(23)에는 토크미터 또는 로드셀(23a)을 구비한다. 여기에서 또한, 해상 기초 구조물(20)의 일측에는 해수가 유입되도록 통공(25)이 형성된다.
또한, 앵커(30)는 석션 파일(10)의 주변인 해저면에 설치되되, 석션 파일(10)을 중심으로 방사상으로 설치된다. 여기에서, 앵커(30)는 석션 파일 또는 석션 파일 앵커인 것이 바람직하며, 석션 파일 앵커는 공지된 구성으로 석션 파일과 앵커가 유압잭을 통해 상호 연결된 상태에서 석션 파일의 석션압에 의해 앵커를 해저면에 관입시킨 다음, 유압잭으로 앵커를 분리후 석션 파일을 외부로 배출하여 앵커만을 해저면에 설치하는 구성이다. 여기에서 또한, 앵커(30)는 석션 파일(10)과 대응되는 면에 와이어 고리(31)가 형성되고, 와이어 고리(31)에 하기에서 설명할 와이어(40)를 결속한 상태에서 해저면에 삽입후 최대의 견인 저항 능력을 발휘하도록 석션 파일(10)을 기준으로 외측으로 1~80°의 각도(θ1)로 기울어진 상태로 설치 고정되는 것이 바람직하다.
또, 와이어(40)는 각각의 앵커(30)의 와이어 고리(31)와 해상 기초 구조물(20)의 윈치(23)를 1:1 대응되도록 상호 연결한다.
한편, 측정 센서부(50)는 해상 기초 구조물(20)의 내측에 설치되어 해상 기초 구조물(20)의 거동을 측정한다. 여기에서, 측정 센서부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 해상 기초 구조물(20)의 중심점(C)을 기준으로 직각을 이루도록 각각 측정 센서(51)를 설치하고, 측정 센서(51)는 경사계, 가속도계중 선택된 어느 하나이고, 각각 측정 센서(51)가 직각을 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서 또한, 측정 센서부(50)는 해상 기초 구조물(20)의 내측 해수 수면보다 높은 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 컨트롤러(60)는 해상 풍력 발전 시설물(1)의 운영중 측정 센서부(50)의 각 측정 센서(51)에서 측정되는 측정값을 통해 해상 기초 구조물(20)의 거동을 파악하여 해상 기초 구조물(20)이 기준값 이상으로 거동되면 석션 파일(10)의 석션 펌프(11)를 제어하여 석션 파일(10)에 수직 압력을 부여하고, 각각의 윈치(23)를 제어하여 와이어(40)를 당겨 앵커(30)에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단한다. 여기에서, 컨트롤러(60)는 와이어(40)를 당겨 앵커(30)를 인발시 윈치(23)의 토크미터 또는 로드셀(23a)에서 측정된 값을 통해 와이어(40)의 허용 인장력을 초과하는지의 여부를 측정하고, 허용 인장력이 초과되면 알람을 발생시켜 관리자에게 이를 알리고, 석션 파일(10)의 석션 펌프(11)의 제어 또한 해상 기초 구조물(20)의 거동값에 따라 기설정된 값으로 제어한다.
한편, 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물(1)중 윈치(23)와, 토크미터 또는 로드셀(23a)와, 측정 센서부(50) 및 컨트롤러(60)와 같이 전원이 필요한 각 구성부는 터빈(21)에서 발생된 전기 에너지를 이용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물의 동작을 설명하기 위한 사용 상태도이다.
먼저, 해상 풍력 발전 시설물(1)이 설치되어 운영되면 컨트롤러(60)는 측정 센서부(50)의 각 측정 센서(51)를 통해 해상 기초 구조물(20)의 거동을 파악한다.
이러한 상태에서 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나, 바람의 영향을 받아 해상 풍력 발전 시설물(20)이 거동하여 측정 센서부(50)의 각 측정 센서(51)에서 측정된 값이 기준값을 넘어서면 컨트롤러(60)는 석션 파일(10)의 석션 펌프(11)를 동작시킨다.
그러면, 석션 펌프(11)의 동작으로 인해 석션 파일(10)의 내외부 압력차만큼 석션 파일(10)에 수직 압력이 부여되고, 이로 인해 해상 기초 구조물(20)의 변형이 차단, 즉 수직으로 원위치되어 유지된다.
이와 동시에 컨트롤러(60)는 각각의 윈치(23)를 동작시켜 와이어(40)를 당겨 앵커(30)에 인발력을 발생시킨다.
그러면, 앵커(30)에서 발생된 인발력에 의해 수평 변위가 발생하지 않게 되고, 와이어(40)의 인발력의 증가로 해상 기초 구조물(20)의 수직, 수평력을 증가시켜 해상 기초 구조물(20)의 변형이 제어, 즉 수직으로 원위치되어 유지된다.
한편, 컨트롤러(60)는 측정 센서부(50)의 각 측정 센서(51)에서 측정된 값이 기준값 미만으로 측정되면, 윈치(23)를 역회전시켜 와이어(40)와 앵커(30)의 인발력을 해제하고, 석션 파일(10)의 석션 펌프(11)의 동작을 오프시킨다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 석션 파일 20 : 해상 기초 구조물
30 : 앵커 40 : 와이어
50 : 측정 센서부 60 : 컨트롤러

Claims (7)

  1. 해저면에 설치되고, 석션 펌프가 구비되는 석션 파일과;
    상기 석션 파일의 상부에 설치되고, 외측에 복수의 윈치가 설치되는 해상 기초 구조물과;
    상기 석션 파일의 주변인 해저면에 설치되되, 상기 석션 파일을 중심으로 방사상으로 설치되는 복수의 앵커와;
    상기 앵커와 해상 기초 구조물의 윈치를 상호 연결하는 복수의 와이어와;
    상기 해상 기초 구조물의 내측에 설치되어 상기 해상 기초 구조물의 거동을 측정하는 측정 센서부; 및
    상기 측정 센서부의 측정값을 통해 상기 해상 기초 구조물이 기준값 이상으로 거동되면 상기 석션 파일의 석션 펌프를 제어하여 상기 석션 파일에 수직 압력을 부여하고, 각각의 상기 윈치를 제어하여 상기 와이어를 당겨 상기 앵커에 인발력을 발생시켜 수평 변위가 발생하는 것을 차단하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 앵커는,
    석션 파일 또는 석션 파일 앵커인 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 앵커는,
    상기 석션 파일과 대응되는 면에 와이어 고리가 형성되고, 상기 와이어 고리에 상기 와이어를 결속한 상태에서 해저면에 삽입후 최대의 견인 저항 능력을 발휘하도록 상기 석션 파일을 기준으로 외측으로 1~80°의 각도로 기울인 상태로 설치 고정되는 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 센서부는,
    상기 해상 기초 구조물의 중심점을 기준으로 직각을 이루도록 각각 측정 센서를 설치하는 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정 센서는,
    경사계, 가속도계중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 윈치는,
    일측에 토크미터 또는 로드셀을 구비하는 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 와이어와 앵커를 인발시 상기 윈치의 토크미터 또는 로드셀에서 측정된 값을 통해 상기 와이어의 허용 인장력을 초과하는지의 여부를 측정하고, 허용 인장력이 초과되면 알람을 발생시키는 것을 특징으로 하는 극한하중 상태에서의 거동을 자동 제어하는 해상 풍력 발전 시설물.
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