KR101302382B1 - 풍력발전기의 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지 - Google Patents

풍력발전기의 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상풍력발전단지에 설치되는 복수의 부유식 풍력발전기를 해상에 계류시키는 계류 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 계류 장치는 복수의 부유식 풍력발전기와 상기 복수의 부유식 풍력발전기 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제1 계류케이블과, 상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 인접한 복수의 풍력발전기를 상호 연결하는 복수의 제2 계류케이블과, 상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 최외측 부유식 풍력발전기와 상기 최외측 부유식 풍력발전기 외측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제3 계류케이블을 포함한다.

Description

풍력발전기의 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지{MOORING APPARATUS FOR WIND TURBINE AND OFFSHORE WIND TURBINE FARM HAVING THE SAME}
본 발명은 복수의 부유식 풍력발전기를 해상에 계류시키기 위한 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지에 관한 것이다.
풍력발전은 바람의 운동 에너지를 회전날개에 의해 기계 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 발전 방식이다. 이러한 풍력발전을 이용하여 대용량의 전기를 생산할 수 있도록 최근 복수의 풍력발전기가 설치되는 풍력발전단지의 조성이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 단지 조성에 필요한 부지 확보 문제, 발전 시 발생하는 소음 문제, 단지 주변 경관과의 조화 문제 등을 고려하여 해상에 조성되는 풍력발전단지(이하, ‘해상풍력발전단지’라 한다)가 각광을 받고 있다.
해상풍력발전단지에 설치되는 풍력발전기는 설치 장소의 수심에 따라 다양한 형태를 갖는다. 예컨대, 수심이 얕은 장소에서 풍력발전기는 그 하부가 해저에 고정되는 형태를 가지며, 수심이 깊은 장소에서 풍력발전기는 해저에 고정되는 계류케이블에 연결되어 해상에 부유되는 형태를 가진다.
해상에 떠서 계류되는 부유식 풍력발전기를 복수 기 설치하여 조성되는 해상풍력발전단지의 일 예가 대한민국 공개특허공보 특2003-0036643호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 해상풍력발전단지(1)에는 복수의 부유식 풍력발전기(2)가 설치되며, 이러한 복수의 부유식 풍력발전기(2)는 하부에 구비되는 부유체(3)에 의해 해상에서 각각 부유된다. 또한, 부유식 풍력발전기(2)는 설치 위치로부터의 이탈을 방지하도록 해저에 고정되는 복수의 계류케이블(4, 5)에 연결되어 개별적으로 계류된다.
대한민국 공개특허공보 특2003-0036643호(공개일 2003.05.09.)
종래 기술과 같이, 해상풍력발전단지에 설치되는 복수의 부유식 풍력발전기를 개별적으로 계류시키는 경우, 해저에 고정해야 하는 계류케이블의 수가 많아 설치 작업이 어렵다. 따라서, 부유식 풍력발전기를 설치하는데 소요되는 작업 시간이 길어지고, 계류케이블의 소요량이 많아 설치 비용이 증가되는 문제점이 있다. 또한, 수중에 늘어뜨려진 복수의 계류케이블이 복잡하게 배치되어 해수 흐름 등에 의해 간섭을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 계류케이블이 손상되거나 파손될 위험성이 있다. 또한, 깊은 수심에서는 계류케이블이 길어지게 되며, 이에 맞추어 부유식 풍력발전기 간의 간격이 커져야 하는데, 이는 해상풍력발전단지에 설치되는 부유식 풍력발전기의 수를 줄이기 되며 나아가 해상풍력발전단지의 발전 용량을 감소시킨다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 복수의 부유식 풍력발전기를 상호 연결하여 계류시키는 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 부유식 풍력발전기를 계류시키는 장치가 제공된다. 일 실시예에 따른 계류 장치는 복수의 부유식 풍력발전기와 상기 복수의 부유식 풍력발전기 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제1 계류케이블과, 상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 인접한 복수의 풍력발전기를 상호 연결하는 복수의 제2 계류케이블과, 상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 최외측 부유식 풍력발전기와 상기 최외측 부유식 풍력발전기 외측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제3 계류케이블을 포함한다.
상기 제1 계류케이블은 상기 부유식 풍력발전기와 상기 부유식 풍력발전기 직하방의 해저 사이의 거리에 해당하는 길이를 가질 수 있다.
상기 제2 계류케이블 및 상기 제3 계류케이블은 현수형 구조를 가질 수 있다.
상기 최외측 부유식 풍력발전기에 작용하는 상기 제1 내지 제3 계류케이블의 장력은 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 하중, 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 부력 및 외력과 서로 상쇄되어 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 위치가 유지될 수 있다.
상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 상기 최외측 부유식 풍력발전기를 제외한 내측 부유식 풍력발전기에 작용하는 상기 제1 및 제2 계류케이블의 장력은 상기 내측 부유식 풍력발전기에 작용하는 하중, 상기 내측 부유식 풍력발전기의 부력 및 외력과 서로 상쇄되어 상기 내측 부유식 풍력발전기의 위치가 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 계류 장치를 포함하는 해상풍력발전단지가 제공된다. 일 실시예에 따른 해상풍력발전단지는 적어도 하나의 부유식 풍력발전기를 각각 포함하는 복수의 단위단지가 연속해서 이어져 있는 복합단지로 이루어지며, 상기 부유식 풍력발전기와 상기 복합단지 내측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제1 계류케이블과, 상호 인접한 부유식 풍력발전기를 연결하는 복수의 제2 계류케이블과, 상기 복합단지의 외곽에 위치하는 부유식 풍력발전기와 상기 복합단지 외측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제3 계류케이블을 포함한다.
상기 단위단지는 도트형, 정삼각형, 정사각형 및 정육각형 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지에 의하면, 복수의 부유식 풍력발전기를 상호 연결하여 계류시킴으로써 풍력발전기와 해저를 연결하는 계류케이블의 수를 줄일 수 있다. 따라서, 부유식 풍력발전기의 설치에 관한 작업 시간을 단축시킬 수 있고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 부유식 풍력발전기의 계류케이블이 복잡하게 배치되지 않아 계류케이블 사이에 간섭이 발생되는 것을 방지하고, 계류케이블의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 부유식 풍력발전기에는 수직 장력이 걸리는 계류케이블과 위치를 고정하는 계류케이블이 설치되므로, 각 풍력발전기의 위치이탈이 방지될 수 있고 운동성능이 향상될 수 있다. 또한, 각 부유식 풍력발전기가 계류케이블의 간섭을 피하면서 좁은 간격으로 위치될 수 있으므로, 공간 대비 발전 용량이 최대로 될 수 있는 해상풍력발전단지가 구현될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 해상풍력발전단지를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계류 장치 및 해상풍력발전단지를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2와 유사한 도면으로 각 계류케이블에 걸리는 장력을 도시한다.
도 4는 도 3에 도시된 복수의 부유식 풍력발전기 중 내측 부유식 풍력발전기에 작용하는 힘을 도시한다.
도 5는 도 3에 도시된 복수의 부유식 풍력발전기 중 최외측 부유식 풍력발전기에 작용하는 힘을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력발전단지를 보인 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상풍력발전단지를 보인 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력발전단지를 보인 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 해상풍력발전단지를 보인 평면도이다.
도 10은 해상풍력발전단지에 설치되는 부유식 풍력발전기의 다른 예를 개략적으로 보인 도면이다.
도 11은 해상풍력발전단지에 설치되는 부유식 풍력발전기의 또 다른 예를 개략적으로 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계류 장치(100)는 해상풍력발전단지(200)에 설치되는 복수의 부유식 풍력발전기(210)를 해상에 계류시키기 위한 복수의 계류케이블(mooring cable)(110 내지 130)을 포함한다.
부유식 풍력발전기(210)는 주로 수심이 깊은 해양에 설치되는 풍력발전기로서, 해상에 부유되고 복수의 계류케이블(110 내지 130)에 의해 이동이 구속된다. 이러한 부유식 풍력발전기(210)는 해상에서 부는 바람을 받아 회전되는 회전날개(212), 회전날개(212)의 회전 운동으로부터 전기를 생산하는 발전기(214), 부력을 받으며 부력의 크기를 증감시킬 수 있는 부유체(218), 부유체(218) 상에 위치하고 회전날개(212)와 발전기(214)를 지지하는 수직구조물(216)을 가진다.
부유식 풍력발전기(210)는 그 자체로는 부유 상태가 불안정하고, 해수 흐름에 따라 이동될 수 있기 때문에 소정 위치에 고정 또는 계류되어 해상풍력발전단지(200)를 구성하도록 복수의 계류케이블(110 내지 130)에 의해 상호간 및 해저(20)에 연결된다.
복수의 계류케이블(110 내지 130)은 제1 계류케이블(110), 제2 계류케이블(120) 및 제3 계류케이블(130)을 포함한다. 제1 계류케이블(110)은 일단에서 부유식 풍력발전기(210)에 연결되고 타단에서 부유식 풍력발전기(210)의 하방의 해저(20)에 연결된다. 제2 계류케이블(120)은 상호 인접해 있는 부유식 풍력발전기(210) 사이에 연결된다. 제3 계류케이블(130)은 일단에서 복수의 부유식 풍력발전기(210) 중 최외측에 위치하는 부유식 풍력발전기(210a)에 연결되고 타단에서 상기 최외측 부유식 풍력발전기(210a)의 외측 하방의 해저(20)에 연결된다.
이러한 복수의 계류케이블(110 내지 130)은 부식과 마모에 강한 재료, 예컨대 탄소강 등과 같은 금속 재료 또는 합성 섬유 재료로 제조될 수 있으며, 그 형태 또한 와이어 형태나 체인 형태 또는 섬유를 꼬아 이루어진 로프 형태를 포함할 수 있다. 또한, 계류케이블(110 내지 130)의 굵기는 해수 속도, 해양 생태계 등과 같은 설치 장소의 해양 특성과, 계류케이블의 길이 등을 고려하여 다양하게 선택될 수 있다.
계류케이블(110 내지 130) 각각의 타단에는 계류케이블을 해저에 고정시키기 위한 앵커(anchor)(140)가 설치된다. 앵커(140)는 해저의 지형 조건, 예컨대 해저가 바위나 산호초 등과 같이 단단한 지면으로 이루어졌는지의 여부에 따라 다양한 형태와 무게를 가진다. 앵커(140)는 항타기 등을 사용하여 해저(20)에 직접 박아 설치되거나, 해저(20)에 안착시킨 상태에서 끌어 해저(20)에 파고들도록 설치될 수 있다.
제1 계류케이블(110)은 부유식 풍력발전기(210)와 해저(20)를 최단 거리로 연결시킨다. 제1 계류케이블(110)은 부유식 풍력발전기(210)와 부유식 풍력발전기(210)의 직하방의 해저(20) 사이의 거리에 해당하는 길이를 갖는다. 즉, 제1 계류케이블(110)은 부유식 풍력발전기(210)가 해수면(10) 위로 완전히 부상되는 것을 억제하고, 해상풍력발전단지(200) 내에서의 이동을 제한한다.
제1 계류케이블(110)은 부유식 풍력발전기(110)와 부유식 풍력발전기(110) 직하방의 해저(20) 사이에서 팽팽하게 드리워질 수 있다. 팽팽한 정도에 따라, 제1 계류케이블(110)은 토트형(Taut type), 세미토트형(Semi-Taut type), 철근을 이용하는 텐돈형(Tendon type) 및 혼합형 방식 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 여기서, 제1 계류케이블(110)이 혼합형 구조를 갖는다는 것은 토트형, 세미토트형, 텐돈형 중 적어도 2가지 구조를 갖는 계류케이블이 이어지는 것을 의미한다.
또한, 제1 계류케이블(110)은 한 기의 부유식 풍력발전기(210)에 대응하여 단일선 형태를 취할 수 있으며, 부유식 풍력발전기(210)를 보다 안정적으로 계류시키기 위해 이중선 형태를 취할 수도 있다. 이와 같은 제1 계류케이블(110)로 부유식 풍력발전기(210)를 계류시킴으로써 해상풍력발전단지(200) 내에서 복수의 부유식 풍력발전기(210)를 일정한 형태로 배치시킬 수 있다.
제2 계류케이블(120)은 복수의 부유식 풍력발전기(210) 중 인접한 부유식 풍력발전기를 상호 연결시킨다. 제2 계류케이블(120)은 해수면(10) 위로 노출되지 않도록 수중에 잠기며, 이를 위해 부유식 풍력발전기(210)의 하단에 위치하는 부유체(218)들 사이에 배치될 수 있다.
제2 계류케이블(120)은 현수형(Catenary type) 구조를 가진다. 즉, 제2 계류케이블(120)은 인접한 부유식 풍력발전기(210) 사이의 거리(L)보다 길게 형성되어 수중에서 ‘U’자 형태로 늘어뜨려진다. 이처럼, 현수형 구조의 제2 계류케이블(120)를 사용하여 인접한 부유식 풍력발전기(210)를 상호 연결시킴으로써 부유식 풍력발전기(210) 사이의 간격을 넓히지 않아도 부유식 풍력발전기(210)를 안정적으로 계류시킬 수 있다. 또한, 부유식 풍력발전기(210) 각각이 해수의 움직임이나 해상에 부는 바람에 대응하여 일정 범위 내에서 흔들리거나 이동하게 할 수 있다.
제2 계류케이블(120)이 연결되는 부유식 풍력발전기(210) 중 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 연결되는 제2 계류케이블(120)의 수는, 복수의 부유식 풍력발전기(210) 중 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 제외한 부유식 풍력발전기(이하, ‘내측 부유식 풍력발전기’라 한다)(210b)에 연결되는 제2 계류케이블(120)의 수보다 적다. 따라서, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)가 안정적인 상태로 유지될 수 있도록 제3 계류케이블(130)이 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 연결된다.
제3 계류케이블(130)은 일단에서 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 연결되고 수중으로 늘어뜨려져 타단에서 최외측 부유식 풍력발전기(210a) 외측 아래의 해저(20)에 고정된다. 이러한 제3 계류케이블(130)은 제2 계류케이블(120)과 마찬가지로 현수형 구조를 가져 최외측 부유식 풍력발전기(210a)와 해저(20) 사이에서 팽팽하게 연결되지 않고 수중에서 곡선 형태로 늘어뜨려진다. 이처럼, 현수형 구조의 제2 계류케이블(120)과 제3 계류케이블(130)을 사용함으로써 복수의 부유식 풍력발전기(210)를 한정된 공간을 갖는 해상풍력발전단지(200) 내에서 안정적으로 계류시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 계류 장치(100)에서의 계류케이블(110 내지 130)에 걸리는 장력 및 부유식 풍력발전기(210a, 210b)에 작용하는 힘을 설명한다. 이하의 설명에서, 계류케이블(110 내지 130)이 받는 부력은 그 크기가 작으므로 장력에 영향을 미치지 않는 것으로 가정된다.
제1 계류케이블(110)은 그 자중에 의해 발생되는 장력(T1)으로 부유식 풍력발전기(210) 각각을 하측으로 당긴다. 제1 계류케이블(110)의 장력(T1)을 증감시키기 위해서는 일정한 길이를 갖는 제1 계류케이블(110)의 재료, 형태, 굵기 등을 변경시킬 수 있다.
제2 계류케이블(120)은 자중에 의해 발생되는 장력(T2)으로 양단에 연결되어 있는 부유식 풍력발전기(210)를 비스듬하게 하측으로 당긴다. 제2 계류케이블(120)의 장력(T2)의 방향은 제2 계류케이블(120)의 늘어뜨려진 방향과 동일하다. 제2 계류케이블(120)의 장력(T2)의 크기를 증감시키기 위해서는, 제2 계류케이블(120)의 재료, 형태, 굵기 등을 다르게 하거나, 제2 계류케이블(120)의 길이를 늘리거나 줄여 해저(20)를 향해 늘어뜨려진 경사 각도(α)를 변경시킬 수 있다.
제2 계류케이블(120)의 장력(T2)은 부유식 풍력발전기(210)를 하측으로 당기는 수직 분력(Vertical Component)(VC2)과, 부유식 풍력발전기(210)를 인접한 다른 부유식 풍력발전기(210)를 향해 당기는 수평 분력(Horizontal Component)(HC2)으로 구분할 수 있다. 또한, 이때의 수직 분력(VC2)은T2cosα, 수평 분력(HC2)은 T2sinα의 크기를 갖는다.
내측 부유식 풍력발전기(210b)에 작용하는 제1 및 제2 계류케이블(110, 120)의 장력(T1, T2)은 내측 부유식 풍력발전기(210b)의 하중, 내측 부유식 풍력발전기(210b)의 부력 및 외력과 서로 상쇄되어 내측 부유식 풍력발전기가 일정한 위치에서 유지될 수 있다. 여기서, 외력은 부유식 풍력발전기의 평형 상태에 영향을 미치는 힘으로서 해수에 의한 파력, 조력, 부유식 풍력발전기에 가해지는 저항력, 해양 생물 등에 의한 충격력 등을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
내측 부유식 풍력발전기(210b)에 연결되는 복수의 제2 계류케이블(120) 각각은 내측 부유식 풍력발전기(210b)를 동일한 수평 분력(HC2)의 크기로 당길 수 있다. 즉, 내측 부유식 풍력발전기(210b)에 걸리는 제2 계류케이블(120) 각각의 장력(T2)에 대한 수평 분력(HC2)의 합력은 서로 상쇄되어 내측 부유식 풍력발전기(210b)는 평형 상태, 예컨대 해수면(10) 상에서 기울어짐이 발생되지 않는 안정적인 상태로 유지될 수 있다.
또한, 복수의 제2 계류케이블(120)에 걸리는 장력(T2)의 수직 분력(VC2)은 제1 계류케이블(110)의 장력(T1)과 더해져 내측 부유식 풍력발전기(210b)가 받는 상승력(F)과 반대되는 방향, 즉 하측 방향으로 내측 부유식 풍력발전기(210b)에 가해진다. 여기서, 상승력(F)은 부유식 풍력발전기가 받는 부력에서 부유식 풍력발전기가 갖는 하중을 뺀 값을 의미한다. 외력에 의한 영향이 없다고 가정할 때, 제1 계류케이블(110)의 장력(T1)과 제2 계류케이블(120)의 수직 분력(VC2)의 합력은 내측 부유식 풍력발전기(210b)가 받는 상승력(F)의 크기와 동일하다. 따라서, 내측 부유식 풍력발전기(210b)가 수중에 완전히 잠수되지 않는 일정한 위치에서 유지되어 회전날개(212)와 발전기(214)를 해수면(10) 위로 지지할 수 있다.
제3 계류케이블(130)은 그 자중에 의해 발생되는 장력(T3)으로 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 비스듬하게 하측으로 당긴다. 여기서, 제3 계류케이블(130)의 장력(T3)의 방향은 제3 계류케이블(130)의 늘어뜨려진 방향과 동일하다. 제3 계류케이블(130)의 장력(T3)의 크기를 조절하기 위해서는, 제3 계류케이블(130)의 재료, 형태, 굵기 등을 달리하거나, 제3 계류케이블(130)의 길이를 늘리거나 줄여 해저(20)를 향해 늘어뜨려진 경사 각도(β)를 변경시킬 수 있다. 제3 계류케이블(130)의 장력(T3)은 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 하측 방향으로 당기는 수직 분력(VC3)과 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 외측 방향으로 당기는 수평 분력(HC3)으로 구분할 수 있으며, 이때의 장력(T3)의 수직 분력(VC3)은 T3cosβ, 수평 분력(HC3)은 T3sinβ의 크기를 갖는다.
최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 작용하는 제1 내지 제3 계류케이블(110 내지 130)의 장력(T1 내지 T3)은 최외측 부유식 풍력발전기(210a)의 하중, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)의 부력 및 외력과 상쇄되어 최외측 부유식 풍력발전기(210a)는 일정한 위치에서 유지될 수 있다.
최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 연결되는 제2 계류케이블(120)과 제3 계류케이블(130) 각각은 동일한 수평 분력(HC2, HC3)의 크기로 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 당길 수 있다. 즉, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 걸리는 제2 계류케이블(120)의 장력(T2)에 대한 수평 분력(HC2)과, 제3 계류케이블(130)의 장력(T3)에 대한 수평 분력(HC3)의 합력은 서로 상쇄되어 최외측 부유식 풍력발전기(210a)는 평형 상태, 예컨대 해수면(10) 상에서 기울어짐이 발생되지 않는 안정적인 상태로 유지될 수 있다.
제2 계류케이블(120)에 걸리는 장력(T2)과 제3 계류케이블(130)에 걸리는 장력(T3)은 다른 크기를 가질 수 있으며, 이 경우 제2 계류케이블(120)과 제3 계류케이블(130)의 경사 각도(α, β)를 조절하여 각각의 장력(T2, T3)에 대한 수평 분력(HC2, HC3)이 동일한 크기를 가질 수 있다.
제3 계류케이블(130)의 수직 분력(VC3)은 제1 계류케이블(110)의 장력(T1) 및 제2 계류케이블(120)의 수직 분력(VC2)과 더해져 최외측 부유식 풍력발전기(210a)가 받는 상승력(F)과 반대되는 방향으로 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 가해진다. 이때, 제1 계류케이블(110)의 장력(T1), 제2 계류케이블(120)의 수직 분력(VC2) 및 제3 계류케이블(130)의 수직 분력(VC3)의 합력은, 외력에 의한 영향이 없다고 가정할 때, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)가 받는 상승력(F)의 크기와 동일하다. 따라서, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)가 수중에 완전히 잠수되지 않고 해상에 일정한 높이를 갖도록 부유될 수 있다. 즉, 회전날개(212)와 발전기(214)가 해수면(10) 위에 위치되도록 지지할 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 해상풍력발전단지에서의 부유식 풍력발전기의 배치형태의 예를 설명한다. 해상풍력발전단지는 적어도 하나의 부유식 풍력발전기를 각각 포함하는 복수의 단위단지(201a 내지 201d)가 연속해서 이어져 있는 복합단지로 이루어진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 부유식 풍력발전기(210)는 해상풍력발전단지(200a) 내에서 등간격으로 이격되는 하나의 열로 배치될 수 있다. 즉, 도 6에 도시하는 배치형태의 예에서, 1개의 부유식 풍력발전기(210)가 도트 형태의 단위단지(201a)를 이루고, 이러한 도트형의 단위단지(201a)가 복수 개 연속해서 이어지는 라인 형태로 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b)가 배치되어 있다.
위와 같은 배치형태의 예에서, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b) 중 양단에 위치하는 최외측 부유식 풍력발전기(210a) 각각에는 앵커(140)에 의해 해저에 고정되는 1개의 제2 계류케이블(120)과 3개의 제3 계류케이블(130)이 90 °의 각도로 연결되어 있다. 1개의 제2 계류케이블(120)과 3개의 제3 계류케이블(130)은 각각에 가해지는 장력(T2, T3)에 대한 동일한 크기의 수평 분력(HC2, HC3)이 서로 상쇄되도록 양단에 위치하는 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 당겨 안정적으로 해상에 계류시킬 수 있다. (여기서, HC2 = T2sinα, HC3 = T3sinβ)
또한, 복수의 부유식 풍력발전기(210) 중 양단의 최외측 부유식 풍력발전기(210a) 사이에 배치되는 부유식 풍력발전기(210b) 각각에는 2개의 제2 계류케이블(120)과 2개의 제3 계류케이블(130)이 등간격으로 연결되어 있다. 2개의 제2 계류케이블(120)과 2개의 제3 계류케이블(130)은 각각에 가해지는 장력(T2, T3)에 대한 동일한 크기의 수평 분력(HC2, HC3)이 서로 상쇄되도록 부유식 풍력발전기(210b)를 당겨 안정적으로 해상에 계류시킬 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b)는 해상풍력발전단지(200b) 내에서 등간격의 복수 열로 배치될 수 있으며, 이때 각 열에 배치되는 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b)는 인접한 열의 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b) 사이 사이에 놓이도록 엇걸려 배치될 수 있다. 즉, 도 7에 도시하는 배치 형태의 예에서, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b)는 3개의 부유식 풍력발전기(210a, 210b)가 정삼각형의 각 꼭지점에 위치하는 하나의 단위단지(201b)가 연속해서 이어지는 형태로 배치되어 있다.
위와 같은 배치형태의 예에서, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b) 중 최외측 부유식 풍력발전기(210a) 각각에는 앵커(140)에 의해 해저에 고정되는 3개의 제2 계류케이블(120)과 3개의 제3 계류케이블(130)이 60 °의 각도로 등간격으로 연결되어 있다. 3개의 제2 계류케이블(120)과 3개의 제3 계류케이블(130) 각각은 동일한 크기의 수평 분력(HC2, HC3)으로 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 당겨 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 안정적으로 해상에 계류시킬 수 있다. 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 중심으로 동일한 크기를 갖는 6개의 수평 분력(HC2, HC3)이 60 °의 각도로 작용되어 수평 방향으로의 합력은 서로 상쇄된다. 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에 연결되는 제3 계류케이블(130)은 인접한 최외측 부유식 풍력발전기와 앵커(140a)를 공유하여 해저에 고정될 수 있다.
또한, 복수의 부유식 풍력발전기(210) 중 내측 부유식 풍력발전기(210b)에는 6개의 제2 계류케이블(120)이 등간격으로 연결되어 있다. 6개의 제2 계류케이블(120) 각각은 동일한 크기의 수평 분력(HC2)으로 내측 부유식 풍력발전기(210b)를 당겨 내측 부유식 풍력발전기(210b)를 안정적으로 해상에 계류시킬 수 있다.
도 8은 격자 모양의 배치 형태의 예를 도시한다. 도 8에 도시하는 배치형태의 예에서, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210b) 각각에는 복수의 제2 계류케이블(120)과 복수의 제3 계류케이블(130)이 90 °의 각도로 등간격으로 연결되어 있다. 즉, 복수의 부유식 풍력발전기(210)는 4개의 부유식 풍력발전기(210)가 정사각형의 각 꼭지점에 위치하는 하나의 단위단지(201c)가 연속해서 이어지는 형태로 배치되어 있다. 최외측 부유식 풍력발전기(210a)는 복수의 제2 계류케이블(120)과 복수의 제3 계류케이블(130)으로부터 동일한 수평 분력(HC2, HC3)을 받아 평형 상태로 계류된다. 또, 부유식 풍력발전기(210a, 210b) 각각은 외력의 영향이 없다고 가정할 때, 상승력(F)과 동일한 크기의 장력(T1)과 수직 분력(VC2, VC3)의 합력을 받아 해상에 떠 있는 상태로 계류된다.
도 9는 벌집 모양의 배치 형태의 예를 도시한다. 도 9에 도시하는 배치형태의 예에서, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210a’, 210b) 각각에는 3개의 제2 계류케이블(120)이 120 °의 각도로 등간격으로 연결되거나 또는 총 3개의 제2 계류케이블(120)과 제3 계류케이블(130)이 혼합하여 120 °의 각도로 등간격으로 연결되어 있다. 즉, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210a’, 210b)는 6개의 부유식 풍력발전기가 정육각형의 각 꼭지점에 위치하는 하나의 단위단지(201d)가 연속해서 이어지는 형태로 배치되어 있다.
복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210a’, 210b) 중 해상풍력발전단지(210d)의 외곽(B)에 위치되는 최외측 부유식 풍력발전기(210a)에는 3개의 제2 계류케이블(120)이 연결되지 못한다. 따라서, 안정적인 계류를 위해 제3 계류케이블(130)이 연결된다. 이와 같이, 복수의 부유식 풍력발전기(210a, 210a’, 210b)는 3개의 제2 계류케이블(120) 또는 2개의 제2 계류케이블(120)과 1개의 제3 계류케이블(130)으로부터 동일한 크기의 수평 분력(HC2, HC3)을 받아 평형 상태로 계류된다. 또한, 최외측 부유식 풍력발전기(210a) 각각은 제1 계류케이블(110)의 장력(T1), 제2 계류케이블(120)의 수직 분력(VC2), 제3 계류케이블(130)의 수직 분력(VC3)의 합력과 동일한 크기의 상승력(F)을 받아 해상에 떠 있는 상태로 계류된다. 또, 최외측 부유식 풍력발전기(210a)를 제외한 부유식 풍력발전기(210a’, 210b) 각각은 제1 계류케이블(110)의 장력(T1), 제2 계류케이블(120)의 수직 분력(VC2)의 합력과 동일한 크기의 상승력(F)을 받아 해상에 떠 있는 상태로 계류된다. 수직 분력의 합력과 상승력이 동일한 경우, 부유식 풍력발전기에 작용되는 외력의 영향은 없다고 가정한다.
해상풍력발전단지(200a 내지 200d)를 이루는 복합단지는 전술한 도트형 단위단지(201a), 정삼각형 단위단지(201b), 정사각형 단위단지(201c) 및 정육각형 단위단지(201d) 중에서 선택된 어느 하나의 단위단지가 연속적으로 이어져 구성된다. 또한, 도 6 내지 도 9에 도시된 형태 이외에, 단위단지를 연속적으로 이어 다양한 형태, 규모를 갖는 복합단지로 이루어지는 해상풍력발전단지를 구현할 수 있다.
전술한 실시예에서의 부유식 풍력발전기(210)는 부유체(218)가 원주 형태로 이루어진 스파형(Spar type)의 부유식 풍력발전기이다. 본 발명에서의 부유식 풍력발전기로서, 스파형의 부유식 풍력발전기 이외에 다양한 형태의 부유체(218)를 갖는 부유식 풍력발전기가 채용될 수 있다. 예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이 바지형(Barge type)의 부유식 풍력발전기(310)가 채용되거나, 도 11에 도시된 바와 같이 플로터형(Floater type)의 부유식 풍력발전기(410)가 채용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 계류 장치 및 이를 포함하는 해상풍력발전단지에 의하면, 해저에 연결되지 않는 계류케이블로 인접한 부유식 풍력발전기를 상호 연결시켜 부유식 풍력발전기의 설치 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 부유식 풍력발전기에 연결되는 복수의 계류케이블의 장력을 변경시켜 부유식 풍력발전기를 안정적으로 해상에 계류시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
100: 계류 장치 110: 제1 계류케이블
120: 제2 계류케이블 130: 제3 계류케이블
140: 앵커 200: 해상풍력발전단지
210: 부유식 풍력발전기

Claims (7)

  1. 복수의 부유식 풍력발전기와 상기 복수의 부유식 풍력발전기 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제1 계류케이블과,
    상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 인접한 복수의 풍력발전기를 상호 연결하는 복수의 제2 계류케이블과,
    상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 최외측 부유식 풍력발전기와 상기 최외측 부유식 풍력발전기 외측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제3 계류케이블
    을 포함하는 계류 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 계류케이블은 상기 부유식 풍력발전기와 상기 부유식 풍력발전기 직하방의 해저 사이의 거리에 해당하는 길이를 갖는 계류 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 계류케이블 및 상기 제3 계류케이블은 현수형 구조를 갖는 계류 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 최외측 부유식 풍력발전기에 작용하는 상기 제1 내지 제3 계류케이블의 장력은 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 하중, 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 부력 및 외력과 서로 상쇄되어 상기 최외측 부유식 풍력발전기의 위치가 유지되는 계류 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 부유식 풍력발전기 중 상기 최외측 부유식 풍력발전기를 제외한 내측 부유식 풍력발전기에 작용하는 상기 제1 및 제2 계류케이블의 장력은 상기 내측 부유식 풍력발전기에 작용하는 하중, 상기 내측 부유식 풍력발전기의 부력 및 외력과 서로 상쇄되어 상기 내측 부유식 풍력발전기의 위치가 유지되는 계류 장치.
  6. 적어도 하나의 부유식 풍력발전기를 각각 포함하는 복수의 단위단지가 연속해서 이어져 있는 복합단지로 이루어지는 해상풍력발전단지이며,
    상기 부유식 풍력발전기와 상기 복합단지 내측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제1 계류케이블과,
    상호 인접한 부유식 풍력발전기를 연결하는 복수의 제2 계류케이블과,
    상기 복합단지의 외곽에 위치하는 부유식 풍력발전기와 상기 복합단지 외측 하방의 해저를 각각 연결하는 복수의 제3 계류케이블
    을 포함하는 해상풍력발전단지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단위단지는 도트형, 정삼각형, 정사각형 및 정육각형 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 이루어지는 해상풍력발전단지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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