KR101353141B1 - 발전시스템 및 이의 시공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전시스템 및 이의 시공방법에 관한 것이며, 본 발명의 발전시스템 및 이의 시공방법은 상부는 해수면 위로 노출되도록 설치되며, 내부로 해수가 통과할 수 있도록 해수의 유동방향을 따라 유로부가 형성된 케이슨; 상기 유로부에 착탈식으로 마련되며 상기 유로부를 통해 공급되는 해수에 의해 회전하는 임펠러부; 상기 케이슨의 상부에 마련되며, 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 견인부;를 포함하며, 상기 견인부는 상기 케이슨 상부에 마련되어 해수면 위로 노출되는 레일 부재; 상기 레일 부재를 따라서 이동가능하며 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 윈치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 대형 해상장비가 아닌 바지선과 육상 크레인을 이용하여 하부 구조물 시공이 간단하고 공사비를 절감하며, 해수면으로 노출된 케이슨의 상부에서 윈치를 통해 유지보수가 용이한 발전시스템이 제공된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 대형 해상장비가 아닌 바지선과 육상 크레인을 이용하여 하부 구조물 시공이 간단하고 공사비를 절감하며, 해수면으로 노출된 케이슨의 상부에서 윈치를 통해 유지보수가 용이한 발전시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 발전시스템 및 이의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이슨에 조류발전장치 및 풍력발전장치를 설치하여 전기를 생산하며, 케이슨 최상부에 설치된 윈치를 이용하여 시스템을 유지보수할 수 있는 발전시스템 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
해양에서 개발되고 있는 에너지는 조류발전, 조력발전, 파력발전, 온도차발전, 풍력발전 등이 대표적이다. 조력발전은 조석현상에 의해 생기는 해면 높이의 위치 에너지를 전력으로 변화하는 발전방식으로, 만조때 유입된 바닷물을 높은 곳의 저수지에 가두어 두었다가 간조 때 방수해 발전기를 회전시킨다. 다만 조력발전은 입지조건이 제한되며 방조제나 조력 댐의 건설비용이 비싸다. 또한, 댐 등을 시공하기 때문에 갯벌이 황폐화될 수 있어 환경론자 및 인근 주민의 반발이 발생한다는 문제가 발생한다.
조류발전이란 물살이 빠른 곳에 수차발전기를 설치하여 전기를 생산하는 것을 말한다. 자연적인 조류 흐름을 그대로 이용하여 발전한다는 점에서 댐 등을 추가적으로 설치해야 하는 조력발전과는 차이가 있으며, 주변 생태계에 부정적 영향을 미치지 않는 친환경적인 대체에너지 시스템으로 각광을 받고 있다.
현재 조류발전의 지지구조로 사용되는 구조형식은 주로 파일 고정식, 수중 착저식, 부유 계류식, 쟈켓식이 사용되고 있다. 특히, 해저 지반이 암반인 경우에는 수중 착저식이나 쟈켓식이 적용되고 있으나, 설치시에 대형 해상 크레인등의 대형 장비를 사용하게 되므로, 공사비가 증가하고 유지보수가 어렵다는 문제점이 발생한다.
또한, 우리나라의 조류 발전의 경우, 서남해안의 진도, 신안 등의 섬과 섬 사이의 수로에서 조류속이 빨라 조류에너지가 풍부하다고 평가받고 있으나, 올돌목 시험 조류발전소의 건설 사례에서 볼 수 있듯이 해저가 노출암으로 이루어진 지반에 조류속이 빨라서 자켓 구조물의 설치시 구조물의 안정성을 확보하기 어렵다는 문제가 발생한다.
풍력발전이란 풍력에너지로 풍차를 회전시켜 기계적 에너지로 변환하여 발전하는 것을 말한다. 풍력발전의 발전량은 바람의 속도 및 풍차의 크기에 의존하며, 바람의 속도는 최소 4m/s가 필요하다. 따라서 풍향이 우수한 해안이나 산간지역이 입지지역으로 고려되고 있으며, 우리나라의 경우 전북 무안과 제주도, 강원도 등에 설치되어 발전하고 있다. 다만, 바람의 항상 부는 것은 아니므로 에너지를 저장하기 위한 충전기술이 사용되어야 하며, 이는 비용이 많이 든다는 문제점이 발생한다.
또한, 해상풍력의 지지구조를 설치하기 위해,해상 풍력의 설치 전용선이나 잭업 바지(Jack-up Barge)등의 대형 장비를 사용하게 되어 공사비가 급격히 증가하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대형 해상장비가 아닌 바지선과 육상 크레인을 이용하여 하부 구조물 시공이 간단하고 공사비를 절감하며, 해수면으로 노출된 케이슨의 상부에서 윈치를 통해 유지보수가 용이한 발전시스템을 제공함에 있다.
또한, 조력발전구조물 상에 풍력발전구조물을 설치하여 육상 풍력발전과 같은 조건을 형성하여 풍력발전을 단순화시킬 수 있는 발전시스템을 제공함에 있다.
또한, 조력발전과 풍력발전을 개별적으로 개발하는 경우보다 경제성이 확보되며, 해상풍력은 에너지원의 불규칙성으로 일정한 발전이 불가능하지만, 조류발전의 경우 흐름을 정확히 예측할 수 있어, 양 발전을 동시 수행한다면 각 에너지원의 발전특성을 상호 보완하는 복합발전의 하이브리드화가 가능한 발전시스템을 제공함에 있다.
또한, 해상 풍력의 단일 시스템에 비해 발전 용량의 증가 및 발전 전력의 이용성의 극대화가 가능하며, 한가지 구조물에 2가지의 복합발전 시스템을 장착하여 공사비의 절감이 가능하며, 대형 해상 크레인등 대형 장비를 사용할 필요가 없어 경제적이고 유지보수가 용이한 발전시스템의 시공방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 상부는 해수면 위로 노출되도록 설치되며, 내부로 해수가 통과할 수 있도록 해수의 유동방향을 따라 유로부가 형성된 케이슨, 상기 유로부에 착탈식으로 마련되며 상기 유로부를 통해 공급되는 해수에 의해 회전하는 임펠러부, 상기 케이슨의 상부에 마련되어 해수면 위에서 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 견인부;를 포함하며, 상기 견인부는 케이슨 상부에 마련되어 해수면 위로 노출되는 레일 부재 및 상기 레일 부재를 따라서 이동하며 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 윈치를 포함하는 것이 바람직하다.
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또한, 상기 케이슨에는 상기 임펠러부가 설치된 위치로부터 상기 케이슨의 상측을 관통하는 안내홀이 형성되고, 상기 윈치에 의하여 상기 유로부로부터 분리된 상기 임펠러부가 상기 안내홀을 따라 상기 케이슨 상부로 운반되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 케이슨의 상부에 설치되며, 해풍을 이용하여 발전하는 해상 풍력 타워를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 케이슨의 상부에는 상기 해상 풍력 타워의 하부가 삽입되는 삽입구가 형성되며, 상기 삽입구의 경계면으로부터 연장되어 상기 해상 풍력 타워를 상기 삽입구측으로의 삽입경로로 안내하는 돌출부와 상기 돌출부의 단부와 상기 해상 풍력 타워를 고정하도록 조여주는 고정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유로부는 유수방향으로 통로의 면적이 감소하여 해수가 가속하는 가속구간이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유로부는 복수개로 형성되며, 상기 가속구간이 형성된 유로부에는 유수방향과 동일한 회전축을 갖는 수평축 임펠러를 구비하며, 상기 가속구간이 형성되지 않은 유로부에는 중력방향으로 중심축방향을 갖는 수직축 임펠러가 설치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 수직축 임펠러의 전방 또는 후방에 설치되며, 상기 수직축 임펠러의 중심축을 중심으로 좌측 또는 우측으로 편향되게 형성되어 상기 수직축 임펠러의 회전방향을 일정하게 유지하는 실드를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 케이슨은 해저면에 타설된 마운드 상부에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 내부로 해수가 통과하도록 해수의 유동방향을 따라 유로부가 형성된 케이슨을 마련하는 준비단계; 육상에서 상기 케이슨의 유로부에 임펠러부 또는 가속구간 중에서 적어도 어느 하나를 설치하는 1차 설치 단계; 상기 케이슨이 마련되는 해저면에 상기 케이슨을 지지하는 사석 마운드를 시공하는 마운드 시공단계; 상기 케이슨을 상기 사석 마운드가 시공된 장소로 운반하는 운반단계; 상기 사석 마운드 상으로 상기 운반된 케이슨을 상부가 해수면 위로 노출되도록 설치하는 케이슨 설치단계; 상기 설치된 케이슨에, 이동하며 상기 케이슨으로부터 상기 임펠러를 착탈시키는 견인부 및 상기 1차 설치단계에서 설치하지 못한 장치를 추가적으로 설치하는 2차 설치단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템의 시공방법이 제공된다.
여기서, 상기 케이슨의 상부에 해상 풍력 타워의 하부가 삽입되는 삽입구를 형성하는 삽입구 형성단계와 상기 삽입구의 경계면으로부터 연장되어 해상 풍력 타워를 상기 삽입구측으로의 삽입경로로 안내하는 돌출부 형성단계와 상기 삽입구에 해상 풍력 타워의 하부를 삽입하는 타워 삽입 단계와 상기 돌출부의 단부에 고정부를 설치하여 조여줌으로써 상기 해상 풍력 타워를 상기 케이슨에 고정하는 타워 고정 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 윈치를 통해 케이슨 상부로 수평축 임펠러 또는 수직축 임펠러를 분리하여 유지보수를 용이하게 하며 비용을 절감할 수 있는 발전시스템이 제공된다.
또한, 레일 부재를 마련하여 윈치가 레일 부재를 따라서 이동하므로 서로 다른 위치에 설치된 수평축 임펠러 또는 수직축 임펠러의 분리가 용이하다.
또한, 케이슨 내부에 설치된 임펠러와 케이슨 상부에 설치된 해상 풍력 타워를 이용하여 조류발전 및 풍력발전을 통해 전력의 생산이 가능하므로, 단일 시스템에 비해 발전 용량의 증가 및 발전 전력의 이용성 극대화가 가능하며, 한가지 구조물에 2가지의 발전시스템이 장착되어 초기 공사비의 절감이 가능하다.
또한, 유로부에 형성된 가속구간을 통해 해수의 속도가 가속되므로, 더 빠른 해수를 이용하여 발전 용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 수직축 임펠러의 전방 또는 후방에 설치되는 실드에 의해 해수의 흐름을 조절하여 수직축 임펠러의 회전 방향을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 케이슨이 설치되는 해저면에 마운드층을 형성하여 해저면에 케이슨이 고정되도록 케이슨 하부에 뽀족한 홈으로 형성된 침부를 형성할 필요가 없어 가공비가 절감된다
또한, 대형 해상 장비가 없이 소형 해상 장비만으로도 해저면에 쉽게 설치가 가능한 발전시스템의 시공방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 2는 도 1의 발전시스템을 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 3은 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리하기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리한 후의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 6는 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7은 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되어 고정된 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 8은 도 5의 발전시스템에서 삽입구를 부분적으로 확대한 평면도이고,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이고,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이다.
도 2는 도 1의 발전시스템을 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 3은 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리하기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리한 후의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 6는 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7은 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되어 고정된 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 8은 도 5의 발전시스템에서 삽입구를 부분적으로 확대한 평면도이고,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이고,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템 및 이의 시공방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템을 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1의 발전시스템을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 3은 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리하기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 도 1의 발전시스템에서 견인부로 임펠러부를 분리한 후의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템은 케이슨(110)과 임펠러부(120)와 견인부(130)를 포함한다.
상기 케이슨(110)은 해수가 통과하는 유로부(111)와 후술할 임펠러부(120)가 케이슨(110)으로부터 분리되는 통로인 안내홀(113)를 포함한다.
도면 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에서 케이슨(110)은 2층으로 구성되며, 1층에는 3구역으로 형성되며, 2층에는 3구역(이하 왼쪽부터 A구역, B구역, C구역으로 설명한다.)으로 형성된다. 1층에는 마운트층(150)에 케이슨(110)을 설치한 후, 해수의 유동에 의하여 케이슨(110)이 이동하는 것을 방지하도록 1층의 각 구간에 콘크리트를 타설하여 하부 콘크리트층(115)을 형성한다. 즉, 1층의 3구역은 모두 콘크리트로 채워져 있다.
2층은 유로부(111)로 이용되며, A, C 구역은 가속구간(112)이 형성되지 않았으며, B 구역에만 가속구간(112)이 형성되어 있다. 2층 상부에는 후술할 안내홀(113)이 형성되는 부분을 제외한 다른 부분에 육상작업이 용이하도록 콘크리트를 타설하여 평탄화하는 상부 콘크리트층(114)를 형성한다.
상기 유로부(111)는 해수가 통과하는 통로이며, 케이슨(110)의 2층에 형성되어 있다. 유로부(111)는 후술할 해수에 의해 회전하게 되는 임펠러부(120)가 설치되는 공간이다.
본 발명의 제1실시예에서는 3개의 유로부(111)로 형성되며, B 구역의 유로부(111)에는 내벽과 접촉하며, 유수방향으로 해수와의 접촉면적이 감소하여 해수의 속도가 가속되도록 가속구간(112)이 형성된다. 이는 연속방정식에 의해 설명되는데, 연속방정식이란 질량보존의 법칙의 다른 표현으로 관속을 흐르는 물의 질량은 어느 위치에 있어서 동일하다는 원리이다. 연속방정식은 하기 수식에 의해 표현되는데, 이에 따라서 물의 속도와 물이 통과하는 단면은 반비례하게 된다.
A1은 가속구간(112) 입구의 단면적이고 v1은 가속구간(112) 입구에서의 해수의 속도이다. A2는 가속구간(112) 출구의 단면적이고, v2는 가속구간(112) 출구에서의 해수의 속도이다.
즉, 가속구간(112)과 같이 해수가 통과하는 방향으로 해수와의 접촉면적이 작아진다면 해수의 속도는 증가하게 된다. 다시 표현하면, 가속구간(112)의 입구에서 출구쪽으로 해수가 유동하면서 속도는 빨라지게 되는 것이다.
본 발명의 제1실시예에서 가속구간(112)은 덕트 타입 햇(Duct Type Hat)으로 형성되어 케이슨(110)과 분리되도록 착탈식으로 마련되며, 가속구간(112)의 측면은B구역의 유로부(111)의 벽과 접촉한다. 다만, 가속구간(112)이 덕트 타입 햇에 한정되는 것은 아니며, 또한 유로부(111)의 개수도 3개로 한정되는 것은 아니며 케이슨의 크기에 따라 변경이 가능하다.
또한 유로부(111)의 입구나 출구에 해수에 존재하는 이물질을 제거하는 슬릿월을 포함할 수 있다. 슬릿월은 해수만이 유로부(111)를 통과하게 만들며, 임펠러의 고장을 초래하는 부유물, 미역, 생선등의 유입을 방지하고 해수의 흐름을 가속시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 안내홀(113)은 후술할 견인부(130)에 의해 후술할 임펠러부(120)가 케이슨(110)의 상부로 분리되도록 마련되는 통로이다. 본 발명의 제1실시예에 따르면, 임펠러부(120)가 설치되는 부분의 상측으로부터 수직으로 케이슨(110)의 상부를 관통하도록 형성된다.
상기 임펠러부(120)는 유로부(111)에 마련되며, 유로부(111)를 통과하는 해수에 의해 회전하여 전력을 생산하도록 하는 장치이다. 임펠러부(120)은 유로부(110)에 가속구간(112)이 형성되어 있는지 여부에 따라, 수평축 임펠러(121) 또는 수직축 임펠러(122)로 이루어진다.
상기 수평축 임펠러(121)는 유수방향과 중심축방향이 동일하도록 마련된 임펠러로서, 수평축 임펠러(121)의 모든 날개가 해수와 동시에 접촉하여 회전한다. 수평축 임펠러(121)는 가속구간(112)을 통과하여 가속되는 해수를 활용하기 위해 가속구간(112)내에 형성된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 수평축 임펠러(121)는 케이슨(110)의 2층에서 가속구간(111)이 마련된 B구역의 유로부(111)에 가속구간(112)의 중심축과 동일한 중심축을 갖도록 설치된다.
보다 상세히 설명하면, 가속구간(112)의 내부에 설치되며, 가속구간(112)의 출구에 가깝게 설치될수록 더 빠른 해수를 회전에 이용할 수 있으나 해수방향으로 가속구간(112)의 단면적이 감소하므로 가속구간(112) 내부에 설치되는 수평축 임펠러(121)의 크기도 고려해야 한다. 즉, 가속구간(112)에서 해수방향으로의 단면적과 수평축 임펠러(121)의 크기를 고려하여 수평축 임펠러(121)의 설치 위치를 정하는 것이 바람직하다.
상기 수직축 임펠러(122)는 중력방향과 중심축방향이 동일하도록 마련된 임펠러로서, 가속구간(112)이 형성되지 않은 A, C 구역의 유로부(111)에 설치된다. 또한, 수직축 임펠러(122)의 전면부로 해수가 통과하면 수직축 임펠러(122)가 회전하지 못하는 문제점이 발생할 수 있으므로, 수직축 임펠러(122)의 전방 또는 후방에는 수직축 임펠러(122)의 중심축을 기준으로 좌우측 내벽까지 연장되어 해수의 흐름을 제어할 수 있는 실드(123)가 설치된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 수직축 임펠러(122)는 가속구간(112)이 형성되지 않은 A, C 구역의 하면에 중심축을 고정하여 설치된다. 중력방향으로 하나의 중심축을 갖는 3개의 수직축 임펠러(122)가 직경순으로 배열하여 3개의 수직축 임펠러(122) 중에서 상부에 배치된 수직축 임펠러(122)의 직경이 가장 크며, 하부에 배치된 수직축 임펠러(122)의 직경이 가장 작게 된다.
또한, 상기 실드(123)는 수직축 임펠러(122)가 일방향으로 회전을 하도록 수직축 임펠러(122)의 전방 또는 후방에 설치되며, 수직축 임펠러(122)의 중심축을 중심으로 좌측 또는 우측으로 편향되도록 설치된다.
본발명의 제1실시예에 따르면, A, C 구역에 형성된 유로부(112)에는 수직축 임펠러(122)의 중심축을 기준으로 우측 내벽까지 편향되어 실드(123)가 설치된다. 따라서, A 구역에 형성된 유로부(112)는 해수가 통과하는 경우 수직축 임펠러(122)가 시계방향으로 회전한다.
또한, C 구역에 형성된 유로부(112)에는 수직축 임펠러(122)의 중심축을 기준으로 좌측 내벽까지 편향되어 실드(123)가 설치된다. 따라서, C 구역에 형성된 유로부(112)는 해수가 통과하는 경우 수직축 임펠러(122)가 반시계방향으로 회전한다.
다만, 실드(123)의 설치 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 수직축 임펠러(122)의 회전 방향을 일정하게 유지한다는 조건을 만족한다면 자유롭게 설치 위치를 변경할 수 있다.
상기 견인부(130)는 케이슨(110)의 상부에 마련되어, 임펠러부(120)를 케이슨(110)으로부터 분리한다. 견인부(130)는 레일 부재(131)와 윈치(132)를 포함한다.
상기 레일 부재(131)는 해수면 위로 노출되도록 케이슨(110)의 상부에 설치된다. 후술할 윈치(132)가 레일 부재(131)를 따라서 이동할 수 있다.
상기 윈치(132)는 레일 부재를 따라서 이동하며 상기 임펠러부(120)를 상기 케이슨으로부터 분리한다. 즉, 윈치(132)는 하부에 휠이 마련되어 레일 부재(131)를 따라 미끄러지며 이동한다. 윈치(132)는 주지한 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
지금부터는 상술한 발전시스템의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 해수의 흐름을 기준으로 본발명의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
해수는 케이슨(110) 2층에 마련된 유로부(111)로 유입된다.
B구역의 유로부(111)로 유입된 해수는 가속구간(112)를 통과하게 되며, 가속구간(112)을 통과하면서 유속이 빨라지게 되며, 이러한 해수가 수평축 임펠러(121)의 전면부를 통과하면서 수평축 임펠러(121)를 회전시킨다. 이 후, 해수는 B구역의 유로부(111)의 출구를 따라 케이슨(110) 외부로 배출된다.
A,C 구역의 유로부(111)로 유입된 해수는 유입시의 속도를 유지하며 유로부(111)를 통과한다. 실드(123)에 의해 해수의 흐름이 제한되며, A구역의 유로부(111)의 수직축 임펠러(122)는 시계방향으로 회전을 유지하며, C구역의 유로부(111)의 수직축 임펠러(122)는 반시계방향으로 회전을 유지한다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 실드(123)의 설치 위치에 따라 수직축 임펠러(122)의 회전 방향은 달라질 수 있다.
임펠러부(120)가 케이슨(110)으로부터 분리되는 과정을 기준으로 본 발명의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 윈치(132)가 레일 부재(131)를 따라 임펠러부(120)를 케이슨(110)으로부터 분리하기 위한 적절한 장소로 이동된다. 수평축 임펠러(121)는 가속구간(112)의 내부에 설치되므로 수평축 임펠러(121)를 분리하기 위해서는 가속구간(112)도 함께 분리해 내야 한다. 가속구간(112)과 수평축 임펠러(121)의 중심축은 동일하므로, 가속구간(112) 및 수평축 임펠러(121)를 분리하기 위해서 윈치(132)는 가속구간(112)과 수평축 임펠러(121)의 중심축선 상에 위치시키는 것이 바람직하다.
A, C 구역의 유로부(111)에 형성된 복수개의 수직축 임펠러(122)는 하나의 중심축을 갖으므로 윈치(132)는 중심축과 최소 거리를 갖는 위치로 이동시키는 것이 바람직하다.
임펠러(121)를 분리해내는 동안 윈치(132)가 이동하여 다른 사고가 발생하는 것을 방지하도록 이동된 윈치(132)를 고정하며, 윈치(132)에 설치된 로프를 이용하여 수평축 임펠러(121) 또는 수직축 임펠러(122)를 안내홀(113)을 따라 케이슨(110) 상부로 들어올린다. 수평축 임펠러(121), 수직축 임펠러(122) 또는 가속구간(112)은 중량은 상당하므로 외부동력을 이용하여 수평축 임펠러(121), 수직축 임펠러(122) 또는 가속구간(112)을 분리하는 것이 바람직하다.
즉, 윈치(132)를 이용하여 수평축 임펠러(121) 또는 수직축 임펠러(122)를 케이슨(110)의 상부로 인양한 후 유지보수가 가능하다. 종래의 조류발전 시스템이 유지보수를 위해 ROV와 해상크레인등의 고가의 장비를 필요로 한 것에 비해, 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템은 소형장치를 이용하여 케이슨(110) 상부에서 육상공사를 하므로 유지보수가 용이하고, 비용이 저렴하다는 장점을 갖는다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 6는 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되기 전의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 7은 도 5의 발전시스템에서 해상 풍력 타워가 삽입구에 삽입되어 고정된 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 도 5의 발전시스템에서 삽입구를 부분적으로 확대한 평면도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템은 케이슨(210)과 돌출부(217)와 고정부(218)와 임펠러부(220)와 견인부(230)와 해상 풍력 타워(240)를 포함한다.
상기 케이슨(210)의 상부에는 해상 풍력 타워(240)의 하부가 삽입되는 삽입구(216)가 형성된다. 삽입구(216)는 가속구간(112)이 형성된 B 구역의 유로부(211)의 입구와 가속구간(212)의 중간지점에서 케이슨(210) 상측으로 관통하도록 형성된다. 삽입구(216)가 형성되는 위치에는 콘크리트가 타설되는 상부 콘크리트층(214)이 마련되지 않는다.
상기 돌출부(217)는 삽입구(216)의 경계면으로부터 연장되어 돌출되도록 형성되며, 해상 풍력 타워(240)의 하부가 삽입구(216) 측으로 삽입되는 안내통로가 된다. 돌출부(217)가 돌출되는 높이는 해상 풍력 타워(240)의 하중에 따라 적절하게 조정할 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따르면, 돌출부(217)는 케이슨(210) 내벽에서 연장된 철근을 이용하여 제작하여 별도의 추가비용이 없이도 돌출부(217)를 형성하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고정부(218)는 돌출부(217)의 단부에 삽입되어 해상 풍력 타워(240)를 조여줌으로써, 해상 풍력 타워(240)가 케이슨(210)에 고정되도록 한다. 본 발명의 제2실시예에서 고정부(218)는 돌출부(217)의 중간부에 삽입되며 볼트로 형성되나, 여기에 제한되는 것은 아니다.
상기 해상 풍력 타워(240)는 삽입구(216)에 삽입되며, 해풍에 의해 블레이드가 회전하게 된다. 해상 풍력 타워(240)가 수평 풍하중 및 공기역학적 하중에 저항하도록 해상 풍력 타워(240)의 후면에는 타워지지부재(241)가 설치될 수 있다. 타워지지부재(241)는 일단부가 해상 풍력 타워(240)의 후면에 접촉하며, 타단부가 케이슨(210)의 상부에 접촉하여 경사를 이루며 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 케이슨(210)의 상부의 남는 공간을 활용하여 공기압축에너지저장시스템(CAES)의 설비를 설치하여 정출력 해상풍력 시스템으로 활용할 수 있다.
삽입구(216)와 해상 풍력 타워(240)의 결합과정을 다시 설명하면, 케이슨(210) 내부에서 연장되는 철근을 이용하여 형성된 돌출부(217)에 해상 풍력 타워(240)가 삽입되면, 해상 풍력 타워(240)의 하부와 연결하기 위해 돌출부(217)에 설치된 고정부(218)가 볼팅되어 해상 풍력 타워(240)가 고정된다.
지금부터는 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 발전시스템의 시공방법은 준비단계(S110)와 1차 설치단계(S120)와 마운드 시공단계(S130)와 운반단계(S140)와 케이슨 설치단계(S150)와 2차 설치단계(S160)을 포함한다.
상기 준비단계(S100)는 내부로 해수가 통과하도록 유로부(111)가 형성된 케이슨(110)을 준비하는 단계이다.
상기 1차 설치단계(S120)은 육상에서 케이슨(110)에 임펠러부(120) 또는 가속구간(112) 중에서 적어도 하나를 설치하는 단계이다. 먼저, 케이슨(110)의 유로부(111) 중에서 가속구간(112)을 설치할 유로부(111)를 선정하며, 가속구간(112)이 설치된 유로부(111)에는 가속구간(112) 내부에 수평축 임펠러(121)를 설치한다.
가속구간(112)이 설치되지 않은 유로부(111)에는 수직축 임펠러(122)가 설치된다. 수직축 임펠러(122)는 복수의 층으로 구비되어, 상부에 마련된 수직형 임펠러(122)의 직경이 크며, 하부로 내려올수록 수직형 임펠러(122)의 직경이 작아진다.
또한, 해수의 흐름을 조절하여 수직축 임펠러(122)의 회전 방향을 일정하게 유지하도록 수직축 임펠러(122)의 전방 또는 후방에, 수직축 임펠러(122)의 중심축을 기준으로 좌측 또는 우측으로 편향되도록 실드(123)가 설치된다.
다만, 가속구간(112), 수평축 임펠러(121), 수직축 임펠러(122), 실드(123)가 항상 1차 설치단계(S120)에서만 설치되는 것은 아니며, 후술할 2차 설치단계(S160)에서 추가 설치가 가능하다. 또한, 1차 설치단계(S120)를 생략하고 후술할 2차 설치단계(S160)에서 가속구간(112), 수평축 임펠러(121), 수직축 임펠러(122) 및 실드(123)의 설치도 가능하다.
상기 마운드 시공단계(S130)는 케이슨(110)이 마련되기로 예정된 해저면에 마운드층(150)을 시공하여 해저면을 평탄화시키고, 케이슨(110)이 지지될 수 있도록 하는 단계이다. 즉, 마운드층(150)을 형성하여 중력식 지지구조를 마련하여 지지됨으로써, 케이슨(210) 하부에 뾰족하게 형성된 침부를 형성할 필요가 없어 공사비가 절감될 수 있다.
상기 운반단계(S140)는 케이슨(110)을 마운드층(150)이 시공된 장소로 운반하는 단계이다. 운반과정에 있어서, 대형선박등을 이용할 필요없이 부력을 이용하여 소형해상장비를 통해 운반한다.
상기 케이슨 설치단계(S150)는 마운드층(150)이 시공된 해저면에 케이슨(110)을 상부가 해수면 위로 노출되도록 설치하는 단계이다. 평탄화된 마운드층(150) 위로 케이슨(110)이 설치되므로, 케이슨(110)의 하중 분산, 침하 방지등의 효과를 기대할 수 있다.
2차 설치단계(S160)는 케이슨(110)으로부터 임펠러부(120)를 분리하는 견인부(130) 및 1차 설치단계(S110)에서 설치되지 않은 다른 장치들을 설치하는 단계이다. 2차 설치단계(S160)는 1차 설치단계(S110)의 경과에 따라 유동적으로 변경되며, 적어도 레일 부재(131) 및 윈치(132)를 포함하는 견인부(130)는 2차 설치단계(S160)에서 설치되는 것이 바람직하다.
지금부터는 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템의 시공방법에 대한 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 발전시스템의 시공방법은 준비단계(S210)와 1차 설치단계(S220)와 마운드 시공단계(S230)와 운반단계(S240)와 케이슨 설치단계(S250)와 2차 설치단계(S260)와 삽입구 형성단계(S270)와 돌출부 형성단계(S280)와 타워 삽입 단계(S290)와 타워 고정 단계(S295)를 포함한다.
준비단계(S210) 내지 견인부 설치단계(S260)는 제1실시예와 차이점이 없으므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 삽입구 형성단계(S270)는 케이슨(210)의 상부에 해상 풍력 타워(240)의 하부가 삽입되는 삽입구(216)가 형성되는 단계이다. 삽입구(216)는 유로부(211)의 입구와 가속구간(212)의 입구 사이에서 케이슨(210)을 관통하도록 케이슨(210) 상부에 마련되어 해상 풍력 타워(240)가 해풍의 영향을 더 받도록 하는 것이 바람직하다.
상기 돌출부 형성단계(S280)는 삽입구(216)의 경계면으로부터 케이슨(210) 상측으로 연장되는 돌출부(217)를 형성하는 단계이다. 돌출부(217)는 케이슨(210) 내벽에서 연장되는 철근을 이용하여 제작한다. 또한, 해상 풍력 타워(240) 하부를 고정하는 고정부(218)를 미리 설치할 수 있다.
상기 타워 삽입 단계(S290)는 삽입구(216)에 해상 풍력 타워(240)의 하부를 삽입하는 단계이다. 해상 풍력 타워(240)가 강관으로 형성되어 있다면 케이슨(210) 상부에 육상 크레인을 설치하여 유압잭을 이용한 잭-업 리프팅 방식(Jack-up lifting system)으로 설치할 수 있고, 콘크리트로 형성되어 있다면 ACS(Auto Climbing System) 공법을 이용하여 해상 풍력 타워(240)를 설치할 수 있으므로, 대형 해상 장비가 불요하다. 다만, 이러한 방식에 제한되는 것은 아니다.
상기 타워 고정 단계(S295)는 돌출부(217)의 단부에 고정부(218)를 설치하여 조여줌으로써 해상 풍력 타워(240)를 고정하는 단계이다. 고정부(218)로 볼트가 사용될 수 있으며, 볼팅(bolting) 작업을 하여 해상 풍력 타워(240)의 하부를 조여줌으로써, 해상 풍력 타워(240)를 케이슨(210)에 고정한다.
또한, 해상 풍력 타워(240)가 수평 풍하중 및 공기역학적 하중에 저항하도록 해상 풍력 타워(240)의 후면에는 타워지지부재(241)가 설치될 수 있다. 타워지지부재(241)는 일단부가 해상 풍력 타워(240)의 후면에 접촉하며, 타단부가 케이슨(210)의 상부에 접촉하여 경사를 이루며 설치되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 제2실시예에 따라 케이슨(210)에 해상 풍력 타워(240)를 설치하는 과정은 대형 해상 장비가 아닌 바지선과 육상 크레인등과 같은 소형 장비를 이용할 수 있게 되어 시공을 용이하게 하며, 공사비를 절감할 수 있게 한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 발전시스템 110: 케이슨
111: 유로부 112: 가속구간
113: 안내홀 114: 상부 콘크리트층
115: 하부 콘크리트층 120: 임펠러부
121: 수평축 임펠러 122: 수직축 임펠러
123: 실드 130: 견인부
131: 레일 부재 132: 윈치
150: 마운드층
200: 발전시스템 210: 케이슨
211: 유로부 212: 가속구간
213: 안내홀 214: 상부 콘크리트층
215: 하부 콘크리트층 216: 삽입구
217: 돌출부 218: 고정부
220: 임펠러부 221: 수평축 임펠러
222: 수직축 임펠러 223: 실드
230: 견인부 231: 레일 부재
232: 윈치 240: 해상 풍력 타워
241: 타워 지지부재 250: 마운드층
S100: 발전시스템의 시공방법 S110: 준비단계
S120: 1차 설치단계 S130: 마운드 시공단계
S140: 운반단계 S150: 케이슨 설치단계
S160: 2차 설치단계
S200: 발전시스템의 시공방법 S210: 준비단계
S220: 1차 설치단계 S230: 마운드 시공단계
S240: 운반단계 S250: 케이슨 설치단계
S260: 2차 설치단계 S270: 삽입구 형성단계
S280: 돌출부 형성단계 S290: 타워 삽입단계
S295: 타워 고정단계
111: 유로부 112: 가속구간
113: 안내홀 114: 상부 콘크리트층
115: 하부 콘크리트층 120: 임펠러부
121: 수평축 임펠러 122: 수직축 임펠러
123: 실드 130: 견인부
131: 레일 부재 132: 윈치
150: 마운드층
200: 발전시스템 210: 케이슨
211: 유로부 212: 가속구간
213: 안내홀 214: 상부 콘크리트층
215: 하부 콘크리트층 216: 삽입구
217: 돌출부 218: 고정부
220: 임펠러부 221: 수평축 임펠러
222: 수직축 임펠러 223: 실드
230: 견인부 231: 레일 부재
232: 윈치 240: 해상 풍력 타워
241: 타워 지지부재 250: 마운드층
S100: 발전시스템의 시공방법 S110: 준비단계
S120: 1차 설치단계 S130: 마운드 시공단계
S140: 운반단계 S150: 케이슨 설치단계
S160: 2차 설치단계
S200: 발전시스템의 시공방법 S210: 준비단계
S220: 1차 설치단계 S230: 마운드 시공단계
S240: 운반단계 S250: 케이슨 설치단계
S260: 2차 설치단계 S270: 삽입구 형성단계
S280: 돌출부 형성단계 S290: 타워 삽입단계
S295: 타워 고정단계
Claims (11)
- 상부는 해수면 위로 노출되도록 설치되며, 내부로 해수가 통과할 수 있도록 해수의 유동방향을 따라 유로부가 형성된 케이슨;
상기 유로부에 착탈식으로 마련되며 상기 유로부를 통해 공급되는 해수에 의해 회전하는 임펠러부;
상기 케이슨의 상부에 마련되며, 해수면 위에서 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 견인부;를 포함하며,
상기 견인부는 상기 케이슨 상부에 마련되어 해수면 위로 노출되는 레일 부재 및 상기 레일 부재를 따라서 이동가능하며 상기 임펠러부를 상기 유로부로부터 착탈시키는 윈치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 케이슨에는 상기 임펠러부가 설치된 위치로부터 상기 케이슨의 상측을 관통하는 안내홀이 형성되고, 상기 윈치에 의하여 상기 유로부로부터 분리된 상기 임펠러부가 상기 안내홀을 따라 상기 케이슨 상부로 운반되는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 케이슨의 상부에 설치되며, 해풍을 이용하여 발전하는 해상 풍력 타워를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 3항에 있어서,
상기 케이슨의 상부에는 상기 해상 풍력 타워의 하부가 삽입되는 삽입구가 형성되며,
상기 삽입구의 경계면으로부터 연장되어 상기 해상 풍력 타워를 상기 삽입구측으로의 삽입경로로 안내하는 돌출부; 상기 돌출부의 단부와 상기 해상 풍력 타워를 고정하도록 조여주는 고정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 유로부는 유수방향으로 통로의 면적이 감소하여 해수가 가속하는 가속구간이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 5항에 있어서,
상기 유로부는 복수개로 형성되며,
상기 가속구간이 형성된 유로부에는 유수방향과 동일한 회전축을 갖는 수평축 임펠러를 구비하며,
상기 가속구간이 형성되지 않은 유로부에는 중력방향으로 중심축방향을 갖는 수직축 임펠러;가 설치된 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 수직축 임펠러의 전방 또는 후방에 설치되며,
상기 수직축 임펠러의 중심축을 중심으로 좌측 또는 우측으로 편향되게 형성되어 상기 수직축 임펠러의 회전방향을 일정하게 유지하는 실드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 제1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 케이슨은 해저면에 타설된 마운드 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 발전시스템. - 내부로 해수가 통과하도록 해수의 유동방향을 따라 유로부가 형성된 케이슨을 마련하는 준비단계;
육상에서 상기 케이슨의 유로부에 임펠러부 또는 가속구간 중에서 적어도 어느 하나를 설치하는 1차 설치 단계;
상기 케이슨이 마련되는 해저면에 상기 케이슨을 지지하는 사석 마운드를 시공하는 마운드 시공단계;
상기 케이슨을 상기 사석 마운드가 시공된 장소로 운반하는 운반단계;
상기 사석 마운드 상으로 상기 운반된 케이슨을 상부가 해수면 위로 노출되도록 설치하는 케이슨 설치단계;
상기 설치된 케이슨에, 이동하며 상기 케이슨으로부터 상기 임펠러를 착탈시키는 견인부 및 상기 1차 설치단계에서 설치하지 못한 장치를 추가적으로 설치하는 2차 설치단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템의 시공방법. - 제 9항에 있어서,
상기 케이슨의 상부에 해상 풍력 타워의 하부가 삽입되는 삽입구를 형성하는 삽입구 형성단계;
상기 삽입구의 경계면으로부터 연장되어 해상 풍력 타워를 상기 삽입구측으로의 삽입경로로 안내하는 돌출부 형성단계;
상기 삽입구에 해상 풍력 타워의 하부를 삽입하는 타워 삽입 단계;
상기 돌출부의 단부에 고정부를 설치하여 조여줌으로써 상기 해상 풍력 타워를 상기 케이슨에 고정하는 타워 고정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전시스템의 시공방법. - 삭제
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