KR101342138B1 - 해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법 - Google Patents

Abstract

하부구조물과 타워의 통합 운반이 가능한 해상풍력발전 장치가 개시된다.
본 발명은 해저지반에 고정되는 하부구조물과, 상기 하부구조물의 상단에 설치되는 타워와, 상기 타워의 상부에 설치되는 나셀과, 상기 나셀에 장착되는 블레이드를 포함하는 해상풍력발전 장치에 있어서, 상기 타워는 하단이 상기 하부구조물의 상단에 힌지결합되어 상기 하부구조물에서 회동가능하게 구비되고, 상기 타워의 내부에는 부력공간이 형성되고, 상기 타워의 상하부에는 상기 타워의 내부를 밀폐시키는 밀폐부재가 설치되며, 상기 타워와 상기 하부구조물 결합체는 해상에서 부유 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치를 제공한다.
이러한 해상풍력발전 장치는 타워와 하부구조물이 해상에 뜰 수 있고 서로 접힐 수 있도록 결합된 하나의 결합체로 구성되어 해상에 부유시켜 타워와 하부구조물을 통합하여 운반가능하고 설치가 용이한 효과를 얻을 수 있다.

Description

해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법{Offshore wind turbine and construction method thereof}

본 발명은 해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하부구조물과 타워의 통합 운반이 가능한 해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법에 관한 것이다.

현재 지속적인 화석연료의 비용증가와 화석연료에서 발생되는 해로운 가스로 인한 환경파괴, 화석연료의 고갈 및 핵발전 에너지와 관련된 잠재적인 위험으로 인해, 태양광에너지를 전기에너지로 변환하도록 된 태양광발전과, 바람의 힘을 전기에너지로 변환하도록 된 풍력발전이 그 대안으로 요구되고 있다.

특히, 풍력발전은 자연상태의 무공해 에너지원으로 현재의 기술에 의한 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원이다. 이러한 풍력발전을 이용한다면 산간이나 해안오지 및 방조제 등 부지를 활용함으로써 국토이용효율을 높일 수 있는 것이다.

이러한 장점 때문에, 풍력발전 시스템은 가장 유력한 대체 에너지원으로 인정을 받고 있다.

특히, 풍력발전 시스템은 구조나 설치 등이 간단하여 운영 및 관리가 용이하고 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있는 실정이다.

한편, 과거에는 풍력발전 구조물들이 주로 육상에서 이루어졌으나, 풍력자원량, 미관, 장소의 제약 등의 문제로 인해 최근에는 해상에 대규모의 풍력단지를 건설하는 추세이다.

한편, 도 1a 내지 도 1c는 종래의 해상풍력발전 장치의 설치과정을 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 1a 내지 도 1c를 보면, 해상풍력발전에 사용되는 해상풍력발전 장치는 일반적으로 발전기 설비에 해당하는 나셀(nacelle)(14)과 상기 나셀(14)의 허브에 대해 다수로 장착되어 바람에 의해 회전하는 블레이드(15) 등의 발전 설비를 갖춘 상부구조물과, 설치해역에서 해저면으로 고정되어 지지되거나 수면에서 부유되는 하부구조물 그리고, 상기 상부구조물을 하부구조물에 지지시키는 타워(13)로 이루어진다.

이와 같은 구성의 해상풍력발전 장치를 설치함에 있어서, 먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이 하부구조물을 설치해역에 설치한다.

다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 설치된 하부구조물 위에 타워(13)를 세워서 설치한다. 여기서, 석션파일(suction pile)형 해상풍력발전 장치의 경우에, 일반적으로 하부구조물은 석션파일(11)과 석션파일(11)의 상부에 세워서 설치되는 지주(12)로 구성된다.

타워(13)가 설치된 후에, 도 1c에 도시된 바와 같이 상부구조물인 나셀(14)과 블레이드(15) 조립체를 타워(13)의 상단에 설치한다.

여기서, 각 구성요소들은 설치선에 해당하는 잭-업 바지선(jack up barge)(20)을 이용하여 운반될 수 있으며, 크레인 등을 이용하여 설치될 수 있다.

그러나, 종래의 해상풍력발전 장치는 하부구조물, 타워(13) 및 나셀(14)이 모두 분리되어 있어, 각각의 구성요소들이 분리된 상태로 바지선(20)에 탑재되어 운반 후 설치된다.

이 경우, 거대한 몸집을 가진 각각의 구성요소들을 바지선(20)으로부터 개별적으로 내리며 설치해야 하므로 해상에서의 설치시간이 오래 걸리며 공사비용도 많이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 일 측면으로서, 타워와 하부구조물을 통합하여 운반가능하고 설치가 용이한 해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 해저지반에 고정되는 하부구조물과, 상기 하부구조물의 상단에 설치되는 타워와, 상기 타워의 상부에 설치되는 나셀과, 상기 나셀에 장착되는 블레이드를 포함하는 해상풍력발전 장치에 있어서, 상기 타워는 하단이 상기 하부구조물의 상단에 힌지결합되어 상기 하부구조물에서 회동가능하게 구비되고, 상기 타워의 내부에는 부력공간이 형성되고, 상기 타워의 상하부에는 상기 타워의 내부를 밀폐시키는 밀폐부재가 설치되며, 상기 타워와 상기 하부구조물 결합체는 해상에서 부유 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치를 제공한다.

상기 타워와 상기 하부구조물의 운반시 상기 타워와 상기 하부구조물을 결합부가 접힌 상태에서 결속하는 별도의 결속부재를 더 포함할 수 있다.

삭제

더욱 바람직하게, 상기 밀폐부재는 착탈가능할 수 있다.

삭제

또한 바람직하게, 상기 하부구조물은 해저지반에 고정되는 석션파일; 및 상기 석션파일의 상단에 세워지는 지주;를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 타워는 상기 지주의 상단에 플랜지결합될 수 있다.

한편, 다른 일 측면으로서 본 발명은 상기 해상풍력발전 장치의 상기 타워와 하부구조물 결합체가 힌지결합부를 통하여 결합부가 접힌 상태로 해상에 부유시켜 설치지점으로 운반하는 단계; 설치지점의 해저지반에 상기 하부구조물을 설치하는 단계; 상기 타워를 회동시켜 상기 하부구조물 상에 세워서 설치하는 단계; 및 상기 타워의 상부에 나셀 및 블레이드를 설치하는 단계;를 포함하는 해상풍력발전 장치 설치 방법을 제공한다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 타워와 하부구조물을 해상에 뜰 수 있고 서로 접힐 수 있도록 결합된 하나의 결합체로 구성하여 해상에 부유시켜 타워와 하부구조물을 통합하여 운반가능하고 설치가 용이한 효과를 얻을 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 해상풍력발전 장치를 설치하는 과정을 순서대로 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 하부구조물과 타워의 결합체를 나타내는 개략도.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 운반방법을 나타내는 개략도.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 하부구조물 설치과정을 나타내는 개략도.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 타워 설치과정을 나타내는 개략도.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 나셀과 블레이드 설치과정을 나타내는 개략도.

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.

그리고, 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다", "가지다(갖다)" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 구성에 대해서 살펴보기 위해 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 설치가 완성된 도 3d를 참조하여 설명한다.

도 3d를 보면, 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)는 하부구조물(105), 타워(130), 나셀(160) 및 블레이드(170)를 포함한다.

상기 하부구조물(105)은 해상풍력발전 장치(100)가 설치되는 지점의 해저지반에 고정된다. 일 실시예에서, 하부구조물(105)은 해저지반에 고정되는 석션파일(110) 및 석션파일(110)의 상단에 세워지는 지주(120)를 포함하는 조립체로 구성될 수 있다.

여기서, 석션파일(110)은 잘 알려진 바와 같이 파일 내부의 물이나 공기와 같은 유체를 외부로 석션함으로써 발생된 파일 내부와 외부의 압력차를 이용하여 해저지반에 관입되는 파일을 말한다. 이러한 석션파일(110)은 콘크리트 또는 강재로 구성될 수 있다.

또한, 상기 지주(120)는 석션파일(110)에 지지되며 해수면까지 연장된 기둥역할을 할 수 있다.

한편, 상기 타워(130)는 하부구조물(105)의 상단에 세워져 설치될 수 있다. 타워(130)는 지주(120)를 매개로 석션파일(110)에 지지될 수 있으며, 하단이 지주(120)의 상단에 결합되어 설치될 수 있다.

일 실시예에서, 이러한 타워(130)는 강관으로 구성될 수 있으며, 타워(130)의 상단에 설치되는 나셀(160), 블레이드(170) 등의 상부구조물을 점검 및 유지보수하기 위해 사용자가 올라갈 수 있도록 타워(130)의 내부에는 사다리같은 구조물이 구비되어 있을 수 있다.

한편, 상기 나셀(160)은 타워(130)의 상부에 설치되어 회전력을 전기에너지로 변환시키는 부분으로서, 후술할 블레이드(170)에서 발생한 회전력을 받아서 나셀(160)에 전달하는 허브(미도시)와 허브로부터 전달된 회전의 속도를 증가시키는 증속기(미도시) 그리고, 증속기와 연결되어 회전을 이용하여 전기를 발생시키는 제너레이터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 블레이드(170)는 나셀(160)에 장착되며 바람을 받아서 회전력을 발생시키는 부분으로, 복수개가 방사형으로 구비될 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)의 하부구조물(105)과 타워(130)의 결합구조에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)의 하부구조물(105)과 타워(130)의 결합체를 나타내는 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)의 타워(130)는 하단이 하부구조물(105)의 상단에 힌지결합되어 하부구조물(105)에서 회동가능할 수 있다.

즉, 타워(130)는 힌지결합부(140)를 통해 하부구조물(105)에 결합되어 있으며, 힌지결합부(140)를 통해 회동되며 하부구조물(105)에 수직으로 세워질 수도 있고, 하부구조물(105)에 닿도록 접힐 수도 있다.

상술한 일 실시예에서 하부구조물(105)이 석션파일(110)과 지주(120)를 포함하여 구성되는 경우에, 힌지결합부(140)는 타워(130)의 하단과 지주(120)의 상단을 결합시킬 수 있다.

또한, 일 실시예에서 타워(130)는 지주(120)의 상단에 플랜지결합될 수 있다. 이를 위해, 타워(130)의 하단과 지주(120)의 상단에는 플랜지(150)가 구비될 수 있으며, 타워(130)가 지주(120)의 상단에 세워지면 각각의 플랜지(150)는 서로 맞닿아 볼트 등의 체결부재를 통해 서로 결합될 수 있다.

이 경우에, 상기 힌지결합부(140)는 타워(130)와 지주(120)에 구비된 플랜지(150) 각각을 연결하며 설치될 수 있다.

한편, 상기 타워(130)의 내부에는 부력공간이 형성될 수 있다. 이를 위해, 도 3a에 도시된 바와 같이 일 실시예에서 강관으로 구성된 타워(130)의 상하부에는 타워(130)의 내부를 밀폐시키는 밀폐부재(132)가 설치될 수 있다.

즉, 밀폐부재(132)는 물이 통과하지 않는 방수재질로 구성되어 타워(130)의 상단부와 하단부에서 타워(130)의 내부공간을 밀폐시키도록 설치될 수 있다. 이와 같이, 밀폐부재(132)가 설치된 타워(130)의 내부공간으로는 물이 유입되지 않을 수 있으며, 이를 통해 타워(130)는 해상에 뜰 수 있는 구성을 가지게 된다.

또한, 일 실시예에서 상기 밀폐부재(132)는 착탈가능할 수 있다. 즉, 밀폐부재(132)는 타워(130)를 해상에 띄우기 위해 타워(130)에 부력공간을 형성하는 경우에만 필요하기 때문에 부력공간이 필요하지 않은 경우에는 탈거가능하도록 구성될 수 있다.

다만, 본 발명의 일 실시예에서 타워(130)의 부력공간은 해상에서 타워(130)가 부유시에만 필요하고 타워(130)가 설치된 후에는 사람이 출입할 수 있도록 개방되면 되므로, 밀폐부재(132) 자체가 착탈가능하도록 구성되는 것에 한정되지 않고, 고정설치된 밀폐부재(132)에 사람이 출입할 수 있는 해치(미도시)가 구비되는 구성도 가능하다.

또한, 타워(130)가 설치된 후에 밀폐부재(132)가 개방되어야 하는 이유는 나셀(160)과 블레이드(170)를 포함하는 상부구조물의 점검 및 유지보수를 하기 위한 것이므로, 착탈가능한 구조를 갖는 밀폐부재(132)나 해치는 타워(130)의 상부에 구비된 밀폐부재(132)에만 적용될 수도 있다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 설치방법에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치의 운반방법을 나타내는 개략도이고, 도 3b는 하부구조물 설치과정, 도 3c는 타워 설치과정, 도 3d는 나셀과 블레이드 설치과정을 나타내는 개략도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)를 설치될 지점까지 운반하는 경우, 힌지결합부(140)를 통해 결합된 타워(130)와 하부구조물(105) 결합체는 결합부가 접힌 상태로 해상에서 부유할 수 있다.

이때, 타워(130)의 내부에 부력공간을 형성하기 위해서 밀폐부재(132)가 설치되어 있다.

또한, 운반시 타워(130)와 하부구조물(105)의 요동을 방지하기 위해 타워(130)와 하부구조물(105)은 별도의 결속부재(200)를 이용해 결속될 수 있다.

또한, 타워(130)에 의해 하부구조물(105)도 부유되기 위해서, 하부구조물(105)을 구성하는 석션파일(110)은 강재로 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 해상풍력발전 장치(100)의 타워(130)와 하부구조물(105)은 해상에 부유한 채로 바지선(300)에 의해 설치 지점까지 운반될 수 있고, 너셀, 블레이드(170) 등의 나머지 구성요소들은 바지선(300)에 선적하여 운반할 수 있다.

한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 설치될 지점까지 운반된 해상풍력발전 장치(100)는 설치 지점에서 잭-업 바지선(300)에 있는 크레인을 사용해 하부구조물(105)이 먼저 설치될 수 있다. 여기서, 하부구조물(105) 설치는 석션파일(110)의 관입을 포함한다.

그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 하부구조물(105)이 설치된 해상풍력발전 장치(100)는 타워(130)가 세워진다. 여기서, 타워(130)가 세워지면 타워(130)와 지주(120)는 각각에 구비된 플랜지(150)를 통해 견고하게 결합될 수 있다.

마지막으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 타워(130)가 세워진 해상풍력발전 장치(100)는 너셀과 블레이드(170)가 설치될 수 있다.

이와 같이 설치될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 의한 해상풍력발전 장치(100)는 타워(130)와 하부구조물(105) 결합체를 해상에 부유한 채로 운반할 수 있어 바지선(300)에 적재하고, 설치 지점에서 내리는 과정이 없다. 이를 통해 설치에 소요되는 시간이 현저하게 줄어들 수 있으며, 설치가 용이하고 설치비용이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

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 : 해상풍력발전 장치 105 : 하부구조물
110 : 석션파일 120 : 지주
130 : 타워 132 : 밀폐부재
140 : 힌지결합부 150 : 플랜지
160 : 나셀 170 : 블레이드
200 : 결속부재 300 : 바지선

Claims (8)

1. 해저지반에 고정되는 하부구조물과, 상기 하부구조물의 상단에 설치되는 타워와, 상기 타워의 상부에 설치되는 나셀과, 상기 나셀에 장착되는 블레이드를 포함하는 해상풍력발전 장치에 있어서,
   상기 타워는 하단이 상기 하부구조물의 상단에 힌지결합되어 상기 하부구조물에서 회동가능하게 구비되고,
   상기 타워의 내부에는 부력공간이 형성되고, 상기 타워의 상하부에는 상기 타워의 내부를 밀폐시키는 밀폐부재가 설치되며,
   상기 타워와 상기 하부구조물 결합체는 해상에서 부유 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타워와 상기 하부구조물의 운반시 상기 타워와 상기 하부구조물을 결합부가 접힌 상태에서 결속하는 별도의 결속부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 밀폐부재는 착탈가능한 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 하부구조물은,
   해저지반에 고정되는 석션파일; 및
   상기 석션파일의 상단에 세워지는 지주;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 타워는 상기 지주의 상단에 플랜지결합되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 장치.
8. 해상풍력발전 장치 설치 방법에 있어서,
   제1항, 제2항, 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 기재된 해상풍력발전 장치의 상기 타워와 하부구조물 결합체가 힌지결합부를 통하여 결합부가 접힌 상태로 해상에 부유시켜 설치지점으로 운반하는 단계;
   설치지점의 해저지반에 상기 하부구조물을 설치하는 단계;
   상기 타워를 회동시켜 상기 하부구조물 상에 세워서 설치하는 단계; 및
   상기 타워의 상부에 나셀 및 블레이드를 설치하는 단계;
   를 포함하는 해상풍력발전 장치 설치 방법.

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