KR101257425B1 - 부유식 해상 풍력발전설비 - Google Patents

Abstract

계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화함으로써 경제성을 확보하고, 구조물의 요잉(yawing) 운동에 대한 컨트롤이 양호하도록, 풍력발전부를 탑재한 상부 타워와, 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물, 상기 하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하고, 상기 상부타워는 상기 하부구조물에 회전가능하게 설치되고, 일측에 바람의 방향에 따라 상부타워를 회동시키기 위한 방향판을 포함한 회동부를 구비한 구조의 부유식 해상 풍력발전설비를 제공한다.

Description

부유식 해상 풍력발전설비{FLOATING OFFSHORE WIND POWER GENERATION PLANT}

본 발명은 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 해상에 설치되는 부유식 해상 풍력발전설비에 관한 것이다.

지구온난화에 따른 환경규제와 화석연료의 수급불안 등의 문제점이 대두됨으로서 신재생 에너지 생산시스템으로서의 풍력발전이 각광을 받고 있다.

풍력발전설비는 주로 육상에 설치되어 왔으나, 점차적으로 해상 설치가 증가하고 있다. 풍력발전을 위해 해상은 육상에 비해 바람의 질이 대체로 좋은 편이며, 날개 소음 문제에 있어서도 보다 쉽게 대응할 수 있는 장점이 있다. 특히, 경제성 확보를 위해서는 대규모의 단지 확보가 요망되는 데 육상에는 이러한 단지를 구비하기 어려워, 연안이나 근해의 해상이 대단위 해상풍력단지로 떠오르고 있다.

풍력발전설비를 해상에 설치하기 위한 구조는 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정식 구조는 육상에서와 같이 구조물이 직접 해저면에 고정되어 환경하중을 구조적 변형으로 대응하는 형식이고, 부유식은 수면에 떠있으며 자중, 부력, 환경 하중 및 계류력을 받고 있고, 구조물의 6자유도 운동으로 환경하중을 이겨내는 방식이다.

최근까지 해상 풍력발전설비는 고정식으로 주로 얕은 수심에 설치되었다. 그러나, 고정식 구조는 구조물이 해저면에 고정되어 있어 유리한 조업조건을 제공하지만 수심이 깊어지면 구조물의 규모가 너무 커지고 피로파괴의 위험성을 피하기 어려워진다. 또한, 설비의 대형화 추세에 따라 구조물의 제작, 설치에 드는 비용이 천문학적으로 증가하게 된다.

바람은 육상에서 멀어질수록 강하고 일정해지므로 발전효율을 높일 수 있다. 이에 점차 해안으로부터 멀리 떨어져 수심이 깊은 곳에서도 풍력발전의 개발 필요성이 제기되고 있다. 따라서 수심이 깊어져도 구조물의 크기에 제한을 받지 않는 부유식 구조를 이용한 해상 풍력발전설비에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

부유식 구조는 부력체의 자세 복원성의 메커니즘에 따라 폰툰형, 인장계류형, 주상형으로 분류할 수 있다. 이 중 인장계류형은 부력체를 해저와 인장 계류라인으로 결합하여 계류라인의 강성으로 복원력을 발생시키는 구조이다. 이러한 구조의 대표적인 형식으로는 인장 다리 플랫폼(Tension Leg Platform: TLP)이 있다. TLP 형식은 부력체인 플랫폼에 복수개의 계류라인을 설치하여 해저면에 연결하고, 플랫폼이 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 계류라인을 당겨 장력이 걸리도록 한 구조이다.

주상형의 경우 대표적인 형식으로 스파형 플랫폼(spar platform)이 있다. 스파형 플랫폼은 부력중심 밑에 중력중심을 갖는 실린더형태의 구조물을 수직으로 세우고 그 위에 플랫폼을 설치한 형태로, 복수개의 계류라인이 구조물과 해저 사이에 설치된다.

상기한 부유식 해상 풍력발전설비를 개발함에 있어서, 구조물의 안정성과 경제성은 매우 중요하게 고려될 사항이다. 이에 설비의 안정성 확보를 전제로 제작, 설치 및 운전 비용이 가장 적게 드는 방식으로 개발이 이루어질 필요가 있다.

이에, 계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화함으로써 경제성을 확보할 수있도록 된 부유식 해상 풍력발전설비를 제공한다.

또한, 구조물의 요잉(yawing) 운동에 대한 컨트롤이 양호한 부유식 해상 풍력발전설비를 제공한다.

이를 위해 본 설비는 풍력발전부를 탑재한 상부 타워와, 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물, 상기 하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하고, 상기 상부타워는 상기 하부구조물에 회전가능하게 설치되고, 일측에 바람의 방향에 따라 상부타워를 회동시키기 위한 회동부를 구비한 구조일 수 있다.

계류라인은 하부구조물의 하단에 설치되고 선단에는 앵커가 설치되어 해저면으로 고정되는 구조일 수 있다.

계류라인은 인장 계류 구조일 수 있다.

풍력발전부는 로터와 상부 타워에 결합되어 로터를 회전가능하게 지지하는 나셀(nacelle)을 포함하며, 발전장치, 축전장치 또는 송전장치를 더 구비할 수 있다.

나셀은 상부타워에 고정된 일체형 구조일 수 있다.

회동부는 상부타워에 설치되고 외측으로 연장되어 바람을 받는 적어도 하나의 방향판을 포함할 수 있다.

방향판은 나셀에 대해 로터의 반대방향으로 연장될 수 있다.

방향판은 상부타워 길이방향을 따라 연장될 수 있다.

방향판은 외측으로 갈수록 두께가 얇아져 쐐기형 단면구조를 이룰 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 설비는 계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화하여 설치 작업에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있게 된다.

또한, 요 컨트롤을 위한 별도의 요 컨트롤 시스템을 구비할 필요가 없어 설비의 제조 단가를 낮추고, 발전 단가를 낮춰 가격 경쟁력을 높일 수 있게 된다.

또한, 계류라인을 최소화하면서도 양호한 요 컨트롤을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 부유식 해상 풍력발전설비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 부유식 해상 풍력발전설비의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 부유식 해상 풍력발전설비의 작동 상태를 도시한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 둘 이상의 도면에 나타나는 동일하거나 유사한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

도 1은 본 실시예에 따른 부유식 해상 풍력발전설비를 도시한 개략적인 도면이다.

상기한 도면에 의하면, 본 실시예의 풍력발전설비(10)는 풍력발전부를 탑재한 상부 타워(12)와, 상기 상부 타워(12)를 지지하는 부력체인 하부구조물(14), 상기 하부구조물(14)을 계류하기 위해 하부구조물(14)과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인(16)을 포함한다.

상기 풍력발전부는 로터(11)와, 상부 타워(12)에 결합되어 로터를 회전가능하게 지지하는 나셀(nacelle)(13)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 풍력발전부는 발전장치나 축전장치 또는 송전장치를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에서 상기 나셀(13)은 상부 타워(12) 상단에 고정 설치된다.

그리고, 상기 상부 타워(12)에는 바람의 방향에 따라 로터(11)가 설치된 나셀(13)의 방향을 바꿀 수 있도록 하부구조물(14)에 대해 상부 타워(12)를 회동시키는 회동부(20)가 구비된다. 이에 회동부(20)는 상부 타워(12)를 회동시켜 나셀의 방향을 변환함으로써, 나셀에 설치된 로터를 바람이 오는쪽으로 향하게 한다.

상기 상부 타워(12)는 로터(11)를 수면으로부터 미리 설정된 높이에 위치시키기 위한 것으로 소정 길이를 갖는 기둥 형태로 되어 있다. 상기 상부 타워(12)와 상기 하부구조물(14) 사이에는 베어링블럭(24)이 더 설치된다. 이에 상기 상부 타워(12)는 베어링블럭(24)을 매개로 상기 하부구조물(14)에 대해 자유롭게 회전 운동하게 된다.

상기 하부구조물(14)은 상단에 설치되는 상부 타워(12)와 풍력발전부의 중량을 부력으로 지지하는 부력체이다. 본 실시예에서 상기 하부구조물(14)은 수직 실린더 형태로 이루어지나 특별히 이에 한정되지 않는다. 상기 하부구조물(14)은 내부가 빈 중공 구조로 부력을 생성할 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 하부구조물은 부력중심 밑에 중력중심을 두기 위한 발라스트(ballast)가 하부에 탑재될 수 있다.

상기 하부구조물(14)의 하단에는 계류라인(16)의 상단이 설치된다.

본 실시예에서 상기 계류라인(16)의 개수는 한 개로 이루어진다. 이와 같이 단일의 계류라인(16)에 의해 설비가 계류됨으로써, 계류라인(16) 자체의 개수를 줄이고, 계류라인(16)의 앵커 설치 작업을 최소화할 수 있게 된다.

여기서 상기 계류라인(16)은 강성을 갖는 와이어로프(wire rope)로 이루어질 수 있다. 와이어로프는 소선을 꼬아 만든 스트랜드(strand)를 단일 또는 복수개의 층으로 꼬아 합친 구조일 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

상기 계류라인(16)의 상단은 하부구조물(14)의 하단에 고정 설치되고 하단에는 앵커(18)가 설치되어 해저면에 고정된다. 앵커(anchor)(18)는 계류라인(16)으로 연결되는 하부구조물(14)을 미리 설정된 위치에 계류하기 위한 것으로, 예를 들어 앵커볼트 등의 해저면에 고정되는 구조 또는 닻이나 콘크리트 구조물 등의 자중에 의해 가라앉는 중력식 구조가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서 상기 계류라인(16)은 하부구조물(14)과 앵커(18) 사이에 장력을 갖는 인장 계류 구조로 설치된다. 즉, 계류라인(16)은 하부구조물(14)의 부력에 대항하여 하부구조물(14)을 수중으로 끌어내리도록 당겨져 앵커(18)에 계류된다.

이에 계류라인(16)에는 잉여부력에 의한 장력(tension)이 걸려있게 된다. 상기 계류라인(16)은 설비의 조건에 따라 미리 설정된 초기 장력(pretension)을 부여하여 계류한다. 이에 계류라인(16)은 계류라인(16)에 걸리는 초기 장력(pretension)과 설비의 상하 동요와 같이 운전 중에 걸리는 동적 장력(dynamic tension)을 고려하여 그 제원을 결정한다.

한편, 본 설비는 단일의 계류라인(16)에 의해 지지된 구조이므로, 설비의 요(yaw) 컨트롤이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다 이에 본 설비는 상기 상부 타워(12)에 회동부(20)가 구비되어 설비가 자전되는 요잉(yawing) 운동시 로터가 설치된 나셀의 방향을 변환하게 된다.

본 실시예에서 상기 회동부(20)는 상부 타워(12)에 설치되고 외측으로 연장되어 바람을 받는 방향판(22)을 포함한다. 상기 방향판(22)은 바람의 압력을 받을 수 있는 면 구조이면 충분하며 그 구조나 형태에 특별히 한정되지 않는다.

상기 방향판(22)은 나셀(13)을 기준으로 하여 로터(11)의 반대방향으로 연장된다. 즉, 방향판(22)은 로터(11)의 축선상을 따라 로터(11)의 반대쪽으로 연장된다. 이에 방향판(22)이 바람의 압력을 받아 상부 타워를 회동시켰을 때, 로터(11)가 바람을 정면으로 맞게 된다.

상기 방향판(22)은 상부 타워(12)에 일체로 형성되거나, 상부 타워(12)와는 별도로 구비되어 원기둥 형태의 상부 타워(12) 외주면에 부착 설치될 수 있다. 상기 방향판(22)은 상부 타워(12)와 동일하거나 상이한 재질로 이루어질 수 있다.

외측으로 연장된 방향판(22)의 양 측면은 바람의 압력을 받는 면으로 바람을 받았을 때 그 힘을 상부 타워(12)로 전달하여 하부구조물(14)에 대해 상부타워(12)를 회전시키게 된다. 상부 타워(12)는 언급한 바와 같이 베어링블럭(24)을 매개로 하부구조물(14)에 설치되어 있어서 하부구조물(14)에 대해 자유롭게 회전된다. 상기 상부 타워(12)에서 외측으로 연장되는 방향판(22)의 길이는 방향판의 측면 면적 및 모멘트(moment)와 관련된다. 본 실시예에서 상기 방향판의 외측으로 연장되는 길이는 상부 타워(12)를 회전시킬 수 있을 정도면 충분하며, 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 방향판(22)은 대략 상부 타워(12)의 길이와 대응되는 길이로 형성되어 상부 타워(12)의 길이방향을 따라 설치된다. 본 실시예에서 상기 방향판(22)은 단일 구조물로 이루어지나 이에 한정되지 않으며, 복수개가 구비되어 상부 타워(12)의 길이방향을 따라 간격을 두고 설치될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 방향판(22)은 외측으로 갈수록 두께가 얇아져 쐐기형 단면구조를 이룰 수 있다. 이에 상부타워(12)와 방향판(22)은 전체적으로 볼 때, 선단이 원호형태로 둥글고 후단은 뾰족한 유선형 날개 구조를 이룬다.

따라서 상기 방향판(22)은 바람의 압력에 의해 상부 타워(12)를 회전시킴과 더불어 바람의 흐름 선상에 놓여졌을 때, 바람의 저항을 최대한 적게 받을 수 있다.

도 3은 상기한 회동부에 의한 상부 타워 회전 상태를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하부구조물(14)의 요 컨트롤이 제대로 이루어지지 않아 하부구조물이 요잉 운동하여 자전되거나, 로터(11)가 바람을 마주하고 있는 상태에서 바람의 방향이 전환되면, 로터(11)와 바람의 방향이 어긋나 로터(11)가 바람을 정면으로 맞지 못하게 된다.

로터(11)의 방향과 바람의 방향이 어긋나면, 상부 타워(12)에 설치된 방향판(22)이 바람의 흐름 선상에서 벗어나 방향판(22)은 바람을 맞게 된다. 이에 바람의 압력이 방향판(22)의 측면에 가해지게 된다.

바람의 압력을 받은 방향판(22)은 그 에너지를 상부 타워(12)로 전달하게 된다. 이에 상부 타워(12)는 바람의 압력에 의해 하부구조물(14)에 대해 회전하게 된다. 상기 방향판(22)은 바람의 압력을 받아 상부 타워(12)를 회전시키면서 바람의 압력이 최소가 되는 위치로 이동하게 된다. 따라서 상부 타워(12)는 회전되고, 방향판(22)은 외측 끝단이 바람의 방향을 따라 뒤쪽에 위치하게 된다.

따라서 나셀을 기준으로 방향판(22)의 반대쪽에 위치한 로터(11)는 바람의 방향을 향하여 바람과 정면으로 마주하게 되는 것이다.

이와 같이, 방향판(22)을 통해 설비의 요 컨트롤이 원활하게 이루어짐으로써, 하부구조물(14)의 요잉 운동이나 바람의 변화에 관계없이 항상 로터(11)를 바람이 오는 쪽으로 향하게 할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 풍력발전설비 11 : 로터
12 : 상부타워 13 : 나셀
14 : 하부구조물 16 : 계류라인
18 : 앵커 20 : 회동부
22 : 방향판 24 : 베어링블럭

Claims (9)

1. 풍력발전부를 탑재한 상부 타워와, 상기 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물, 상기 하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하고, 상기 상부타워는 상기 하부구조물에 베어링블럭을 매개로 회전가능하게 설치되고, 일측에 바람의 방향에 따라 상부타워를 회동시키기 위한 회동부를 구비하고,
   상기 계류라인은 와이어로프로 이루어어지고, 상기 하부구조물의 하단에 고정되고 선단에는 앵커가 설치되어 해저면으로 고정되는 인장 계류 구조이고,
   상기 풍력발전부는 로터와, 상기 상부 타워에 결합되어 상기 로터를 회전가능하게 지지하는 나셀(nacelle)을 포함하며, 상기 로터는 바람의 진행방향에 대해 타워 앞에 위치하는 업윈드(upwind)구조이고,
   상기 회동부는 상기 상부타워에 설치되고 외측으로 연장되어 바람을 받는 적어도 하나의 방향판을 포함하고, 상기 방향판은 외측으로 갈수록 두께가 얇아져 쐐기형 단면구조를 이루며, 상기 나셀에 대해 로터의 반대방향을 향하고 상부타워 길이방향을 따라 연장된 구조의 부유식 해상 풍력발전설비.
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