KR101202156B1 - 수상 부유 풍력 발전기 - Google Patents

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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 풍력 발전기를 지지하는 수상 부유 본체가 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 안정적으로 부력을 받도록 하는 수상 부유 풍력 발전기에 관한 것으로서, 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥과 상기 기둥의 상부에 설 치된 발전기 하우징, 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수개의 날개들을 포함하는 풍력 발전기; 수면 위에 부유할 수 있도록 내부에 중공부가 형성된 수상 부유 본체; 상기 중공부에 해수가 유입되더라도 별도의 부력을 발생시키도록 상기 중공부에 공기를 수용하는 수용부; 상기 수상 부유 본체의 상면에 위치하여 상기 기둥이 설치되는 구조물 지지대; 상기 수상 부유 본체의 하면에 결합 된 받침대;를 포함하고, 무게중심이 부력중심보다 하방에 위치하도록 상기 받침대는 상기 구조물 지지대와 상기 부유 본체의 두께보다 두껍고 무겁게 제작되는 것을 특징으로 한다.

Description

수상 부유 풍력 발전기 {Floating windgenerator}
본 발명은 수상 부유 기초 구조물에 관한 것으로서, 특히 풍력 발전기를 지지하는 수상 부유 본체가 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 안정적으로 부력을 받도록 하는 수상 부유 풍력 발전기에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람이 지니고 있는 에너지를 우리가 유용하게 사용할 수 있는 전기 에너지로 바꿔주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력 발전기의 날개를 회전시키고, 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다. 풍력 발전기는 풍속이 세고 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에, 바람의 세기와 풍차의 크기가 클수록 그 발전량이 많다.
현재 사용하고 있는 석탄, 석유 등 화석연료는 재생 불가능한 에너지원으로 점차 고갈되고 있으며, 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 문제시되고 있다. 최근 이러한 문제들에 대한 대체 에너지원으로 무공해 풍력발전이 더욱 각광받고 있다.
육상 풍력 발전의 발달로 인하여 풍력 터빈이 대형화되었는데 이로 인해 부지가 넉넉하지 않은 국내에서는 설치 장소의 한계가 드러나게 되었다. 육상의 풍력 발전기 설비는 설치비가 비싸므로 풍력을 효과적으로 사용하기 위해 설비 간의 넓은 이격 거리가 필요하다. 부지의 구입이나 임대비용이 많이 드는 국내에서는 육상 풍력 발전기 설비 시 필요한 이격 거리를 확보하는데 어려움이 많이 따르고 있다. 또한 바람이 많이 부는 지역은 한정적이고 제한되어있다. 더욱이 국내에서 바람이 많이 부는 지역은 주로 산간 오지의 산마루 지점이기 때문에 기초 공사가 어려울 뿐 아니라 평지에서부터 산간 오지까지 설치하는데 필요한 도구의 수송이 어렵다. 산간지역은 고도가 높고 경사가 가파르기 때문에 설치과정 역시 복잡하고 어렵다.
이에 비해 해상 풍력 발전기의 경우, 부지 확보의 한계성이 없기 때문에 바다 위의 대규모 풍력 발전 단지의 조성이 가능하다. 또한 해상은 풍속이 빠른 바람이 주기적으로 불어올 뿐 아니라 해상에는 높은 빌딩이나 산맥 등의 장애물이 없기 때문에 바람의 난류, 높이, 방향에 따른 풍속의 변화가 적다. 이러한 이유 때문에 유사 조건의 육상 풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있다.
하지만, 풍력 발전을 풍질이 좋은 먼 바다에 세우는데 있어서 여러 문제점들이 발생한다. 기상변화로 인한 강한 풍량과 거친 파도가 발생시에는 부력이 좁은 기둥 형상의 부유 구조물이 심하게 흔들려 풍력 발전기의 자재들이 손상되는 문제점이 있다. 풍력 발전기의 기둥에 방사형으로 연결 배치된 프레임 부재들과 상기 프레임에 부력 부재를 결합한 부유 구조물이 해상에 설치되어 발전기를 가동하였으나 거친 파도에 의한 부력부의 이탈 및 파손과 해상에서 풍력 발전기를 유지 관리에 있어 여러 문제점들이 발생한다. 부력부의 부분 이탈로 부유 구조물이 중심을 잡지 못 하거나 관리자가 이동 및 작업하는 공간이 협소하여 바다에 빠지는 사고가 발생한다.
상기 문제들을 해결하기 위하여 본 발명은 부력을 크게 하여 수상에 안전하게 부유할 수 있는 새로운 타입의 수상 부유 기초 구조물을 이용하여 해상 풍력 발전기를 설치하는 것을 목적으로 한다.
기상변화로 인한 강한 풍량과 거친 파도가 발생하더라도 부력이 좁은 기둥 형상의 부유 구조물이 심하게 흔들려 풍력 발전기의 자재들이 손상되지 않는 수상 부유 풍력 발전기를 설치하는 것을 목적으로 한다.
거친 파도에 의한 부력부의 이탈 및 파손과 해상에서 풍력 발전기를 유지 관리에 있어 발생하는 여러 문제점들을 해결한다.
부력부의 부분 이탈로 부유 구조물이 종심을 잡지 못하거나 관리자가 이동 및 작업하는 공간이 협소하여 바다에 빠지는 사고를 해결한다
상기 문제들을 해결하기 위하여 본 발명은 부력을 크게 하여 수상에 안전하게 부유할 수 있는 새로운 타입의 수상 부유 기초 구조물을 이용하여 해상 풍력 발전기를 설치하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 수상 부유 기초 구조물을 가진 수상 부유 풍력 발전기는, 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥과 상기 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징, 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들을 포함하는 풍력 발전기; 수면 위에 부유할 수 있도록 내부에 중공부가 형성된 수상 부유 본체; 상기 중공부에 해수가 유입되더라도 별도의 부력을 발생시키도록 상기 중공부에 공기를 수용하는 수용부; 상기 수상 부유 본체의 상면에 위치하여 상기 기둥이 설치되는 구조물 지지대; 상기 수상 부유 본체의 하면에 결합 된 받침대; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 수상 부유 기초 구조물을 가진 수상 부유 풍력 발전기는, 구조물 지지대와 수상 부유 본체의 두께보다 두껍게 제작되어 상기 수상 부유 구조물의 부력중심 보다 상기 수상 부유 구조물의 무게중심이 아래로 내려가 상기 수상 부유 구조물이 수면 위로 뜰 수 있게 해주는 받침대; 상기 수상 부유 본체의 이동을 막기 위해 상기 수상 부유 본체와 연결된 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 수상 부유 기초 구조물을 가진 수상 부유 풍력 발전기는, 상기 고정부의 일단부는 앵커로 마련되어 해저면에 고정되고 상기 본체에는 상기 고정부의 타단부와 연결되는 연결부; 수상 부유 본체의 보조 부체 역할을 하도록 고무재질로 만들어진 공기 주머니를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수상 부유 풍력 발전기에 있어서, 기상변화로 인한 강한 풍량과 거친 파도가 발생하더라도 부력이 좁은 기둥 형상의 부유 구조물이 심하게 흔들려 풍력 발전기의 자재들이 손상되지 않고 안정적으로 중심을 잡고 부유하는 수상 부유 풍력 발전기를 해상에 설치할 수 있다.
거친 파도에 의한 부력부의 이탈 및 파손되어 해상에서 풍력 발전기를 유지 관리하는 어려움을 해결 할 수 있다.
부력부의 부분 이탈로 부유 구조물이 중심을 잡지 못하거나 관리자가 이동 및 작업하는 공간이 협소하여 바다에 빠지는 사고를 해결 할 수 있다.
제 1도는 본 발명의 수상 부유 풍력 발전기의 결합 사시도.
제 2도는 본 발명의 수상 부유 풍력 발전기의 분해 사시도.
제 3도는 본 발명의 수상 부유 기초 구조물의 부분 절개 사시도.
제 4도는 본 발명의 수상 부유 기초 구조물의 단면도.
제 5도는 본 발명의 다른 수상 부유 풍력 발전기 실시예의 결합 사시도.
본 발명에 따른 목적을 달성하기 위해 바다 위에 수상 부유 기초 구조물을 설치하고 그 위에 풍력 발전기를 설치한다. 본 발명인 수상 부유 기초 구조물은 기존의 육상 풍력 발전기나 바다 바닥에 직접 풍력 발전기의 기둥이 고정되어 설치되는 종래의 해상 풍력 발전기 보다 더 효율적인 전력 에너지 생산을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 수상 부유 풍력 발전기의 구성 및 작용 효과에 대해 상세히 설명한다.
도1은 수상 부유 풍력 발전기의 결합 사시도이고, 도2는 수상 부유 풍력 발전기의 분해사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수상 부유 풍력 발전기는 기둥(110), 발전부(120)로 이루어진 풍력 발전기와 본체(210), 구조물 지지대(220), 받침대(230), 고정부(300)로 이루어진 수상 부유 구조물로 구성된다.
풍력 발전기는 크게 날개와 하우징을 지지해 줄 기둥(110)과 날개와 하우징을 포함하는 발전부(120)로 구성된다. 복수개의 날개들은 바람개비 형상으로 하우징에 부착되어있으며 바람에 의해 회전이 가능하다. 풍력 발전기의 기둥(110)은 발전부(120)가 높은 위치에서 풍질 좋은 바람을 이용하여 발전량을 극대화 할 수 있도록 발전부(120)를 높은 위치에서 지지해준다.
구조물 지지대(220)는 수상 부유 기초 구조물 위에 기둥(110)과 발전부(120)를 설치하기 위한 지지대이다. 구조물 지지대(220)는 수상 부유 본체(210)의 상면과 발전부(120)의 하면 사이에 위치하며 금속이되, 부력을 크게 할 수 있는 밀도가 작은 금속으로 제작된다. 상기 수상 부유 본체(210)의 중심부에 결합 되어있으며 상기 구조물 지지대(220)의 윗면은 결합 될 기둥(110)의 결합 방법에 맞춰 결합 부분의 구조를 달리할 수 있다. 도2를 참고하면, 수상 부유 기초 구조물과 풍력 발전기 사이의 결합은 풍력 발전기 자체의 무게를 고려하여 블록 조립 방법으로 연결되어 구조물 지지대(220)의 윗면은 돌출부(225)를 포함한다. 염이 많아 부식이 쉽게 되는 바닷가에 수상 부유 구조물이 설치되는 것을 고려하여 수상 부유 본체(210)와 구조물 지지대(220)는 틈새 없이 일체형으로 결합 된다.
수상 부유 본체(210)는 밑면이 크고 높이가 아주 낮은 평판 형상의 원통으로 제작된다. 수상 부유 기초구조물 상면에 기둥(110)과 발전부(120)로 구성된 풍력 발전기가 설치될 때, 상기 풍력 발전기에 의해 내려가는 부력중심의 이동을 최소화하여 수면 위에 안정적으로 부유할 수 있도록 상기 수상 부유 본체(210) 밑면의 면적을 넓게, 높이를 낮게 제작하였다. 상기 수상 부유 본체(210)는 부력을 최대화하기 위해 부피가 크며 넓은 단일 부력재로 제작된다. 또한 비중을 최소화하기 위해 내부는 중공상태를 유지하도록 제작된다. 상기 수상 부유 본체(210) 내부에는 본체가 부식되어 상기 수상 부유 본체(210)의 중공부에 해수가 유입되더라도 별도의 부력을 발생시킬 수 있도록 공기를 수용할 수 있는 수용부(250)가 설치된다.
수용부(250)는 상기 수상 부유 본체(210)보다 부피가 작고 형태는 같게 제작되어 상기 수상 부유 본체(210)의 내부에 설치가 가능하다. 상기 수용부는 고무재질로 제작된 공기 주머니로 상기 수상 부유 본체의 보조 부체의 역할을 한다.
수상 부유 본체(210)의 하면에는 원통형의 받침대(230)가 결합된다. 상기 받침대(230)는 수상 부유 구조물의 부력을 크게 하여 풍력 발전기의 무게를 감당할 수 있게 한다. 부력은 유체 속에 물체가 담겨졌을 때 대체된 유체의 무게와 같은 크기의 힘이며 중력의 작용 방향과 반대 방향으로 작용한다. 상기 받침대(230)가 수면 아래에 잠기면서 중력과 반대 방향으로 작용하는 부력이 작용하는데 이 부력에 의해 수상 부유 풍력 발전기가 수면 위에 부유할 수 있게 된다. 부력을 결정하는 요인은 물체의 무게가 아니라 부피이며 부력의 크기는 물체를 대체 한 유체의 무게와 같다. 그러므로 수상 부유 풍력 발전기의 받침대(230)와 수상 부유 본체(210)의 부피를 크게 함으로서 부력을 크게 할 수 있다.
일반적으로 어떠한 물체가 수면 위에 부유하는 상태를 유지하기 위해서는 그 물체의 부력중심 보다 그 물체의 무게중심이 아래 부분에 위치해야 한다. 부력중심이 무게중심 아래에 위치하면 토크가 발생해 물체가 중심을 잡지 못한다. 수상 부유 풍력 발전기의 구성요소들을 비중이 작은 물질로 제작하고 부력의 크기가 물체에 작용하는 중력보다 크게 하여 수면 위로 물체를 부유시켜야 한다. 상기 받침대(230)는 수상 부유 풍력 발전기가 수면 위에 부유할 때, 수상 부유 풍력 발전기의 무게중심을 아래 방향으로 내려주어 수상 부유 풍력 발전기가 부유하기 쉽게 뒷받침한다. 또한 받침대(230)가 수상 부유 본체(210)의 하면에 부착될 때, 수상 부유 본체(210)의 무게중심과 상기 받침대(230)의 무게중심이 수직선상에 일치하여 토크가 발생하지 않도록 상기 받침대(230)를 상기 수상 부유 본체(210)의 중심부에 결합시킨다.
수상 부유 본체(210)의 옆면 가장자리에는 고정부(300)의 갈고리 형상의 연결부와 연결 될 제1연결부(240)가 일정한 간격으로 복수 개 설치되어있다. 고정부(300)는 수상 부유 풍력 발전기의 위치를 고정한다. 복수 개의 고정부(300)들은 와이어로 제작된 로프이며 양쪽 끝에는 각각의 연결부를 가진다. 고정부(300)의 일단부는 해저면 바닥에 연결될 앵커(320)로 구성되고 타단부는 상기 제1연결부(240)와 연결될 갈고리 형상의 제2 연결부(330)로 이루어진다. 수상 부유 구조물이 거센 파도, 바닷물의 흐름, 해풍에 의해 이동하는 것을 방지하기 위해 복수 개의 고정부(300)들은 수상 부유 풍력 발전기의 위치를 고정시킨다.
도3은 본 발명 중 수상 부유 풍력 발전기에서 고정부(300), 기둥(110), 발전부(120)를 제외한 수상 부유 기초구조물 일부의 절개 사시도로 수상 부유 본체(210) 내부에는 수상 부유 본체(210)의 형태가 같고 크기가 작은 수용부(250)가 포함되어 있는 것을 도시한다. 도4는 본 발명 중 수상 부유 풍력 발전기에서 고정부(300), 기둥(110), 발전부(120)를 제외한 수상 부유 기초 구조물의 단면도로 수상 부유 본체(210)와 수용부(250) 사이는 중공부인 것을 도시한다. 도3과 도4를 참고하면, 수상 부유 본체(210)의 내부 구성을 잘 이해할 수 있다.
수상 부유 본체(210)의 내부는 중공과 고무재질로 된 공기를 수용할 수 있는 공기주머니 형태의 수용부(250)를 포함하고 있다. 상기 수용부(250)는 공기를 수용하며 공기입자를 밀봉하여 상기 공기입자가 수용부(250) 밖으로 확산되어 빠져 나가는 것을 막는다. 상기 수용부(250)는 상기 수상 부유 본체(210)와 함께 이중부체로 작용하며 특히 수상 부유 본체(210)에 크랙이 생겨 상기 수상 부유 본체(210) 내부의 중공부에 바닷물이 유입되더라도 수상 부유 풍력 발전기의 부력을 유지할 수 있는 보조 부체로 작용할 수 있다.
수상 부유 본체(210)의 자체는 철판, 합성수지, 콘크리트 등을 이용하여 만들어진 단일 부력재로 제작되며 수상 부유 본체(210)가 균일한 밀도와 부피를 갖게 하여 부력이 한 군데에 집중되지 않고 상기 수상 부유 본체(210)에 골고루 분산될 수 있도록 한다.
본 발명의 상기 도면들에서는 수상 부유 본체(210)의 형태가 원반형으로 된 것을 도시하였으나, 이는 본 발명을 구현하는 일예에 불과하며, 그 밖에도 사각형, 오각형, 육각형 등의 다양한 다각형 형태의 평판을 밑면으로 갖는 입체통 형상의 수상 부유 본체(210)를 제작할 수 있다.
수상 부유 본체(210) 하면 중심부에 일체형으로 결합되있는 받침대(230)의 경우, 수상 부유 풍력 발전기의 무게중심이 부력중심의 아랫부분에 위치하도록 하기 위해 상기 수상 부유 본체(210)나 상기 구조물 지지대(220)의 두께보다 두껍게 설계된다. 도1 에서는 받침대(230)의 형태가 원통형으로 된 것을 도시하였으나, 이는 본 발명을 구현하는 일예에 불과하다.
도5은 본 발명의 다른 실시예로 상기 받침대(230)에 구멍을 뚫어놓은 형상을 도시한 결합 사시도이다. 상기 받침대(230)는 자체 부피와 밀도가 커서 수면 아래에서 흐르는 바닷물의 흐름에 대한 방해물이 될 수 있다. 이 때문에 수상 부유 풍력 발전기는 중심을 잡지 못하고 흔들리거나 위치를 이탈하는 경우가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 원통형 받침대(230)를 관통하는 복수 개의 작은 구멍(235)을 뚫으면 바닷물의 흐름에 의한 저항을 작게 하여 수상 부유 풍력 발전기의 흔들림을 방지할 수 있다.
구조물 지지대(220) 위에 설치되는 풍력 발전기(100)의 기둥(110)은 수직높이가 매우 길기 때문에 해양의 거센 바람과 파도에 의해 변형력이 생긴다. 도6을 참고하면, 이러한 힘에 의한 상기 풍력 발전기(100) 기둥(110)의 휘어짐 현상을 방지하기 위하여 풍력 발전기(100)의 기둥(110)과 수상 부유 본체(210)를 지지부들(400)을 통해 연결한 것을 볼 수 있다. 본 발명에서 지지부(400)는 와이어로 이루어진 로프이다. 상기 지지부(400)의 일단부(420)는 상기 수상 부유본체와 고리 연결되고 타단부(430)는 풍력 발전기의 기둥(110)과 고리 연결되므로 상기 지지부(400)의 양쪽 끝은 모두 갈고리 형상의 고리로 구성된다. 풍력 발전기와 수상 부유 본체(210)는 지지부(400)에 의해 연결되며 풍력 발전기의 휘어짐을 방지하고 기둥(110)의 강성을 보강해준다. 상기 풍력 발전기(100)의 기둥(110)에 여러 개의 고리(120)를 설치하여 바람이 불어오는 방향의 변화에 따라 지지부(400)의 위치를 바꿀 수 있다. 바람과 마주한 쪽에 풍력 발전기와 기둥(110) 사이에 지지부를 연결하면 수상 부유 본체(210)를 연결하면 바람에 의해 상기 풍력 발전기(100)의 기둥(110)의 변형력을 줄일 수 있다.
110: 풍력 발전기의 기둥
120: 풍력 발전기의 발전부
210: 수상 부유 기초 구조물의 구조물 지지대
220: 수상 부유 기초 구조물의 수상 부유 본체
230: 수상 부유 기초 구조물의 받침대
240: 고정부와 연결되는 제1 연결부
250: 수상 부유 본체 내부에 설치된 수용부
300: 고정부
310: 고정부의 로프
320: 앵커
330: 갈고리 연결부
400: 지지부
410: 지지부의 로프
420: 지지부의 일단부
430: 지지부의 타단부

Claims (5)

  1. 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥과 상기 기둥의 상부에 설 치된 발전기 하우징, 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수개의 날개들을 포함하는 풍력 발전기;
    수면 위에 부유할 수 있도록 내부에 중공부가 형성된 수상 부유 본체;
    상기 중공부에 해수가 유입되더라도 별도의 부력을 발생시키도록 상기 중공부에 공기를 수용하는 수용부;
    상기 수상 부유 본체의 상면에 위치하여 상기 기둥이 설치되는 구조물 지지대;
    상기 수상 부유 본체의 하면에 결합 된 받침대;를 포함하고,
    무게중심이 부력중심보다 하방에 위치하도록 상기 받침대는 상기 구조물 지지대와 상기 부유 본체의 두께보다 두껍고 무겁게 제작되는 것을 특징으로 하는 수상 부유 풍력 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수상 부유 본체의 이동을 막기 위해 상기 수상 부유 본체와 연결된 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수상 부유 풍력 발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수상 부유 본체의 보조 부체의 역할을 하도록 상기 수상 부유 본체의 수용부는 고무재질의 공기 주머니로 마련하는 것을 특징으로 하는 수상 부유 풍력 발전기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 고정부의 일단부는 앵커로 마련되어 해저면에 고정되고, 상기 본체에는 상기 고정부의 타단부와 연결되는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수상 부유 풍력 발전기.
  5. 삭제
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