KR101170589B1 - 부유식 풍력 터빈 장치 - Google Patents

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핀 군나르 닐센
토르 다비드 핸슨
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Abstract

본 발명은 부유식 풍력 터빈 장치를 조정하는 조정 방법에 관한 것이다. 풍력 터빈 장치는 부양체(1), 부양체 위에 배치된 타워(2), 타워에 장착되고 풍향에 따라 회전 가능하며 윈드 로터(4)가 조립되는 발전기 하우징(3), 및 해저 상의 앵커 또는 고정 지점에 연결되는 앵커 라인 장치(5)를 포함한다. 풍력 터빈 상의 최대 풍력 부하에서의 정적 기울기(φs_max)는 가능한 한 작게 설정되지만, 바람직하게는 8 도 미만이고, 장치에 있어서의 모든 고유주기는 파동의 주기 범위를 벗어나 있다. 피치(롤)의 고유주기[T05(T04)]는 히브의 고유주기(T03)의 80 % 미만인 것이 바람직하다. 또한, T03/T05의 비율이 0.5 또는 1에 근접하지 않는다.

Description

부유식 풍력 터빈 장치{FLOATING WIND TURBINE INSTALLATION}
본 발명은 부유식 풍력 터빈 장치와, 이러한 부유식 풍력 터빈 장치의 유체정역학적 특성 및 유체동역학적 특성을 조정하는 조정 방법에 관한 것이다. 상기 풍력 터빈 장치는 부양체, 부양체 위에 배치된 타워, 타워에 장착되고 풍향에 따라 회전 가능하며 윈드 로터가 조립되는 발전기 하우징, 및 해저 상의 앵커 또는 고정 지점에 연결되는 앵커 라인 장치를 포함한다.
상당한 깊이에서 사용 가능한 고정된 부유식 풍력 터빈의 개발은, 바다에서의 풍력 에너지의 증가와 관련된 영역에 대한 접근성을 크게 향상시킬 것이다. 바다에 위치하는 풍력 터빈에 대한 현재의 기술은, 약 30 m 미만의 낮은 깊이에 타워를 영구적으로 설치하는 것에 한정되어 있다.
30 m를 초과하는 깊이에 영구적으로 설치하는 것은, 기술적인 문제 및 상당한 비용을 발생시킨다. 이는, 현재까지 풍력 터빈의 설치에 있어서 약 30 m를 초과하는 바다 속 깊이는 기술적으로 그리고 경제적으로 유리하지 않다는 것을 의미하였다.
더 깊은 바다 속 깊이에서 부유식 해법을 이용하면, 기초의 문제 및 복잡하고 노동집약적인 설치와 관련된 비용의 발생을 피할 수 있다.
이와 관련하여, 부유식 해법을 개발하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 기술적으로 만족스러운 동시에 경제적으로 실용적인 해법을 찾기는 어렵다.
본 발명은, 해당 개념이 경제적인 측면에서 관심의 대상이 되도록 하기 위한 만족스러운 기술적 해법과 충분히 저렴한 비용을 제시하는 재료의 사용, 형상과 치수 설계, 그리고 구조적 해법의 조합을 달성할 수 있도록 하는 해결책을 제시한다.
상기 개념은, 본래 파도 상에서 작은 움직임을 갖도록 구성된 부유식 풍력 터빈 장치용 부양체를 길고(깊고) 가늘며 바람직하게는 원통형으로 하는 해결책에 기초한다. 다른 전제 조건은 타워 및 터빈의 중량과 관련되는 큰 변위이다. 이는, 요구되는 동적 특성 및 안정성과 관련하여 질량 및 중량 분포를 보정할 수 있도록 하기 위해서 필요하다.
깊게 침치되는 구조체에서 요구되는 큰 변위 및 큰 강도는, 본 발명에 따라 수면 아래의 원통형 부분에 콘크리트를 이용함으로써 간단하고 비용 효과적인 방식으로 달성될 수 있다. 콘크리트는 저렴한 재료이다. 일련의 생산을 위해 건조(建造) 방법을 조직하고 체계화함으로써, 노동 비용은 크게 절감된다.
전체 비용을 절감하기 위한 또 하나의 중요한 전제 조건은, 각각의 터빈을 바다에서 설치할 때 고가의 보조 용기를 사용하는 대규모 작업을 배제할 필요가 있다는 점이다. 이는, 터빈 전체를 견인하여 완전히 조립할 수 있으며 간단한 앵커 시스템을 이용하여 고정할 수 있게 됨으로써 달성된다.
조립 및 작동은 영구적인 설치 장비를 갖춘 안전한 건조 장소에서 행해질 수 있다. 이는, 건조 장소로부터 설치 장소까지 충분한 흘수(吃水)를 갖는 견인 루트가 존재하는 것을 조건으로 한다. 이는 특히 노르웨이의 경우에 그러하며, 이전에 대형 콘크리트 플랫폼에 사용되었다.
본 발명에 따른 조정 방법은, 부유식 풍력 터빈 장치에 있어서의 모든 고유주기는 파동 에너지가 큰 주기의 범위를 벗어나 있도록 상기 부유식 풍력 터빈 장치를 배치하는 단계를 포함한다. 히브(heave)의 고유주기(T03)와 피치(롤)의 고유주기[T05(T04)]는 피치(롤)의 고유주기가 바람직하게는 히브의 고유주기의 80 % 미만이라는 점에서 서로 충분한 차이가 있다. T03/T05의 비율은, 첨부된 독립 청구항 1에 기술된 바와 같이 0.5 또는 1에 근접하지 않아야만 한다. 바람직하게는, 풍력 터빈 상의 최대 풍력 부하에서의 정적 기울기(φs_max)는 가능한 한 작아야만 하며, 더욱 바람직하게는 8 도 미만이어야만 한다.
또한, 본 발명에 따른 부유식 풍력 터빈 장치는, 첨부된 독립 청구항 4에 기술된 바와 같이, 부양체가 길고 가는 콘크리트 구조체를 포함하고 타워는 강(鋼)제 구조체를 포함한다는 점을 특징으로 한다. 부양체와 타워는 원통형인 것이 바람직하다.
종속 청구항은 본 발명의 유리한 특징을 한정한다.
도 1은 부유식 풍력 터빈 장치의 구조를 도시하고 있다.
도 2는 부양체의 하부 구조와 관련된 변형례를 적용한 풍력 터빈 장치의 단순화한 입면도이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명할 것이다.
부유식 풍력 터빈 장치는 주로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상부에 풍력 터빈이 장착된 하이타워(2; high tower)를 지지하는 고정된 부유식 기초부 또는 부양체(1)를 포함하며, 발전 유닛(도시 생략) 및 이 유닛과 연결되게 배치되는 로터(4)를 둘러싸는 발전기 하우징(3)을 포함한다. 중요한 고려사항은, 부유식 기초부가 파도와 함께 움직인다는 점인데, 이는 본질적으로 터빈의 작동 및 타워에 가해지는 부하와 관련하여 부정적인 요인이다. 또한, 다른 고려사항은, 풍력 터빈 장치가 제한된 안정성 때문에 바람에 의해 힘이 가해질 때 기울어진다는 점이다.
부유식 풍력 터빈 장치의 개발과 관련된 주요한 난제는, 결과적으로, 요동을 최소화하고 최적의 안정성을 획득하면서도 비용을 저렴하게 유지하는 것이다.
비용은 장치의 크기와 관련된다. 따라서, 일반적으로 재료 소모를 최소화하는 개념을 구현하고자 노력하게 된다
파도에 의해 유발된 움직임을 최소화하고 작은 크기를 구현하기 위한 최선의 해결책은, 원통형 수중 본체를 포함하는 것이 바람직한 깊고 가는 부양체를 이용하는 것이다. 이러한 개념은 2가지 특징적인 운동, 즉 히브와 피치(롤)를 갖는다. 히브는 온전히 수직 운동이며, 피치(롤)는 대략 전체 장치의 무게 중심을 회전 중심으로 하는 회전 운동이다. 롤과 피치 각각은 직교하는 고유한 수평축을 중심으로 발생한다. 큰 히브 및 피치 운동을 피하기 위해서는, 파동 에너지가 큰 영역을 벗어나도록 고유주기를 설정하는 것이 중요하다. 실제로, 이것은 2가지 운동 모드의 고유주기가 23 내지 24 초를 초과해야만 한다는 것을 의미한다. 동시에, 2가지 운동이 연동되는 것을 피하기 위해 2가지 고유주기는 서로 상당한 차이가 있어야 한다.
작동 중인 터빈에 대한 기울기 각도를 작게 하기 위해 양호한 안정성이 요구된다. 변위와 무게 중심에 의해 안정화 효과가 발휘된다. 변위가 크고 무게 중심이 낮으면 큰 복원력(corrective force)이 발생하고, 결과적으로 풍력 부하 하에서 기울기 각도가 작아진다. 그러나, 안정성이 크면 피치(롤)의 주기가 작아진다. 만족스러운 피치(롤) 운동과 관련하여 최고의 안정성을 얻기 위해, 본 발명에 따른 개념은 피치(롤)의 주기가, 파동 에너지가 큰 대략 25 내지 26 초의 범위를 약간 초과하도록 구성된다. 히브와 피치(롤)의 연동을 피하기 위해, 히브의 주기는 피치(롤)의 주기보다 충분히 커야만 하고, 대략 30 내지 31초이다.
다른 고려사항은 타워의 치수를 정하는 것이다. 타워 강성을 최대화하기 위해, 타워는 물의 표면을 통과하는 하부의 직경이 커야만 한다.
히브 주기는 타워의 수면에서의 면적과 변위 사이의 비율이다. 따라서, 30초의 히브 주기를 얻기 위해서는 특정 변위가 요구된다. 치수와 밸라스트의 올바른 조정은 치수 계산 및 동특성 해석을 비롯한 요인 분석(parameter study)에 의해 이루어졌다.
따라서, 부유식 풍력 터빈 장치는 정적 특성 및 동적 특성 양자에 대한 요구조건이 만족되도록 구성되어야만 한다. 상기 요구조건은 특히 수직 변위 및 수직 운동(히브)과 수평축을 중심으로 한 회전, 즉 피치(롤) 사이의 상호작용과 관련된다. 다음은 전술한 내용을 기초로 하여, 요구조건들을 정리한 것이다.
변위(ρgV)는 구조체의 중량(Mg)과 앵커로부터의 수직방향 힘의 합력을 지탱할 정도로 충분히 커야만 한다.
1. 시스템은 충분한 정적 안정성(초기 안정성 및 "GZ 곡선" 아래의 면적)을 가져야만 한다.
2. 풍력 터빈 상의 최대 풍력 부하에서의 정적 기울기는 특정값(φs_max) 미만이어야만 하며, 가능한 한 작아야만 하고, 바람직하게는 8 도 미만이어야 한다.
3. 모든 고유주기는 파동의 에너지가 큰 주기 범위를 벗어난 범위에 속해야만 한다.
4. 히브의 고유주기(T03) 및 피치(롤)의 고유주기[T05(T04)]는 서로 상당한 차이가 있어야만 한다.
5. T03/T05의 비율은 0.5 및 1.0이 아니어야만 하고 0.5 및 1.0과 적정한 차이를 두어야 한다. 그렇지 않은 경우, 공명 운동의 매개 진동(parametric excitation)이 발생하게 된다.
일반적으로, 요구조건 1과 2는 만족되었다고 가정해야 한다. 위의 요구조건 3에 기초한 정적 기울기는 근사적으로 다음과 같이 구한다.
Figure 112008000467032-pct00001
[1]
본 명세서에서, 부양체는 폭에 비해 깊이가 훨씬 더 긴 수직방향의 컬럼 형상인 구조체라고 가정한다. zT는 로터의 축의 수직 좌표이다. zm은 고정 지점의 수직 좌표이다. 상기 고정 지점은 시스템의 무게중심에 가깝게 위치하며, 무게 중심의 수직 좌표는 zG이다. zB는 부력 중심의 수직 좌표이다. V는 부양체의 체적 변위이다. ρ는 물의 밀도이며, g는 중력가속도이다. 이제 요구조건 3은, GB=(zB-zG)를 크게 함과 동시에 충분히 큰 변위를 가져야만 한다는 것을 의미한다.
피치(및 등가의 롤)에 있어서의 고유주기는 근사적으로 다음과 같이 구한다.
Figure 112008000467032-pct00002
[2]
식[2]에서, I55 및 A55는 각각 시스템의 동적 회전축을 중심으로 한 질량 관성 모멘트 및 유체동역학적 관성 모멘트이다. 시스템의 동적 회전축은 zG 부근에 위치한다. 연동되는 요/피치 운동을 고려하면 더 정확한 값을 얻게 된다. 식[1] 및 식[2]로부터, 큰 강성(C55)은 기울기 각도를 작게 유지하는 데 기여하지만, 동시에 피치의 고유주기는 C55가 증가함에 따라 작아진다. 따라서, I55+A55를 충분히 크게 유지하여 T05가 파동의 주기와 겹치는 일이 없도록 하는 것을 목적으로 할 필요가 있다. 전술한 바와 같이 선체(hull)를 깊고 가늘게 하여 상기 목적을 달성할 수 있다.
히브에 있어서의 고유주기는 근사적으로 다음과 같이 구한다.
Figure 112008000467032-pct00003
[3]
식[3]에서, C33=ρAWLg이다. AWL은 수면에서의 면적이다. 또한, 앵커 라인의 수직 강성의 효과가 있다. M은 부양체의 질량이다. 길고 가는 부양체에 있어서, A33 ?M이다. 이는 변위가 크고 수면에서의 면적이 작으면 히브의 고유주기가 커진다는 것을 나타내고 있다.
이로부터, 변위가 충분히 큰 경우에 위의 요구조건 4 및 5는 조합될 수 있다고 결론지을 수 있다. 그러나, 변위가 커지면 비용이 증가한다. 따라서, 개략적으로 앞서 언급한 요구조건들을 만족시키기 위해 충분한 변위를 가지면서도 간단한 선체의 기하학적 형상을 허용하는 특성의 조합을 찾을 필요가 있다.
식[1]로 돌아와서 풍력 터빈의 로터 직경이 예컨대 100 m 정도이고 GB는 10 m 정도라고 가정하면, 정적 기울기가 0.1 라디안(5.7 도) 미만으로 유지되는 경우에 풍력 터빈으로부터 정지 추력(static thrust)의 100 배 정도의 변위가 필요하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 5 MW의 터빈을 이용하면 6000 내지 8000 톤 정도의 변위가 필요하다.
특정 변위에 있어서, 히브의 고유주기는 수면에서의 면적에 의해 제어된다. 수면에서의 면적은 상기 고유주기가 30 초에 가깝게 되도록 결정된다. 이는 피치의 고유주기가 파동의 주기와 히브의 고유주기 사이에 있도록 만들 수 있다. (노르웨이 해역의 경우, 파동에 대한 전형적인 주기의 범위는 약 4 초 내지 약 20 초이다.) 따라서, 위의 요구조건 4 및 5가 충족되고, 정적 기울기에 대한 요구조건이 충족된다.
피치의 고유주기는 22 내지 28 초의 범위에 속하도록 하고 또한 충분한 정적 안정성을 갖도록 하기 위해, GB값은 커야만 하는 반면 I55+A55는 충분히 작아서 22 초 < T05 < 28 초가 되도록 보장하는 것을 목표로 한다. 밸러스트(7)를 부양체의 부력 중심보다 약간 아래에 위치시킴으로써 이를 달성할 수 있다. 무게 중심의 위치 및 관성 모멘트에 대한 요구조건을 동시에 만족하도록 밸러스트를 위치시켜야만 한다.
전술한 내용에 기초하여, 부양체는 콘크리트 재질의 바람직하게는 원통형의 길고 가는 구조체로 제작되며 타워는 강 재질의 바람직하게는 원통형의 구조체로 제작되는 것이 특히 유리하다. 유리하게는, 부양체는 100 내지 150 m의 길이[흘수(吃水)]를 가질 수 있다.
부양체의 변위는, 도 2에 도시된 바와 같이 부양체의 기초부에 "립(lip)" 또는 반경방향 돌출부(6)를 도입함으로써 감소될 수 있다. 이러한 립(6)은 기초판(base plate)의 직경이 부양체의 나머지 부분의 직경보다 더 크게 되도록 구성될 수 있다. 이러한 립은 동특성에 대해 다음의 효과를 갖게 된다.
● 직립의 컬럼과 관련하여, 히브의 고유주기는 수직방향으로 유체동역학적 질량이 증가함에 따라 커지게 된다. 또는, 변위를 줄이면서도 히브에 대해 동일한 고유주기를 얻을 수 있다.
● 피치(롤)에 대한 관성 모멘트를 증가시키지 않으면서도 무게 중심을 낮게 유지할 수 있다. 이에 따라 자유롭게 피치(롤)의 고유주기를 유리한 값으로 설정하고, 정적 특성을 유지한다.

Claims (11)

  1. 부양체(1), 부양체 위에 배치된 타워(2), 타워에 장착되고 풍향에 따라 회전 가능하며 윈드 로터(4)가 조립되는 발전기 하우징(3), 및 해저 상의 앵커 또는 고정 지점에 연결되는 앵커 라인 장치(5)를 포함하는 것인 부유식 풍력 터빈 장치로서,
    부유식 풍력 터빈 장치에 있어서의 모든 고유주기는 파동 에너지가 큰 주기의 범위를 벗어나고, 히브(heave)의 고유주기(T03)와 피치 또는 롤의 고유주기[T05, T04]의 비율은 T05 또는 T04가 T03의 80 % 미만이며, T03/T05의 비율이 0.5 또는 1에 근접하지 않는 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부유식 풍력 터빈 장치는 피치의 고유주기가 22 내지 28 초의 범위이고 상응하는 히브의 고유주기는 30 내지 35 초의 범위가 되도록 치수와 중량 분포가 정해지는 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부양체(1)는 길고 가는 콘크리트 구조체로 이루어지며, 상기 타워(2)는 강(鋼)제 구조체로 이루어지는 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 길고 가는 콘크리트 구조체는 원통형인 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 강제 구조체는 원통형인 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 부양체(1)의 상부의 둘레를 넘어 연장되는 반경방향 돌출부 또는 립(lip)(6)이 상기 부양체의 하단에 설치되는 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 부양체의 길이는 100 내지 150 미터인 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 부양체(1)의 직경은 상기 타워(2)의 직경보다 큰 것인 부유식 풍력 터빈 장치.
  10. 부양체(1), 부양체 위에 배치된 타워(2), 타워에 장착되고 풍향에 따라 회전 가능하며 윈드 로터(4)가 조립되는 발전기 하우징(3), 및 해저 상의 앵커 또는 고정 지점에 연결되는 앵커 라인 장치(5)를 포함하는 것인 부유식 풍력 터빈 장치의 설계 방법으로서,
    부유식 풍력 터빈 장치의 모든 고유주기는 그 설치 장소에서 파동 에너지가 큰 주기의 범위를 벗어나 있도록 하고, 히브(heave)의 고유주기(T03)와 피치 또는 롤의 고유주기[T05, T04]의 비율은 T05 또는 T04가 T03의 80 % 미만이고, T03/T05의 비율이 0.5 또는 1에 근접하지 않도록, 부유식 풍력 터빈 장치의 치수와 중량 분포를 결정하는 단계를 포함하는 것인 부유식 풍력 터빈 장치의 설계 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 부유식 풍력 터빈 장치에서 피치의 고유주기가 22 내지 28 초의 범위이고 상응하는 히브의 고유주기는 30 내지 35 초의 범위가 되도록 상기 부유식 풍력 터빈 장치를 설계하는 것인 부유식 풍력 터빈 장치의 설계 방법.
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