KR101384167B1 - 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 해저면에 설치되는 슬래브; 상기 슬래브에 고정되는 타워; 및 상기 슬래브에 고정되고 상기 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 1개이상의 파일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워{single complex hybrid foundation type offshore wind tower}

본 발명은 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 관한 것으로서, 타워를 견고하게 지지할 수 있는 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 관한 것이다.

바다에 설치되는 해상풍력 발전기는 공기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시킨다.

해상에서는 육상보다 고운질의 바람이 연속적으로 불지만 큰 규모의 풍차 지지대를 해상에 안전하게 설치해야하는 기술적인 어려움이 있다. 특히 해상풍력발전 하부기초의 제작, 운반 그리고 설치는 풍력 발전기 다음으로 비용이 많이 들어 해저지반의 특성에 맞는 효율적인 하부기초 설계가 요구된다.

해상풍력기초는 수심에 따라 깊이가 0-20m에서는 중력식(Gravity Based) 기초, 0-30m에서는 모노파일(Monopile) 기초, 30-50m에서는 트라이포드(Tripod) 기초, 30-80m에서는 재킷(Jacket) 기초, 그리고 50m 이상에서는 부유식 (Floating) 기초가 사용된다.

이들 해상기초 중에서 모노파일이 가장 단순한 구조로 가장 많이 사용되고 있으나 수심이 깊은 곳, 해저지반이 너무 견고하거나 호박돌(Boulder)이 있을 경우는 직경이 무려 5m 이상의 대형 강관을 타입하는데 큰 어려움이 있다.

따라서 파일형식이 아닌 새로운 공법으로 석션 버켓(Suction Bucket) 기초가 유럽 국가들을 중심으로 개발되어 앞으로 상용화될 가능이 크다. 심해의 대심도에 사용될 부유식 해상풍력기초는 현재 시험시공 단계에 있으며 앞으로 지속적인 기술개발이 수행된다면 가까운 미래에 실용화될 것으로 기대된다.

일반적으로, 해상풍력기초는 풍력발전기 자체하중 보다도 해상의 파력이나 높은 위치에서 작용하는 수평방향의 풍력과 이 수평력에 의한 전도모멘트(Overturning Moment)가 지배적인 외력으로 작용하는데, 이처럼, 해상풍력 발전기 지지구조물 설계에서는 바람과 파랑에 의한 전도모멘트가 주도적인 지배 외력이므로 해저지반에 정착되는 하부기초는 특히 이 전도모멘트에 효율적으로 저항할 수 있는 기초 형식으로 설계되어야 한다.

도 1은 종래의 풍력 발전기의 구성도이다.

예를 들어, 특허출원번호 제10-2002-7005923호는 풍력 발전기를 소개하고 있는데, 상기 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 해저에 장착되는 기부(2), 기부(2)에 부착되는 탑(3) 및 밸러스트 물탱크(6,7)를 포함하여, 밸러스트수를 상기 밸러스트 물탱크(6,7)에 채움으로써 풍력 발전기를 하강시킬 수 있으며, 밸러스트 물탱크(6,7) 중의 밸러스트수의 양을 줄임으로써 풍력 발전기 상승시킬 수 있다.

그러나, 상기 발명과 같은 중력식 기초의 경우에는, 하향으로 작용하는 풍력발전기 전체 구조물 자중과 기부(2)에서 상향으로 작용하는 압축 지반반력의 합력에 의한 우력(Couple)이 전도(Overturning)에 대한 저항모멘트로 작용하게 되는데, 이와 같은 기초저판에 작용하는 편심하중에 의해서 기부(2) 가장자리 근처 지반은 최대 압축응력을 받게 되고, 이때, 상기 최대 압축응력이 지반의 극한지지력(Ultimate Bearing Capacity)을 초과하게 되는 경우, 상기 탑(3)이 편심하중에 의해 수평 변위나 전도 파괴될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 상부로부터 전달된 전도모멘트를 파일에서 작용하는 주면마찰로 전도에 대한 저항 모멘트를 증가시켜 타워를 견고하게 지지할 수 있는 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 해저면에 설치되는 슬래브; 상기 슬래브에 고정되는 타워; 및 상기 슬래브에 고정되고 상기 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 1개이상의 파일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬래브는 경사면이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬래브는, 테두리부에 형성되며 석션압에 의해 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 원통형의 슬래브 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬래브 고정부는 끝 단에 삽입날이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입날은 상기 슬래브 고정부의 양 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입날은 상기 슬래브 고정부의 일 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 타워는 관측 스테이션이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관측 스테이션과 해저면을 연결하여 상기 타워를 지지하는 복수개의 계류 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계류 장치는, 상기 관측 스테이션에 고정되는 와이어; 및 상기 와이어에 연결되며 상기 해저면에 고정되는 앵커;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 앵커는 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 해저면에 설치되는 슬래브; 상기 슬래브에 고정되는 타워; 및 상기 슬래브에 고정되고 상기 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 1개이상의 파일;을 포함하고, 상기 슬래브는, 테두리부에 형성되며 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 갈고리형상의 복수개의 슬래브 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬래브 고정부는 외주면과 내주면에 나사산이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 의하면, 상부로부터 전달된 전도모멘트를 슬래브 저면의 Soil Reaction과 파일의 주면마찰에 의해서 저항하도록 하여 슬래브의 부피를 줄일 뿐만 아니라 상기 파일에서 작용하는 주면마찰로 전도에 대한 저항 모멘트를 증가시켜 타워를 견고하게 지지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 계류 장치를 통해 타워를 지지하여 타워 및 하부기초가 갖는 모멘트 및 수평하중에 저항하는 지지능력을 향상시킬 수 있으므로, 하부기초의 폭을 절감하거나 하부기초의 심도를 줄이는 효과가 있다.

더불어, 본 발명에 따르면, 복타워를 지지하는 슬래브에 경사면을 형성하여 상기 슬래브의 침식을 방지함으로써 타워의 전도 파괴를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전기의 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 1구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 A부분 확대도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 2구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 1구성도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 2구성도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 슬래브의 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 슬래브에 타워 및 복수개의 파일이 고정된 모습을 보여주는 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 1구성도이다.

본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 슬래브(slab,100), 타워(200) 및 1개이상의 파일(pile,300)을 포함한다.

상기 슬래브(100)는 해저면에 설치되는데, 여기서, 상기 슬래브(100)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 경사면이 구비될 수 있고, 중심부에 후술할 상기 타워(200), 구체적으로 타워의 하부기초물(substructure)을 고정시킬 수 있으며, 타워(200)의 고정력을 향상시키기 위해 양 단이 상기 타워(200)와 슬래브(100)에 연결되는 삼각형상의 지지대(500)가 설치될 수 있다.

일반적으로, 스카워링(scouring) 현상, 즉 세굴 현상은 파랑, 수류 등에 의하여 해안, 제방, 하상이나 테라스, 전환수로의 바닥이 침식되어 없어지는 현상으로, 상기 슬래브(100)가 경사면을 구비함으로써 해수에 의해 상기 슬래브(100)가 침식되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 상기 타워(200)가 편심하중에 의해 전도 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

상기 슬래브(100)는 테두리부에 형성되며 해저면에 삽입되어 상기 슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시키는 원통형의 슬래브 고정부(110)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 슬래브 고정부(110)는 석션압(suction pressure)에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정될 수 있는데, 즉, 상기 슬래브 고정부(110)는 내부의 물이나 공기와 같은 유체를 외부로 석션(suction)함으로써 발생된 상기 슬래브 고정부(110) 내외부의 압력차를 이용하여 설치될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 2a의 A부분 확대도이다.

여기서, 상기 슬래브 고정부(110)는 상기 해저면으로의 삽입이 용이하도록 끝 단에 삽입날이 형성될 수 있는데, 상기 삽입날은 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 슬래브 고정부(110)의 양 면이 테이퍼져 형성되거나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 슬래브 고정부(110)의 일 면이 테이퍼져 형성될 수 있다.

상기 타워(200)는 상기 슬래브(100)의 중심부에 고정될 수 있다.

상기 파일(300)은 상기 슬래브(100)에 고정되고 상기 해저면에 삽입되어 상기 슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 파일(300)은 일부분이 상기 슬래브(100)에 고정되고 타부분이 상기 해저면에 삽입됨으로써 상기 슬래브(100)와 해저면의 상부 이격을 방지하며 상기 슬래브(100)와 해저면의 고정력을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 2구성도이다.

한편, 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 상기 타워(200)를 지지하기 위해 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 복수개의 계류 장치(Mooring device,400)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 타워(200)는 타워의 유지보수를 위한 관측 스테이션(210)을 구비할 수 있는데, 상기 계류 장치(400)는 상기 관측 스테이션(210)과 해저면을 연결함으로써 상기 타워(200)를 사방에서 지지할 수 있다.

상기 계류 장치(400)는 와이어(410) 및 앵커(420)를 포함하는데, 상기 와이어(410)는 상기 관측 스테이션(210)에 고정될 수 있고, 상기 앵커(420)는 상기 와이어(210)에 연결되며 상기 해저면에 고정될 수 있다. 이때, 상기 와이어(410)는 양방향 텐션을 주는 와이어 당김 장치(411)를 구비할 수 있고, 상기 앵커(420)는 상기 슬래브 고정부(110)와 동일하게 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정될 수 있다.

여기서, 상기 와이어 당김 장치(411)는 상기 와이어(410)의 중간부분에 위치되거나, 도시되지 않았지만, 상기 관측 스테이션(210)에 위치될 수 있으며, 상기 와이어(410)는 한묶음의 강선으로 이루어져 상기 관측 스테이션(210)의 사방에 설치될 수 있다.

이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워를 상세히 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 1구성도이다.

본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 슬래브(slab,100), 타워(200) 및 1개이상의 파일(pile,300)을 포함한다.

상기 슬래브(100)는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 포함된 슬래브와 동일하게 도 5b에 도시된 바와 같이, 경사면을 구비함으로써 상기 슬래브(100)가 침식되는 것을 방지할 수 있고, 양 단이 상기 타워(200)와 슬래브(100)에 연결되는 삼각형상의 지지대(500)가 설치됨으로써 상기 타워(200)의 고정력을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 슬래브(100)는 테두리부에 형성되며 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 갈고리형상의 복수개의 슬래브 고정부(110)를 포함할 수 있는데, 여기서, 상기 슬래브 고정부(110)는 외주면과 내주면에 나사산이 형성되어 상기 슬래브 고정부(110)가 해저면에 삽입된 경우, 해저의 토사가 상기 슬래브 고정부(110)에 형성된 나사산에 충진되어 상기 슬래브 고정부(110)의 이동을 방지함으로써 상기 슬래브(100)와 해저면의 고정력을 향상시킬 수 있다.

상기 타워(200) 및 파일(300)은 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 포함된 타워 및 파일과 그 구성 및 내용이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워의 제 2구성도이다.

한편, 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워는 상기 타워(200)를 지지하기 위해 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 복수개의 계류 장치(Mooring device,400)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 계류 장치(Mooring device,400)는 본 발명의 제 1실시예에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워에 포함된 계류 장치와 동일하게 와이어(410) 및 앵커(420)를 포함하는데, 상기 와이어(410)는 상기 관측 스테이션(210)에 고정될 수 있고, 상기 앵커(420)는 상기 와이어(210)에 연결되며 상기 해저면에 고정될 수 있으며, 이때, 상기 와이어(410)는 양방향 텐션을 주는 와이어 당김 장치(411)를 구비할 수 있고, 상기 앵커(420)는 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정될 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 슬래브의 구성도이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 슬래브에 타워 및 복수개의 파일이 고정된 모습을 보여주는 도이다.

한편, 본 발명에 따른 슬래브는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 내주면에 나사산이 형성된 복수개의 홀이 형성되고, 상기 타워(200) 및 파일(300)은 각각 외주면에 상기 홀과 대응하는 나사산이 형성될 수 있는데, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 복수개의 상기 홀 중 상기 슬래브(100)의 중심부에 형성된 홀에 상기 타워(200)를 삽입하며 나사결합한 후 시멘트나 그라우팅재로 그라우팅하여 상기 타워(200)를 고정하고, 상기 슬래브(100)의 중심부 주위에 형성된 홀에 상기 파일(300)을 삽입하며 나사결합하고 시멘트나 그라우팅재로 그라우팅한 후, 상기 파일(300)의 끝 단에 고정부재(310)를 체결함으로써 상기 파일(300)을 고정할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100:슬래브 110:슬래브 고정부
200:타워 210:관측 스테이션
300:파일 310:고정부재
400:계류 장치 410:와이어
411:와이어 당김 장치 420:앵커
500:지지대

Claims (12)

1. 해저면에 설치되고 내주면에 나사산이 형성된 복수개의 홀이 형성된 슬래브;
   상기 슬래브에 고정되고 관측 스테이션이 구비된 타워;
   상기 슬래브에 고정되고 상기 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 1개 이상의 파일; 및
   상기 관측 스테이션과 해저면을 연결하여 상기 타워를 지지하는 복수개의 계류 장치;를 포함하고,
   상기 슬래브는 테두리부에 형성되며 해저면에 삽입되어 상기 슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 갈고리형상의 복수개의 슬래브 고정부를 포함하며,
   상기 슬래브 고정부는 외주면과 내주면에 나사산이 각각 형성되어 상기 나사산에 해저의 토사가 충진됨으로써 상기 슬래브와 해저면의 고정력을 향상시키고,
   상기 타워 및 파일은 각각 외주면에 상기 슬래브의 홀에 형성된 나사산과 대응하는 나사산이 형성되되, 상기 타워는 상기 슬래브의 중심부에 형성된 홀에 나사결합되고, 상기 파일은 상기 슬래브의 중심부 주위에 형성된 홀에 나사결합되면서 끝 단에 고정부재가 체결되며,
   상기 계류 장치는,
   상기 관측 스테이션에 고정되는 와이어;
   상기 와이어에 연결되며 상기 해저면에 고정되는 앵커; 및
   상기 와이어에 설치되며 상기 와이어에 양방향 텐션을 주는 와이어 당김 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 슬래브는 경사면이 구비된 것을 특징으로 하는 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서,
    상기 앵커는 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 단일복합하이브리드기초형 해상풍력타워.
    
11. 삭제
12. 삭제

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