KR101254973B1 - 부유식 구조물 - Google Patents

Abstract

인장각(tension leg)의 인장력에 의해 계류하도록 설치된 TLP(Tensioned Leg Platform) 방식의 부유식 구조물이 개시된다.
개시되는 부유식 구조물은 물 위에 부유하도록 설치된 플랫폼; 상기 플랫폼의 일단에 연결되어 상기 플랫폼에 인장력을 부여하는 인장각(tension leg); 및 상기 인장각의 인장력을 조절하기 위하여 상기 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하는 부력조절부;를 포함하고, 상기 부력조절부는 상기 플랫폼에 형성된 범퍼공간에 공기를 유출입시킴으로써 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하며, 상기 범퍼공간의 크기를 조절하도록 상기 범퍼공간의 하부에 구비되어 상하로 승강하는 이동부와, 상기 이동부에 구동력을 제공하는 구동부를 구비한다.
이러한 부유식 구조물에 의하면, 범퍼공간의 크기를 조절함으로써 플랫폼의 부력손실을 보충할 수 있고, 이로 인해 인장각에 의한 인장력을 일정한 수준에서 유지할 수 있어 플랫폼을 안정적인 상태로 계류시킬 수 있다는 효과가 있다.

Description

부유식 구조물{Floating Platform}

본 발명은 해상(수상)에 부유하도록 설치되는 부유식 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인장각(tension leg)의 인장력에 의해 계류하도록 설치된 TLP(Tensioned Leg Platform) 방식의 부유식 구조물에 관한 것이다.

일반적으로, 부유식 구조물은 물 위에 떠 있는 상태로 계류될 수 있는 것으로, 계류된 상태에서 발전, 화석연료의 채취, 생산, 정제, 저장 및/또는 하역 등의 다양한 종류의 일을 하는 것들이 있다. 해양(이하, 본 명세서에서는 수상을 포함하는 개념으로 표현함)의 부유식 구조물은 기능, 구조, 계류 방식 등에 따라 다양한 종류로 분류되고 있는데, 예를 들면, SEMI(Semi-submersible), TLP(Tensioned Leg Platform), SPAR, FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), FSRU 또는 시추용 리그(Rig) 등으로 칭해지는 많은 종류의 해양 부유식 구조물이 있다.

해양의 부유식 구조물은 그 종류에 따라 한 방식의 계류 시스템을 이용한다. 예컨대, FPOS 타입의 해양 부유식 구조물과 SPAR 타입의 해양 부유식 구조물은 터트 계류(taut mooring) 또는 세미-터트 계류(semi-taut mooring) 방식을 취하며, TLP 방식의 해양 부유식 구조물은 인장각(tensioned leg)들을 이용하는 TLP 계류 방식을 취한다.

TLP 계류 방식은 부력을 갖는 해양 부유 구조물을 해양에 계류시킴에 있어서, '텐덤'으로 칭해지는 수직의 인장각(tension leg)에 강한 인장력을 부여하여 이루어지는 것이다.

근래 들어, 부지 비용, 설치 규모의 제한, 인근 주민 동의의 어려움과 같은 여러 가지 이유로, 풍력 발전용의 부유식 구조물에 대한 관심이 크게 증가하였다. 풍력 발전용 해양 부유식 구조물은, 육지 지형에 의해 바람이 영향을 받지 않는 해양에서 풍력 발전을 수행할 수 있으므로, 안정적이고 꾸준한 전력 생산이 가능하다는 이점이 있다.

풍력은 지구상에 자연적으로 발생하는 무공해 에너지원으로서, 20세기 이래 전세계적인 산업화의 영향으로 석탄, 석유 등 화석연료가 점차 고갈되고, 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 심각해지면서 최근 무공해 대체 에너지인 풍력을 이용한 발전방식이 더욱 각광을 받고 있다.

한편, 해상 풍력발전은 고정식과 부유식으로 나눌 수 있는데, 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해저면에 기초공사를 하고, 그 기초공사 위에 구조물을 설치한 후 날개를 비롯한 발전설비를 설치하는 방식이고, 부유식은 해수면 위에 부유물을 띄우고 그 부유물 위에 발전설비를 설치하는 방식이다.

도 1은 종래의 풍력발전기가 설치된 부유식 구조물의 구조를 나타내는 도면이다.

풍력발전기가 설치된 부유식 구조물(1)은 크게 풍력발전기에 해당하는 블레이드(10), 나셀(20), 타워(30)의 구성과, 부유를 위한 플랫폼(40), 인장각(tension leg)(50)의 구성으로 구분할 수 있다.

이때, 플랫폼(40)의 몸체(41)의 외측으로 연장된 날개부(42)에 인장각(50)이 설치되어 플랫폼(40)을 인장력에 의해 계류시키게 된다.

그러나, 조석 간만의 차이가 큰 해역에서는 만조시 수위(A)와 간조시 수위(B)에 차이가 크게 되며, 이로 인해 만조시 수위(A)에 맞추어 인장각을 장력을 맞추게 되면 간조시에는 간석차(H)에 의해 인장각(50)의 인장력이 상당 부분 저하된다. 즉, 조석 간만의 차에 의한 수심 변화에 따라 인장각(50)에 장력 손실이 발생하므로 플랫폼(40)을 안정적으로 유지할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 조석 간만의 차 등으로 인하여 플랫폼 설치 위치의 수심이 변하더라도 플랫폼에 안정적으로 인장력을 부여할 수 있는 부유식 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일 측면으로서, 조석 간만의 차에 따라 자동적으로 인장력을 조절할 수 있는 부유식 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 파도나 외부 진동에 의해 완충기능의 구조를 갖는 부유식 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 물 위에 부유하도록 설치된 플랫폼; 상기 플랫폼의 일단에 연결되어 상기 플랫폼에 인장력을 부여하는 인장각(tension leg); 및 상기 인장각의 인장력을 조절하기 위하여 상기 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하는 부력조절부;를 포함하고, 상기 부력조절부는 상기 플랫폼에 형성된 범퍼공간에 공기를 유출입시킴으로써 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하며, 상기 범퍼공간의 크기를 조절하도록 상기 범퍼공간의 하부에 구비되어 상하로 승강하는 이동부와, 상기 이동부에 구동력을 제공하는 구동부를 구비하는 부유식 구조물을 제공한다.

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바람직하게, 상기 범퍼공간은 상기 이동부에 의해 외부의 해수와 분리되도록 구성될 수 있다.

더욱 바람직하게, 상기 범퍼공간에 해수가 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 이동부에는 실링부재가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 구동부는 상기 이동부를 상하로 승강시키는 실린더와, 상기 실린더에 유압을 제공하는 유압장치를 구비할 수 있다. 이때, 상기 범퍼공간은 외부 공기가 유출입될 수 있도록 공기도입관과 연결될 수 있다.

또한 바람직하게, 상기 구동부는 상기 이동부를 상하로 승강시키기 위해 상기 범퍼공간 내부의 공기를 외부로 배출하거나 외부의 공기를 상기 범퍼공간 내부로 공급하는 공기펌프를 구비할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 구조물은 상기 범퍼공간의 크기가 조석간만의 차에 따라 조절하도록 상기 부력조절부의 구동을 제어하는 제어부;를 추가로 포함할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 조석 간만의 차 등으로 인하여 플랫폼 설치 위치의 수심이 변하더라도 공기를 보유하고 있는 범퍼공간의 크기를 조절함으로써 플랫폼의 부력손실을 보충할 수 있고, 이로 인해 인장각에 의한 인장력을 일정한 수준에서 유지할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 플랫폼이 안정적인 상태로 계류할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 조석간만의 차에 따라 범퍼공간의 크기를 자동적으로 조절함으로써 인장각에 의한 인장력을 일정한 범위 내에서 유지할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 이동부의 상부가 범퍼공간에 접하고, 이동부의 하부가 해수와 접하므로 파도나 바람 등 외부 충격이나 진동이 발생하는 경우 이동부가 범퍼공간에 수용된 공기를 압축함으로써 충격이나 진동을 완충할 수 있다는 효과가 있게 된다.

도 1은 풍력발전기가 설치된 종래의 부유식 구조물을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 구조물을 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에서 수심이 변한 상태의 부유식 구조물을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 부유식 구조물을 도시한 개략도이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 구조물(100)은, 물 위에 부유하도록 설치된 플랫폼(120)과, 상기 플랫폼(120)의 일단에 연결되어 상기 플랫폼(120)에 인장력을 부여하는 인장각(140)(tension leg)과, 상기 인장각(140)의 인장력을 조절하기 위하여 상기 플랫폼(120)에 가해지는 부력을 조절하는 부력조절부(130)를 포함하여 구성되며, 상기 부력조절부(130)를 제어하는 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 플랫폼(120)은 해상에 부유하여 설치되는 것으로서, 그 상부에는 설치물(110)이 탑재된다. 이러한 설치물(110)은 전술한 바와 같이 해상풍력발전기가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 화석연료의 채취, 생산, 정제, 저장 및/또는 하역을 위한 각종 설비가 위치할 수 있다.

상기 플랫폼(120)은 그 하단에 외측으로 연장된 복수의 날개부(125)를 가지며, 이러한 날개부(125)에 각각 인장각(140)이 연결된다. 이러한 인장각(140)은 수중 바닥면에 안정적으로 고정설치된다.

또한, 상기 플랫폼(120)은 외관측에 해당하는 몸체부(121)를 구비하며, 상기 몸체부(121)의 내부에는 공기를 수용하며 그 부피가 변하는 범퍼공간(A)이 형성된다. 그리고, 상기 범퍼공간(A)은 후술하는 이동부(134)에 의해 외부의 해수와 분리되도록 구성될 수 있다.

이와 같이, 이동부(134)의 상부가 범퍼공간(A)에 접하고, 이동부(134)의 하부가 해수와 접하게 되므로, 파도나, 충격, 진동이 발생하는 경우 범퍼공간(A)에 수용된 공기가 압축됨으로써 에어댐퍼의 역할을 하게 된다.

따라서, 범퍼공간(A)에 수용된 공기를 압축함으로써 충격이나 진동을 완충할 수 있다는 이점이 있게 된다. 특히, 설치물이 풍력발전기인 경우에는 파도 뿐만 아니라 바람과, 블레이드 회전에 의한 진동도 많이 발생하므로 범퍼공간(A)의 완충효과는 더욱 효과적일 수 있다.

아울러, 상기 범퍼공간(A)에 해수가 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 이동부(134)에는 실링부재(123)가 구비될 수 있다.

한편, 상기 부력조절부(130)는 상기 플랫폼(120)에 형성된 범퍼공간(A)에 공기를 유출입시킴으로써 플랫폼(120)에 가해지는 부력을 조절할 수 있다.

이러한 부력조절부(130)의 구성을 통하여, 조석 간만의 차 등으로 인하여 플랫폼(120) 설치 위치의 수심이 변하더라도 공기를 보유하고 있는 범퍼공간(A)의 크기를 조절함으로써 플랫폼(120)의 부력손실을 보충할 수 있고, 이로 인해 인장각(140)에 의한 인장력을 일정한 수준에서 유지할 수 있게 된다.

구체적으로, 상기 부력조절부(130)는, 범퍼공간(A)의 크기를 조절하도록 이동하는 이동부(134)와, 상기 이동부(134)에 구동력을 제공하는 구동부를 구비할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 구동부는 이동부(134)를 상하로 승강시키는 실린더(133)와, 상기 실린더(133)에 유압을 제공하는 유압장치(131)와, 상기 유압장치(131)와 실린더(133) 사이에 설치된 유압관(132)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 이동부(134)의 이동에 따라 상기 범퍼공간(A)에 외부 공기가 유출입될 수 있도록 공기 도입관(124)이 범퍼공간(A)과 연통될 수 있다. 이러한 공기도입관(124)은 해수의 유입을 차단하도록 플랫폼(120)의 상단부로부터 공기를 유출입시키도록 구성될 수 있다.

한편, 도 2의 상부수위(H1)에서 하부수위(H2)로 수위가 변경되면 수심이 낮아지게 되므로 그 높이차(H)에 해당하는 만큼 부력손실이 발생하게 되며, 인장각(140)의 인장력도 저하된다.

이러한 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 범퍼공간(A)의 크기를 크게 함으로써 부력손실을 극복할 수 있다. 즉, 높이차(H) 만큼에 해당하는 부력손실을 만회하기 위하여 부력손실에 해당하는 부피만큼 범퍼공간(A)의 크기를 크게 하면 된다. 이를 위하여 유압장치(131)를 가동시켜 실린더(133)를 신장시킴으로써 이동부(134)를 하측으로 이동시킬 수 있고, 이에 따라 공기도입관(124)으로부터 범퍼공간(A)으로 공기가 유입된다.
즉, 부력 = 유체의 비중량 × 물체에 의해 배제된 유체의 체적 이므로, 플랫폼(120)의 무게가 동일한 상태에서 수면이 하부수위(H2)로 낮아지면, 플랫폼(120)에 의해 배제된 해수의 체적이 감소하므로, 이를 보상하기 위해 범퍼공간(A)의 크기를 증가시켜 플랫폼(120)에 의해 배제되는 해수의 체적을 유지시킬 수 있다.

한편, 도 3에서 도 2의 상태로 범퍼공간(A)의 축소는 상기한 과정을 역으로 수행하면 된다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 구동부는 상기 이동부(134)를 상하로 승강시키기 위해 상기 범퍼공간(A) 내부의 공기를 외부로 배출하거나 외부의 공기를 상기 범퍼공간(A) 내부로 공급하는 공기펌프(131')를 구비할 수 있다.

즉, 만조의 경우에는 범퍼공간(A)의 크기를 상대적으로 작게 하기 위하여 공기펌프(131')를 통하여 범퍼공간(A) 내부의 공기를 흡인하게 된다. 반대로, 간조의 경우에는 수심이 낮아져 인장각(140)의 인장력이 저하되므로 플랫폼(120)의 부력을 증가시킬 필요가 있으므로 범퍼공간(A)에 공기를 주입하여 이동부(134)를 하측으로 이동시키고 범퍼공간(A)의 크기를 크게 하면 된다.

그러나, 구동부의 구성은 전술한 구동방식에 한정되는 것은 아니며, 공지된 각종 기계적 구동방식을 통하여 이동부(134)을 구동할 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 구조물(100)은 상기 범퍼공간(A)의 크기가 조석간만의 차에 따라 조절하도록 상기 부력조절부(130)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.

예를 들어, 조석의 주기가 12시간 25이므로 12시간 25분을 주기로 이동부(134)를 부력손실량 만큼 상하로 이동시킴으로써 범퍼공간(A)의 크기를 조절할 수 있고, 이로 인해 인장각(140)에 의한 인장력을 일정한 수준으로 유지할 수 있게 된다.

또한, 태풍이 접근하거나 파고가 높은 경우에는 플랫폼(120)을 안정적으로 계류시키기 위해 평상시보다 인장각(140)의 인장력을 더 크게 해야 하므로 이러한 경우에는 플랫폼(120)에 가해지는 부력의 크기를 증가시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 범퍼공간(A)의 크기를 평상시보다 크게 함으로써 부력을 확보할 수 있고 이로 인해 플랫폼(120)의 안정적인 계류가 가능하게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

100, 100'... 부유식 구조물 110... 설치물
120... 플랫폼 121... 몸체부
123... 실링부재 124... 공기도입관
125... 날개부 130... 부력조절부
131... 유압장치 131'... 공기펌프
133... 실린더 134... 이동부
140... 인장각 A... 범퍼공간

Claims (9)

1. 물 위에 부유하도록 설치된 플랫폼;
   상기 플랫폼의 일단에 연결되어 상기 플랫폼에 인장력을 부여하는 인장각(tension leg); 및
   상기 인장각의 인장력을 조절하기 위하여 상기 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하는 부력조절부;를 포함하고,
   상기 부력조절부는 상기 플랫폼에 형성된 범퍼공간에 공기를 유출입시킴으로써 플랫폼에 가해지는 부력을 조절하며, 상기 범퍼공간의 크기를 조절하도록 상기 범퍼공간의 하부에 구비되어 상하로 승강하는 이동부와, 상기 이동부에 구동력을 제공하는 구동부를 구비하는 부유식 구조물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 범퍼공간은 상기 이동부에 의해 외부의 해수와 분리되는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
5. 제4항에 있어서,
   상기 범퍼공간에 해수가 유입되는 것을 차단하기 위하여 상기 이동부에는 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
6. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는 상기 이동부를 상하로 승강시키는 실린더와, 상기 실린더에 유압을 제공하는 유압장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
7. 제6항에 있어서,
   상기 범퍼공간은 외부 공기가 유출입될 수 있도록 공기도입관과 연결되는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는 상기 이동부를 상하로 승강시키기 위해 상기 범퍼공간 내부의 공기를 외부로 배출하거나 외부의 공기를 상기 범퍼공간 내부로 공급하는 공기펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
9. 제1항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 범퍼공간의 크기가 조석간만의 차에 따라 조절하도록 상기 부력조절부의 구동을 제어하는 제어부;
   를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.

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