KR101047092B1 - 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치에 관한 것으로서, 특히 해상 풍력 발전용 해상 구조물을 수중에 관입시 상기 해상 구조물을 가이드하도록 해상 구조물을 이동 및 설치하는 설치 선박에 설치되는 가이드 장치에 있어서, 상기 가이드 장치는 상기 설치 선박에 수직으로 설치되는 기둥과; 상기 기둥의 상단과 하단에서 동일 선상에 설치되고, 상기 해상 구조물을 수중에 관입시 이를 수직으로 지지하는 가이드 웨이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 해상 구조물을 설치하는 설치 선박에 수직으로 설치된 기둥의 상하단에 설치되고, 해상 구조물의 외측면을 복수의 롤러를 통해 고정함으로써 해상 구조물의 관입시 수직도를 유지할 수 있고, 또한, 해상 구조물의 외경에 따라 롤러가 전후 방향으로 이동되고, 좌우 방향으로 틸팅되도록 함으로써 여러 구경의 해상 구조물에 적용할 수 있다.

Description

해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치{GUIDE DEVICE FOR IMPROVING VERTICALITY UPON INSTALLING MARINE STRUCTURE FOR MARINE WIND POWER GENERATION}

본 발명은 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 해상 구조물(타워, 하부 기초)을 설치하는 설치 선박에 수직으로 설치된 기둥의 상하단에 설치되고, 해상 구조물의 외측면을 복수의 롤러를 통해 고정함으로써 해상 구조물의 관입시 수직도를 유지하도록 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치에 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.

해상풍력발전 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.

한편, 이러한 파일 또는 말뚝을 설치하는 방법으로는 항타식, 유압 타압식, 석션 방식 등이 있는 데, 대구경 파일 또는 말뚝(이하, '해상 구조물'이라 함)을 설치하기 위해서는 해상 구조물의 수직도를 잘 맞추어서 설치해야만 하는 데, 설치 선박에서 해상 구조물을 수중에 관입하면서 설치시 수직도를 유지하기 위한 별도의 가이드 장치가 없어 이러한 가이드 장치를 개발할 필요가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 해상 구조물을 설치하는 설치 선박에 수직으로 설치된 기둥의 상하단에 설치되고, 해상 구조물의 외측면을 복수의 롤러를 통해 고정함으로써 해상 구조물의 관입시 수직도를 유지하도록 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 해상 구조물의 외경에 따라 롤러가 전후 방향으로 이동되고, 좌우 방향으로 틸팅되도록 함으로써 여러 구경의 해상 구조물에 적용할 수 있도록 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

해상 풍력 발전용 해상 구조물을 수중에 관입시 상기 해상 구조물을 가이드하도록 해상 구조물을 이동 및 설치하는 설치 선박에 설치되는 가이드 장치에 있어서, 상기 가이드 장치는 상기 설치 선박에 수직으로 설치되는 기둥과; 상기 기둥의 상단과 하단에서 동일 선상에 설치되고, 상기 해상 구조물을 수중에 관입시 이를 수직으로 지지하는 가이드 웨이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 가이드 웨이는 일측에 회전축이 형성되고, 타측이 상기 기둥에 고정되는 고정 프레임과; 2개로 분할되는 링형태로 형성되되, 일측 절개부에 힌지가 형성되어 상호 치합된 상태에서 상기 고정 프레임의 회전축에 결합되고, 타측 절개부에 고정 수단이 형성되며, 이의 중심점에서 방사상으로 복수의 유격 조절홀이 형성되는 가이드링; 및 상기 가이드링의 유격 조절홀에 결합되고, 상기 해상 구조물을 가이드하는 가이드 롤러 부재로 이루어진다.

여기에서 또한, 상기 고정 프레임은 상기 해상 구조물의 길이에 따라 연직 거리(L)를 상기 기둥에서 조절한다.

여기에서 또, 상기 가이드 롤러 부재는 일측에 가이드 롤러가 회전 가능하도록 설치되고, 상기 가이드링에 볼트로 고정되는 본체와; 상기 본체의 저면에 상기 가이드링의 유격 조절홀에 삽입되는 연결 블록; 및 상기 연결 블록의 저면에서 볼트에 의해 고정되는 이탈 방지판으로 이루어진다.

여기에서 또, 상기 연결 블록은 이의 높이가 상기 가이드링의 유격 조절홀의 높이와 동일하고, 이의 폭과 길이가 상기 가이드링의 유격 조절홀의 폭과 길이보다 더 작게 형성되어 상기 유격 조절홀 내에서 전후 또는 좌우로 이동되어 상기 해상 구조물의 관경 변화에 대응되도록 한다.

여기에서 또, 상기 가이드 롤러 부재의 가이드 롤러는 상기 해상 구조물의 외측과 점 또는 면접촉되도록 중앙부에서 외측으로 갈수록 그 지름이 확대되는 형태로 형성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치에 따르면, 해상 구조물을 설치하는 설치 선박에 수직으로 설치된 기둥의 상하단에 설치되고, 해상 구조물의 외측면을 복수의 롤러를 통해 고정함으로써 해상 구조물의 관입시 수직도를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 해상 구조물의 외경에 따라 롤러가 전후 방향으로 이동되고, 좌우 방향으로 틸팅되도록 함으로써 여러 구경의 해상 구조물에 적용할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 부분 확대 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 5의 A-A 단면도이다.
도 8은 도 5의 B-B 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치의 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 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치의 구성을 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 부분 확대 사시도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치중 가이드 웨이의 구성을 나타낸 평면도이고, 도 7은 도 5의 A-A 단면도이며, 도 8은 도 5의 B-B 단면도이다.

도 1a 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치(1)는, 기둥(100)과, 가이드 웨이(200)로 구성된다.

먼저, 기둥(100)은 설치 선박(10)에 수직으로 설치된다.

그리고, 가이드 웨이(200)는 기둥(100)의 상단과 하단에서 동일 선상에 설치되고, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 타워, 하부 기초(석션 파일 포함)와 같은 해상 구조물(20)을 수중에 관입시 이를 수직으로 지지한다.

여기에서, 가이드 웨이(200)는 고정 프레임(210)과, 가이드링(220)과, 가이드 롤러 부재(230)로 구성된다.

고정 프레임(210)은 일측에 회전축(211)이 형성되고, 타측이 기둥(100)에 고정된다. 이때, 고정 프레임(210)은 해상 구조물(20)의 길이에 따라 가이드링(220) 사이의 간격, 즉 연직 거리(L)를 기둥(100)에서 조절하는 것이 바람직한 데, 연직 거리(L)를 조절할 수 있도록 기계식 장비, 유압식 장비, 공압식 장비 중 어느 하나의 장비(미도시)에 의해 기둥(100)에서 상하로 이동 가능하도록 설치된다.

가이드링(220)은 2개로 분할되는 링형태로 형성되되, 일측 절개부에 회전 가능하도록 힌지(221)가 형성되어 상호 치합된 상태에서 고정 프레임(210)의 회전축(211)에 결합되고, 타측 절개부에 고정 수단(223)이 형성되며, 이의 중심점(C)에서 방사상으로 복수의 유격 조절홀(225)이 형성된다. 이때, 고정 수단(223)은 볼트와 너트로 이루어지는 것이 바람직하며, 후크, 클램프 등에 의해 고정될 수도 있다.

가이드 롤러 부재(230)는 일측에 가이드 롤러(231a)가 회전 가능하도록 설치되고, 가이드링(220)에 볼트로 고정되는 본체(231)와, 본체(231)의 저면에 가이드링(220)의 유격 조절홀(225)에 삽입되는 연결 블록(233)과, 연결 블록(233)의 저면에서 볼트에 의해 고정되는 이탈 방지판(235)으로 구성된다. 이때, 연결 블록(233)은 이의 높이가 가이드링(220)의 유격 조절홀(225)의 높이와 동일하고, 이의 폭과 길이가 가이드링(220)의 유격 조절홀(225)의 폭과 길이보다 더 작게 형성되어 유격 조절홀(225) 내에서 전후 또는 좌우로 이동되어 도 6에 도시된 바와 같이 해상 구조물(20)의 관경 변화에 대응되도록 한다. 또한, 가이드 롤러(231a)는 해상 구조물(20)의 외측과 점 또는 면접촉되도록 중앙부에서 외측으로 갈수록 그 지름이 확대되는 형태로 형성된다.

이하, 본 발명에 따른 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 해상 구조물(20)의 연직 거리(L)에 따라 기둥(100)에서 가이드 웨이(200)의 거리를 조절한다.

그런 다음, 가이드링(220)의 고정 수단(223)을 해제한 후 힌지(221)를 중심으로 회전시킨 상태에서 해상 구조물(20)을 인양 장비로 인양하여 가이드링(220) 내에 삽입한다.

이러한 상태에서, 해상 구조물(20)의 관경에 따라 가이드링(220)에서 가이드 롤러 부재(230)의 위치를 조절한다. 이때, 볼트를 풀러 본체(231)를 가이드링(220)에서 이격시킨 다음, 연결 블록(233)의 위치(상하좌우)를 조절한 상태에서 다시 볼트를 조여 본체(231)를 가이드링(220)에 고정시킨다.

그리고, 다시 가이드링(220)의 고정 수단(223)을 고정하여 가이드 롤러(231a)를 해상 구조물(20)의 외측에 면접시킨다.

이러한 상태에서 해상 구조물(20)이 항타식, 유압 타압식, 석션 방식 등으로 설치된다.

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.

100 : 기둥 200 : 가이드 웨이
210 : 고정 프레임 220 : 가이드링
230 : 가이드 롤러 부재

Claims (6)

1. 삭제
2. 해상 풍력 발전용 해상 구조물을 수중에 관입시 상기 해상 구조물을 가이드하도록 해상 구조물을 이동 및 설치하는 설치 선박에 설치되는 가이드 장치에 있어서,
   상기 가이드 장치는,
   상기 설치 선박에 수직으로 설치되는 기둥과;
   일측에 회전축이 형성되고, 타측이 상기 기둥에 고정되는 고정 프레임과, 2개로 분할되는 링형태로 형성되되, 일측 절개부에 힌지가 형성되어 상호 치합된 상태에서 상기 고정 프레임의 회전축에 결합되고, 타측 절개부에 고정 수단이 형성되며, 이의 중심점에서 방사상으로 복수의 유격 조절홀이 형성되는 가이드링과, 상기 가이드링의 유격 조절홀에 결합되고, 상기 해상 구조물을 가이드하는 가이드 롤러 부재로 구성되는 가이드 웨이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 고정 프레임은,
   상기 해상 구조물의 길이에 따라 연직 거리(L)를 상기 기둥에서 조절하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 가이드 롤러 부재는,
   일측에 가이드 롤러가 회전 가능하도록 설치되고, 상기 가이드링에 볼트로 고정되는 본체와;
   상기 본체의 저면에 상기 가이드링의 유격 조절홀에 삽입되는 연결 블록; 및
   상기 연결 블록의 저면에서 볼트에 의해 고정되는 이탈 방지판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 연결 블록은,
   이의 높이가 상기 가이드링의 유격 조절홀의 높이와 동일하고, 이의 폭과 길이가 상기 가이드링의 유격 조절홀의 폭과 길이보다 더 작게 형성되어 상기 유격 조절홀 내에서 전후 또는 좌우로 이동되어 상기 해상 구조물의 관경 변화에 대응되도록 하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 가이드 롤러 부재의 가이드 롤러는,
   상기 해상 구조물의 외측과 점 또는 면접촉되도록 중앙부에서 외측으로 갈수록 그 지름이 확대되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력 발전용 해상 구조물의 설치시 수직도 향상을 위한 가이드 장치.

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