KR101273967B1

KR101273967B1 - 해상 풍력발전장치

Info

Publication number: KR101273967B1
Application number: KR1020120085578A
Authority: KR
Inventors: 경남호; 김홍우; 고창복; 김성완
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2013-06-12

Abstract

본 발명은 풍력발전기; 풍력발전기의 하부 일측에 구비되어 풍력발전기를 해수면에서 이격되도록 지지하는 수직지지대; 수직지지대의 하단면 일측에 구비되어 풍력발전기 및 수직지지대를 지지할 수 있도록 하부 일측이 해저면에 고정되는 강재 구조물; 및 강재 구조물의 외주면 일측에 소정간격만큼 이격설치되어 코안다 효과를 발생하는 배플;을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치를 구현한바, 배플을 통해 강재 구조물의 주변에서 발생하는 조류의 흐름을 원활하게 유도함으로써 조류의 흐름을 와류에서 난류로 변경하여 코안다 효과를 발생하는 효과가 있다. 이로 인해, 와류로 인한 진동 및 반복된 피로현상을 감소할 수 있고, 바람 등으로 인해 외부에서 발생하는 다른 공진현상의 발생을 방지하여 해상 풍력발전장치를 안정화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 강재 구조물을 형성하는 레그의 외주면에 복수 형성된 돌기부를 통해 난류발생을 촉진하여 코안다 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 전술한 효과들을 통해 해상 풍력발전장치의 안정성이 증가됨으로써 내구성이 증가하고, 외부 도장면을 보호할 수 있어 해상 풍력발전장치의 수명이 증가되는 효과가 있다.

Description

해상 풍력발전장치{Wind Power Generation Unit}

본 발명은 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자켓타입 또는 트라이포드 타입의 강재 구조물을 형성하는 레그의 외주면 일측에 복수의 배플을 설치하여 강재 구조물의 일측에서 발생하는 조류를 와류에서 난류로 바꾸어 코안다 효과를 발생함으로써 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소할 수 있는 해상 풍력발전장치에 관한 것이다.

바람은 지역간의 기압 차로 인하여 발생하며, 자연에너지인 바람을 이용한 풍력발전은 무공해 대체 에너지로 각광받고 있다. 이러한 풍력발전은 바람의 빈도, 풍속의 균일성, 풍향과 난류, 발전설비의 이격 거리에 따른 면적 등의 필요요건으로 인한 육상에서의 한계와 더불어 소음 및 주변의 자연경관훼손 등의 문제점으로 인하여 해상에서의 이용에 대한 연구가 점차 활발히 이루어지고 있다.

해상풍속은 육상풍속의 약 1.5배 이상에 해당할 뿐 아니라 육지와 멀리 떨어질수록 풍속 감소가 적고, 지속적으로 강한 바람이 불며, 풍속과 풍향의 변화가 적고, 발전설비에 필요한 입지 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 안정성과 경제성의 문제로 인하여 육상풍력발전과 비교하여 개발이 느린 문제점이 있다.

해상 풍력발전을 위한 구조는 해저기반 기초의 토대 위에 풍력발전기의 지지대를 고정하는 고정식 풍력발전방법과 해상의 부유구조물 위에 풍력발전기의 지지대를 고정하는 부유식 풍력발전이 있으며, 대표적인 고정식풍력발전방법의 예로서 미국등록특허 제07456515호(2008.11.25.)에서는 기존의 발전장치 구성품들을 해저면에 고정되는 고정식 지지대위에 설치한 연근해 고정식 풍력발전기를 제시하고 있다.

하지만, 종래의 풍력발전장치는 강한 바람 및 파랑에 의한 진동, 와류로 인한 진동 및 반복되는 피로하중에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

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따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 자켓타입 또는 트라이포드 타입의 강재 구조물을 형성하는 레그의 외주면 일측에 복수의 배플을 설치하여 강재 구조물의 일측에서 발생하는 조류를 와류에서 난류로 바꾸어 코안다 효과를 발생함으로써 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소할 수 있는 해상 풍력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 풍력발전기; 풍력발전기의 하부 일측에 구비되어 풍력발전기를 해수면에서 이격되도록 지지하는 수직지지대; 수직지지대의 하단면 일측에 구비되어 풍력발전기 및 수직지지대를 지지할 수 있도록 하부 일측이 해저면에 고정되는 강재 구조물; 및 강재 구조물의 외주면 일측에 소정간격만큼 이격설치되어 코안다 효과를 발생하는 배플;을 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치에 의해 달성될 수 있다.

이때, 강재 구조물은 복수의 지지레그로 이루어지는 자켓타입(Jacket Type) 또는 트라이포드 타입이다.

또한, 배플은, 횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡 또는 '('자 형상으로 만곡된 평판부재; 및 평판부재를 강재 구조물로부터 이격시키는 고정리브;를 포함한다.

또한, 평판부재는 내각이 90°내지 120°가 되도록 절곡 또는 만곡된다.

또한, 평판부재의 길이는 1m 내지 10m이다.

또한, 고정리브의 길이는 30cm 내지 100cm이다.

또한, 배플은 강재 구조물의 외주면의 수평방향을 따라 등간격으로 복수 구비된다.

또한, 복수의 배플은 강재 구조물의 외주면의 수직방향을 따라 복수 구비된다.

또한, 복수의 배플은 강재 구조물의 외주면의 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 배플이 서로 다른 높이에 구비된다.

또한, 배플의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트이다.

또한, 강재 구조물의 외주면에는 난류효과를 촉진하여 코안다 효과를 향상시키기 위한 돌기부가 복수 돌출형성된다.

본 발명에 따르면 배플을 통해 강재 구조물의 주변에서 발생하는 조류의 흐름을 원활하게 유도함으로써 조류의 흐름을 와류에서 난류로 변경하여 코안다 효과를 발생하는 효과가 있다.

이로 인해, 와류로 인한 진동 및 반복된 피로현상을 감소할 수 있고, 바람 등으로 인해 외부에서 발생하는 다른 공진현상의 발생을 방지하여 해상 풍력발전장치를 안정화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 강재 구조물을 형성하는 레그의 외주면에 복수 형성된 돌기부를 통해 난류발생을 촉진하여 코안다 효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전술한 효과들을 통해 해상 풍력발전장치의 안정성이 증가됨으로써 내구성이 증가하고, 외부 도장면을 보호할 수 있어 해상 풍력발전장치의 수명이 증가되는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치가 해상에 설치된 상태를 나타내는 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 강재 구조물의 사시도,
도 4는 도 3의 A-A 단면도,
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 강재 구조물의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치가 해상에 설치된 상태를 나타내는 측면도이다. 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 풍력발전기(100), 수직지지대(200), 강재 구조물(300) 및 배플(400)로 구성된다.

풍력발전기(100)는 풍력터빈(110) 및 바람에 의해 회전하는 로터(120)를 포함한다. 이러한 풍력발전기(100)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

수직지지대(200)는 풍력발전기(100)의 하부 일측, 바람직하게는 풍력터빈(110)의 하단부 일측에 구비되어 풍력발전기(100)가 높은 위치에서 많은 바람을 수용할 수 있도록 풍력발전기(100)를 해수면으로부터 소정간격 이격되도록 지지해주는 장치이다. 이러한 수직지지대(200)는 해상에 설치되는 특성상 파도 및 강한 바람에 노출되기 때문에 이러한 외부 환경에 의해 쉽게 파손되지 않도록 금속재질의 기둥을 사용한다. 이러한 수직지지대(200) 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 강재 구조물의 사시도이다. 강재 구조물(300)은 수직지지대(200)가 설치되어 풍력발전기(100) 및 수직지지대(200)가 해상에 고정될 수 있도록 해저면(1000)에 고정되고, 풍력발전기(100) 및 수직지지대(200)가 설치될 수 있는 하부 구조를 형성하는 것이다. 이러한 강재 구조물(300)은 복수의 레그로 이루어진 자켓타입(Jacket Type) 또는 트라이포드 타입으로 이루어진다. 이러한 강재 구조물(300)은 수심이 20m 내지 80m인 해상에 설치될 수 있도록 그 길이가 25m 내지 100m이고, 그 직경은 1m 이상으로 이루어지며, 설치되는 해상의 환경에 따라 다양하게 변경가능하다. 강재 구조물(300)이 자켓타입인 경우에 각각의 레그는 상호 10m 내지 12m 이격되도록 이루어진다.

이때, 강재 구조물(300)은 후술하는 배플(400)과 연동하여 해수의 흐름을 와류에서 난류로 변경하여 코안다(Coanda) 효과를 향상하기 위하여 복수의 돌기부(310)가 형성된다. 이러한 돌기부(310)는 강재 구조물(300)의 복수의 레그에 모두 형성되며 삼각뿔 또는 원형뿔 형상으로 돌출형성된다.

여기서, 코안다 효과는 루마니아의 과학자 헨리 코안다(H. Coanda)에 의해 발견된 이론으로 천장이나 벽면의 근처에 분출된 기류가 유체의 점성에 의해 그 면을 따라 흐르는 현상을 의미한다. 일예로써, 수도꼭지에 물이 나오게 하고 흐르는 수돗물이 유리 막대 주위로 흐르도록 하면, 수돗물이 유리막대 주위로 흐르면서 유리막대가 수돗물 주위로 움직이는 현상이다. 이와 같이, 유체의 유동이 곡면을 따라 흐르는 현상을 코안다 효과라 부르며, 이는 유체의 점성에 의한 것이다. 점성은 쉽게 말하면 끈적끈적한 성질을 나타내는 것으로서 물의 점성 때문에 수돗물이 유리막대의 표면을 따라서 흐르게 되는 것이다.

도 4는 도 3의 A-A 단면도이다. 배플(400)은 강재 구조물(300)의 외주면, 보다 상세하게는 강재 구조물(300)을 형상하는 복수의 레그 외주면에 복수 구비되어 강재 구조물(300)의 주변으로 흐르는 해수의 흐름을 원활히 유도하여 코안다 효과를 발생하고, 해수의 유동 속도를 증진시켜 강재 구조물(300)의 주변에서 발생하는 와류로 인한 진동 및 반복되는 피로하중을 감소하고, 공진효과를 감소시키는 장치이다. 이때, 배플(400)은 평판부재(410) 및 고정리브(420)로 이루어지고, 강재 구조물(300) 측으로 향하는 모든 방향의 해수의 흐름을 제어하기 위하여 강재 구조물(300)의 모든 레그의 외주면의 수평방향으로 복수 구비된다. 바람직하게는 강재 구조물(300)을 안정적으로 유지하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 배플(400)이 강재 구조물(300)의 각각의 레그에 등간격으로 구비된다. 도면에서는 3개의 배플(400)이 구비되도록 도시되었지만, 강재 구조물(300)의 설치환경 또는 레그의 직경 등을 고려하여 3개 내지 6개의 배플(400)을 등간격으로 설치할 수 있다.

또한, 배플(400)은 동일 수평면상에 등간격으로 구비될 뿐만 아니라 동일 수평면상에 등간격으로 구비된 배플(400)이 수직방향으로도 복수 구비된다.

평판부재(410)는 길이가 1m 내지 10m로 세로로 길게 형성된 평판형상으로 이루어지고, 횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡되거나, '('자 형상으로 만곡되어 있다. 절곡 또는 막곡되는 각도는 90°내지 120°의 내각(θ)을 갖도록 절곡 또는 만곡된다.

고정리브(420)는 30cm 내지 100cm의 길이를 갖는 기둥형상부재로 평판부재(410)가 강재 구조물(300)의 레그로부터 이격되도록 하여 평판부재(410)와 강재 구조물(300)의 레그 사이로 해수가 흐르게 하여 와류로 흐르는 해수를 난류로 바꿔준다.

이러한 평판부재(410) 및 고정리브(420)의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트로 이루어진다.

(변형예)

도 5는 본 발명의 변형예에 따른 강재 구조물의 사시도이다. 본 발명의 변형예에 따른 강재 구조물(300)은 전체적으로 전술한 구성과 동일한 구성으로 이루어진다. 하지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 배플(400)이 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 배플(400)이 서로 다른 높이에 구비된다. 이와 같이, 수직방향으로 상호 인접한 배플(400)이 서로 다른 높이로 구비되어 강재 구조물(300)의 레그의 높이에 해당하는 모든 조류의 흐름을 난류로 바꾸어 공진 및 피로하중의 발생을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 해상 풍력발전장치
100 : 풍력발전기
110 : 풍력터빈
120 : 로터
200 : 수직지지대
300 : 강재 구조물
310 : 돌기부
400 : 배플
410 : 평판부재
420 : 고정리브
1000 : 해저면

Claims

풍력발전기(100);
상기 풍력발전기(100)의 하부 일측에 구비되어 상기 풍력발전기(100)를 해수면에서 이격되도록 지지하는 수직지지대(200);
상기 수직지지대(200)의 하단면 일측에 구비되어 상기 풍력발전기(100) 및 수직지지대(200)를 지지할 수 있도록 하부 일측이 해저면(1000)에 고정되는 강재 구조물(300); 및
상기 강재 구조물(300)의 외주면 일측에 소정간격만큼 이격설치되어 코안다 효과를 발생하는 배플(400);을 포함하고,
상기 배플(400)은,
횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡 또는 '('자 형상으로 만곡된 평판부재(410); 및
상기 평판부재(410)를 상기 강재 구조물(300)로부터 이격시키는 고정리브(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 강재 구조물(300)은 복수의 지지레그로 이루어지는 자켓타입(Jacket Type) 또는 트라이포드 타입인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 평판부재(410)는 내각(θ)이 90°내지 120°가 되도록 절곡 또는 만곡되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 평판부재(410)의 길이는 1m 내지 10m인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 고정리브(420)의 길이는 30cm 내지 100cm인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 배플(400)은 상기 강재 구조물(300)의 외주면의 수평방향을 따라 등간격으로 복수 구비되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 배플(400)은 상기 강재 구조물(300)의 외주면의 수직방향을 따라 복수 구비되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 배플(400)은 상기 강재 구조물(300)의 외주면의 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 상기 배플(400)이 서로 다른 높이에 구비되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 배플(400)의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 강재 구조물(300)의 외주면에는 난류효과를 촉진하여 상기 코안다 효과를 향상시키기 위한 돌기부(310)가 복수 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.