KR101204992B1 - 부유식 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무시로 변하는 유속과 잦은 수위의 변동에도 자세가 반듯하게 유지되는 부유식 풍력발전기, 풍력발전과 함께 수력을 이용한 압축공기 생산도 가능한 부유식 풍력발전기를 제공하려는 것으로서,
하상이나 해저에 세운 말뚝의 상단에 원형 단면의 지주를 설치하고, 여기다 회전 가능한 슬리브를 끼워서 유속변화, 물의 흐름방향에 부력체가 순응하여 움직일 수 있게 하고, 상기 슬리브와 이 슬리브를 마주보는 풍력발전기의 부유체 면에 각기 상하로 일정하게 동일한 높이차를 두고 한 쌍의 브래킷을 일렬종대로 부착하고 위 아래 브래킷끼리 개별 링크로 연결하여 수위변동에 따른 부력체의 승강운동이 안정되도록 한 부유식 풍력발전기; 상기 부유체를 압축공기탱크로 하고, 이 부유체의 저면에 수차 일체형 공기압축기를 부착하며, 공기압축기의 토출구와 상기 압축공기탱크형 부유체의 주입구를 관으로 직결하여 수류에 수차가 회전하여 공기압축기를 가동, 이때 생산되는 압축공기를 상기 압축공기탱크형 부유체에 저장시켜 필요할 때마다 용도에 따라 간단히 인출해 사용할 수 있게 한 부유식 풍력발전기를 특징으로 한다.

Description

부유식 풍력발전기{FLOATING WIND TURBINE INSTALLATIONS}

본 발명은 유속과 수위변동이 있는 하천이나 강, 바다 등의 해수면 상에서 유속이나 수위변동에도 자세안정에 이로운 부유식 풍력발전기에 관한 것이다.

해수면에 띄워서 풍력을 이용해 전기를 생산하는 부유식 풍력발전기는 플랫폼형 부유체 또는 독립형 부유체 상에 타워를 세우고, 이 타워의 상단에 풍차가 딸린 나셀을 탑재한 것이다.

부유체는 유속에도 제위치를 지키고 수위변동에 능동적으로 대처할 수 있도록 하상이나 해저에 박힌 앵커에 로우프나 쇠사슬 따위의 인장재로 고정하게 된다.

하지만, 유속이 빠를수록, 수위변동이 잦고 수위차가 클수록 인장재가 받게 될 부하가 커지고, 부유식 풍력발전기 전체의 자세도 불안정해질 개연성도 높다.

부유식 풍력발전기의 자세가 불안정하고 이런 상태가 지속되면 부유체와 풍력발전기의 수명이 단축될 우려가 있고, 풍차가 바람을 제대로 맞이하지 못해서 발전효율이 저하될 가능성도 있으며, 로우프나 쇠사슬의 절단으로 인한 풍력발전기의 유실 우려도 있다.

한편, 통상의 부유식 풍력발전기는 오로지 풍력만을 이용하여 전기를 생산할 뿐 담수나 해수의 유속을 이용한 수력발전 또는 수력압축공기는 생산할 수 없다.

이런 점에서 해수면 상에서의 부유식 풍력발전기의 자세안정을 추구할 수 있는 대책을 마련하는 것은 시급한 과제일 밖에 없고, 나아가 부유식 풍력발전기의 용도를 늘리기 위한 하나의 방편으로 유속을 이용한 압축공기의 생산이 가능한 방향으로의 새로운 모색도 필요하다.

따라서, 본 발명은 무시로 변하는 유속과 잦은 수위의 변동에도 반듯한 자세가 유지될 수 있는 부유식 풍력발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 풍력발전과 함께 수력을 이용한 압축공기 생산도 가능한 부유식 풍력발전기를 제공하는 것이다.

상기한 제1 과제는, 하상이나 해저에 세운 말뚝의 상단에 원형 단면의 지주를 설치하고, 여기다 회전가능한 슬리브를 끼워서 유속변화, 물의 흐름방향에 부력체가 순응하여 움직일 수 있게 하고, 상기 슬리브와 이 슬리브를 마주보는 풍력발전기의 부유체 외주면에 각기 상하로 일정하게 동일한 높이차를 두고 한 쌍의 브래킷을 일렬종대로 부착하고 위 아래 브래킷끼리 개별 링크로 연결하여 수위변동에 따른 부력체가 안정감 있게 승강하도록 한 부유식 풍력발전기로 달성할 수 있다.

상기 제2의 과제는, 상기 부유체를 압축공기탱크로 하고, 이 부유체의 저면에 수차 일체형 공기압축기를 부착하며, 공기압축기의 토출구와 상기 압축공기탱크형 부유체의 주입구를 관으로 직결하여 수류에 수차가 회전하여 공기압축기를 가동, 이 때 생산되는 압축공기를 상기 압축공기탱크형 부유체에 저장했다가 필요할 때 인출하여 용도별로 유효 적절히 사용할 수 있게 한 부유식 풍력발전기로 달성할 수 있다.

지주 상의 슬리브에 한 쌍의 링크로 연결된 부유체는 로우프나 쇠사슬 처럼 처지거나 유수방향으로 유동하지 않으므로 유속과 수위변동에도 바른 자세를 견지하여 풍력발전의 효율성을 높이게 된다.

또, 부력체에 부가된 수차 일체형 공기압축기로 생상되는 압축공기를 압추공기탱크형 부유체에 저장했다가 필요할 때마다 인출하여 사용할 수 있으므로 많은 가동비용이 부담인 전기식 또는 발동기식 공기압축기와는 견줄 수 없을 만큼 아주 저렴한 비용으로 압축공기를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 부유식 풍력발전기로서 최저수위일 경우의 예시도
도 2는 지주에 끼워진 상태를 가상한 슬리브의 평면도(일측 돌쩌귀에 링크의 일단이 연결된 상태를 가정한 것)
도 3은 다른 실시예에 의한 부유식 풍력발전기의 예시도

도 1에서, 하상(또는 해저)에 세운 말뚝(1)의 상단에 플랫폼 대용의 평탄한 콘크리트제 좌대(2)가 설치되어 있다. 말뚝(1)은 그 위에 설치될 지주의 침하를 방지하고 안정적으로 지주를 세워서 지지하는 것이다. 또 좌대(2)는 지주의 하단에 부착된 플랜지를 얹고 보울트-너트로 체결하여 고정할 지주 받침대로서, 평판형, 정사각형판, 직사각형판 중에서 적절한 것을 선택하여 구축한다.

좌대(2)의 곳곳에는 앵커보울트(3)가 심어져 있다. 이들 앵커 보울트(3)는 지주의 하단 플랜지의 보울트공을 내리끼우고 너트를 체결하여 고정할 요소이다.

지주(10)는 슬리브가 제자리에서 회전할 수 있는 단면이 원형인 철제 기둥이며, 여기에 끼워진 슬리브가 최고수위일 때에도 그 하단이 물에 닿지 않는 안전한 높이에 위치할 수 있을만한 충분한 높이를 갖고, 또한 최대유속과 강풍에도 부유식 풍력발전기를 든든하게 지지할 수 있는 강도를 지닌 내식성 내구경관이며, 하단에는 상기한 앵커보울트(3)에 개별적으로 끼워질 보울트공이 천공된 플랜지(12)가 부착되어 있다.

지주(10)에 있어서 최고수위일 때에도 슬리브의 하단이 물에 닿지 않을 안전한 높이에는 슬리브를 제자리 회전가능하게 가두는 칼라(16a,16b)가 설치되었다. 이들 가운데 하부 칼라(16b)는 선부착형이고, 상부 칼라(16a)는 슬리브를 끼운 후에 고정하는 후부착형이다.

도 2와 함께 설명하면 슬리브(20)는 상기 칼라(16a,16b) 사이의 지주 부분에 축끼움의 기계적 허용공차를 갖고 헐겁게 끼워서 상기 지주 부분을 축삼아 제자리에서 회전이 가능하면서 부유식 풍력발전기의 부유체를 지지하는 것으로, 원형 단관이며, 위 아래로 높이차를 두고 돌쩌귀(22a,22b)가 부착되어 있다.

돌쩌귀(22a,22b)는 링크의 일단을 맞춰대고 핀을 꽂아 링크가 상하로 레버운동하도록 지지하는 것으로, 부유식 풍력발전기의 설치수에 부응하여 슬리브(20)의 외주면에 원주등분각도로 증설할 수 있다.

로터(41)와 탑(42), 나셀(43) 및 부유체(44)로 구성된 통상의 부유식 풍력발전기(40)의 부유체(44) 주면에도 상기 돌쩌귀(22a,22b)와 같은 요령으로 상하 한 쌍으로 이뤄진 돌쩌귀(45a,45b)가 부착되어 있다.

그리고 슬리브(20)의 위쪽 돌쩌귀(22a)와 부유체(44)의 위쪽 돌쩌귀(45a), 슬리브(20)의 아래쪽 돌쩌귀(22b)와 부유체(44)의 아래쪽 돌쩌귀(45b)는 링크(30a,30b)로 연결되어 있다. 돌쩌귀(22a)와 링크(30a) 및 돌쩌귀(45a) 그리고 돌쩌귀(22b)와 링크(30b) 및 돌쩌귀(45b)의 연결은 각기 핀공을 일치시킨 후 그 자리에 핀(46)을 꽂고 핀(46)의 선단에 할핀을 꽂아서 핀빠짐을 방지하는 핀꽂음방식이 연결 작업성과 연결 안정성면에서 간편하다. 링크(30a,30b)의 양단부에는 상기 돌쩌귀(22a,22b)(45a,45b)의 핀공에 대응하는 핀공(32)이 뚫렸다.

수위 변동에 따라 부유체(44)는 수위변동폭에 상응하는만큼 오르내린다. 이럴 때, 링크(30a,30b)는 지주(2)에서 제위치를 지키는 슬리브(20)를 지점 삼아 승강폭에 따라 각도가 달라지는 부유체(44)에 의해 상하로 레버운동하면서 부유체(44)가 요동하지 못하게 지지한다.

단일 지주(10)와, 위 아래 돌쩌귀(22a,22b)가 짝을 이룬 복수조의 돌쩌귀가 외주면에 방사상으로 부착된 슬리브(20)와, 상기 복수조 돌쩌귀와 같은 복수조의 돌쩌귀(45a,45b)가 부착된 풍력발전기 탑재형 복수 부유체 중에서 어느 부유체(44)에 떠 내려온 부유물이 걸렸다고 치자. 부유물은 부유체(44)의 정중앙에 무게 중심이 실리게 얹히는 경우라도 경시적으로는 걸린 부유물의 무게 중심이 물이 흐르는 방향의 좌 또는 우측으로 쏠릴 개연성이 있다.

부유물의 무게중심이 부유체(44)에서 어느 한 쪽으로 치우치게 되면 해당 부유체(44)는 부유물의 무게가 쏠리는 쪽으로 돌려고 한다. 그 힘은 해당 부유체의 링크(30a,30b)를 거쳐 슬리브(20)에 전달되어 부유체(44)가 돌려고하는 방향으로 제자리에서 회전하고, 이에 따라 모든 부유체(44)는 본래의 위치를 벗어나게 된다.

그러다가 부유물이 걸린 부유체(44)가 하류쪽으로 이동하면 걸린 부유물은 물살에 쓸려 빠져나가게 된다. 이 같은 슬리브(20)의 제자리 회전의 도움으로 부유체(44)가 회전함으로써 부유물이 걸려 부하가 가중되더라도 풍력발전기의 자세 불안정요인이 이내 해소돼 정상 풍력발전을 속행할 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 변경 실시예에 관한 것이다. 즉, 상술한 실시예의 부유식 풍력발전기에서 그 부유체(44)를 압축공기탱크로 대체하고, 부유체(44)의 저면에 수차(52) 일체형 공기압축기(50)를 장착하며, 압축공기탱크와 공기압축기(50)의 토출구를 관(54)로 연결하여 유속에 의해 회전하는 수차(52)의 회전력으로 공기압축기(50)를 가동시켜 압축공기를 생산하고, 그 압축공기는 공기저장탱크에 저장했다가 필용한 때에 사용할 수 있도록 압축공기생산장비를 부가한 것이다. 풍력발전기 탑재형 부유체(44)가 2 이상 복수조를 갖춘 경우에도 이 실시예를 원용할 수 있다. 도면 부호 (56)은 밸브가 딸린 외기 급기관이다.

이 같은 변경 실시예에 따르면 높은 가동비용 대문에 부담스럽던 전기식 공기압축기나 동력식 공기압축기와는 달리 아주 저렴하게 청정 압축공기를 생산하여 유효적절하게 사용할 수 있는 실익이 더해진다.

10: 지주
12: 플랜지
16a,16b: 칼라
20: 슬리브
22a,22b, 45a,45b: 돌쩌귀
30a,30b: 링크
44: 부유체
50: 공기압축기
52: 수차

Claims (3)

1. 부유체와 이에 탑재된 풍력발전기로 이루어진 부유식 풍력발전기에 있어서,
   하상이나 해저에 세운 말뚝의 상단에 설치된 원형 단면의 지주와;
   위 아래로 일정한 높이 차를 두고 링크 연결용 돌쩌귀가 부착된 채로 상기 지주의 수면 위에 부착된 상하 칼라 사이의 지주 부분에 제자리에서 회전이 가능하도록 설치된 슬리브와;
   상기 풍력발전기가 탑재된 부유체의 외주면에 상기 돌쩌귀에 부응하도록 부착된 동수의 상하 돌쩌귀와;
   상기 슬리브와 부유체의 위 아래 돌쩌귀끼리 연결한 링크;
   로 이뤄진 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서, 슬리브의 돌쩌귀는 그 외주면에 방사상으로 복수조가 부착되어 그와 동수의 풍력발전기 탑재형 부유체가 연결된 부유식 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 부유체는 압축공기탱크이고, 이 부유체의 저면에 수차 일체형 공기압축기가 부착되며, 공기압축기의 토출구와 상기 부유체의 주입구를 관으로 직결한 부유식 풍력발전기.

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