KR101427603B1 - 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼은 상부구조물; 상기 상부구조물의 하단과 연결된 연결부; 및 상기 연결부의 하단과 연결된 하부구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼{A truncated spar type floating wind turbine platform}

본 발명은 부유식 해상 풍력 플랫폼에 관한 것이다. 특히 구조가 간단하고 심해뿐만 아니라 근해에서도 적용가능한 부유식 해상 풍력 플랫폼에 관한 것이다.

풍력발전은 바람의 힘에 의해서 회전하는 풍차의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로, 환경오염이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

풍력발전은 크게 육상풍력발전과 해상풍력발전이 있다. 해상풍력발전을 위해서는 해상에 터어빈을 설치하므로, 전력망을 육상까지 연결하여 설치해야 한다. 따라서, 육상풍력발전에 비해서 건설비가 상대적으로 증가하나 주변 지형의 영향을 받는 육상풍력발전에 비해서 안정적인 풍력에너지를 확보할 수 있고, 설치 부지 및 규모의 제한이 적다는 장점이 있다.

해상풍력발전은 크게 터어빈 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해저지반에 기초공사를 하고 그 위에 지지 구조물 및 터어빈 발전설비를 설치하는 방식이다. 고정식 풍력발전에 사용되는 기초는 크게 콘크리트 중력식 기초, 모노파일 기초, 멀티파일 기초 3가지로 분류된다.

부유식은 해상에 떠있는 부유체 위에 발전설비를 고정 시키고, 부유체의 위치유지와 운동을 계류 시스템으로 제어하는 방식이다. 부유식은 해안에서 멀리 떨어져서 설치할 수 있기 때문에 주변 환경에 미치는 소음과 전자기 등의 영향이 작다. 부유식은 파도, 바람 등의 주위 환경의 영향을 많이 받아 고정식에 비해서 동요량이 크기 때문에 가능한 운동을 저감시키도록 설계하는 것이 중요하다.

현재, 개발되고 있는 해안 부유 풍력 터빈 플랫폼을 위한 많은 개념들이 있으며 일반적으로, 다음의 세 개의 주된 분류로 : 스파형(Spar type); 인장계류형(Tension Leg Platforms(TLP) type); 및 반잠수식 해양구조물/하이브리드형(semi-submersible / hybrid type) 등으로 나눌 수 있다.

부유 풍력 터빈 플랫폼의 구체적 예는 도 1에 도시된 Statoil Norsk-Hydro 사의 Hywind 스파(spar), 도 2에 도시된 Blue H사의 최근 전형적 타입의 TLP, 도 3에 도시된 SWAY사의 Spar/TLP 하이브리드, 도 4에 도시된 Force Technology WindSea사의 반잠수식 해양구조물 형태, 도 5에 도시된 Trifloater사의 반잠수식 해양구조물 형태 등이 있다.

그러나, 스파형의 경우에는 수선면적이 작고, 흘수 하부가 100m 이상으로 상대적으로 높기 때문에 우수한 운동성능을 가지고 있는 반면 200m 이상의 비교적 심해에만 적용되며, TLP 형식의 경우에는 계류설비(mooring system)가 복잡하고 고가이며, 반잠수식 해양구조물/하이브리드 형식의 경우에는 구조가 복잡하고 건조비가 상승하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 도 6은 종래기술로서 국내공개특허 제10-2011-0015418호의 "해안 풍력 터빈의 지지를 위한 워터-엔트랩먼트 플레이트 및 비대칭 무링 시스템을 가진 칼럼-안정화된 해안 플랫폼"에 관한 것이나, 이 또한 구조가 복잡하고, 고가인 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 구조가 간단하고, 심해 뿐만 아니라 100m 이하의 비교적 얕은 수심에서도 운용 가능한 부유식 해상 풍력 발전용 플랫폼을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 철골 및 콘크리트 구조물로 구성이 가능한 비교적 단순한 형태의 구조물로 해상 풍력 플랫폼을 형성함으로써 제작비용을 절감함으로써 경제적이며, 운동성능도 양호한 부유식 해상 풍력 발전 플랫폼을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼은 상부구조물; 상기 상부구조물의 하단과 연결된 연결부; 및 상기 연결부의 하단과 연결된 하부구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 부유식 해상 풍력 플랫폼은 상부구조물; 상기 상부구조물의 하단과 연결된 연결부; 상기 연결부에 수평으로 결합된 수평구조물; 및 상기 연결부의 하단과 연결된 하부구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 연결부는 복수개의 수직판이 결합된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 결합된 복수개의 상기 수직판의 횡단면 형상은 십자형 또는 별형인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 수평구조물은 평판 형상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 상부구조물의 내부에는 빈 공간이 형성되어 부력이 증가되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 상부구조물의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 하부구조물의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 하부구조물의 내부에는 무게중심을 하향으로 조정하는 부가중량물이 탑재되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 상부구조물, 상기 하부구조물, 및 상기 연결부는 콘크리트 또는 철골구조물인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 상부구조물, 상기 하부구조물, 상기 연결부, 및 수평구조물은 철골 또는 콘크리트 구조물인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 하부 구조물의 높이는 상기 상부 구조물의 높이보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 하부 구조물의 횡단면적은 상기 상부 구조물의 횡단면적보다 넓게 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 하부 구조물은 복수개의 홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼 제조방법은 상부구조물; 상기 상부구조물의 하단과 연결된 연결부; 및 상기 연결부의 하단과 연결된 하부구조물을 포함하고, 상기 연결부는 복수개의 수직판을 포함하며, 상기 수직판은 슬릿이 형성되어 복수개의 수직판의 상기 슬릿을 서로 삽입하여 결합하고, 용접하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

이 밖에도 H 단면 또는 ㄷ 단면 철골로 수직 트러스 구조를 형성하고 상기 수직판을 설치하여 용접 또는 볼트로 체결하여 고정시킬 수도 있다.

본 발명은 타 해상풍력 플랫폼과 비교하여 철골 또는 콘크리트 구조물로 구성된 비교적 단순한 형태의 구조물로 제작비 절감의 효과를 기대할 수 있다.

또한, 심해뿐만 아니라 100m 이하의 비교적 얕은 수심에서도 운용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 해상풍력 플랫폼의 형상은 파도, 바람, 조류 등의 환경외력에 대해 양호한 운동응답 특성을 갖는다.

도 1는 종래의 Statoil Norsk-Hydro 사의 Hywind 스파(spar) 형식을 나타낸다.
도 2는 종래의 Blue H사의 전형적인 TLP 형식을 나타낸다.
도 3은 SWAY사의 스파/TLP 하이브리드를 나타낸다.
도 4는 Force Technology WindSea사의 반잠수식 해양구조물 형식을 나타낸다.
도 5는 Trifloater사의 반잠수식 해양구조물 형식을 나타낸다.
도 6은 종래의 해안 풍력 터빈의 지지를 위한 워터-엔트랩먼트 플레이트 및 비대칭 무링 시스템을 가진 칼럼-안정화된 해안 플랫폼을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수직판의 형상의 일실시예를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 모형(mockup)이다.
도 12는 실 해상상태의 파고와 주기에 대해 본 발명에 따른 해상풍력 플랫폼 공진주기를 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 7은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼의 개략도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 플랫폼은 상부구조물(10), 연결부(20), 하부구조물(30)을 포함한다.

상부구조물(10)은 그 상단에 풍력터어빈(wind turbine)이 직접적으로 설치되므로 배수량을 확보하는 용도의 구조물이며 도 7에는 정육면체로 구성되어 있으나, 이 형상에 한정되는 것은 아니며, 파향 변화에 따른 운동응답을 고려하여 상부구조물(10)의 단면 형상이 원형 또는 다각형일 수 있고, 내부에 빈 공간을 포함하여 양성(positive) 부력을 가지도록 설계한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 흘수선이 상부구조물(10) 상에 위치하게 되고, 이하 설명하는 연결부(20), 하부구조물(20)은 해수에 위치한다.

상부 구조물(10)의 재질은 철골 또는 콘크리트 구조물로 구조물이며, 내부가 빈 형태로 구성한다.

상부구조물(10)의 하단에는 연결부(20)가 연결되고, 연결부(20)의 하단은 하부구조물(30)과 연결되어 있다.

연결부(20)는 복수개의 수직판(40)이 결합되어 있고, 결합된 복수개의 상기 수직판의 횡단면 형상은 십자형(+) 또는 별형(*) 등 다양한 형상을 구성할 수 있다.

복수개의 수직판(40)을 포함하는 연결부(20)는 횡 동요(roll) 및 종 동요(pitch)의 회전운동을 저감시키는 역할을 수행한다.

횡동요와 종동요를 저감시키기 위해 복수개의 수직판(40)이 서로 대칭을 이루어 결합하고 이러한 형상으로서 십자형상(+)이 바람직하다.

복수개의 수직판(40)은 서로 대칭을 이루며 형성되어, 횡동요와 종동요에 대해 균형을 유지하면서 동요 운동을 신속하게 저감시킬 수 있다.

수직판(40)은 콘크리트 또는 철골 구조물을 용접하여 제작한다.

도 8은 본 발명에 따른 수직판(40)의 형상의 일실시예를 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이, 복수개의 수직판(40)의 결합 및 용접을 용이하게 하고, 횡동요, 종동요 응답특성을 정확하게 유지하기 위해, 수직판(40)의 기설정된 위치에 슬릿(41)을 형성시키고, 서로 대응되는 위치의 슬릿(41)을 끼워맞춤으로써, 손쉽게 복수개의 수직판(40)을 결합할 수 있다.

슬릿(41)을 서로 끼워맞추고 난 후, 그 주위를 용접하게 제조가능하다.

이러한 슬릿(41)을 형성시키지 않고, 복수개의 수직판(40)을 단순히 용접하여 제조할 수도 있고, 복수개의 수직판(40)의 결합 형상의 틀을 생성한 후 콘크리트를 타설하여 콘크리트로 제조할 수도 있으며, 이 밖에도 H 단면 또는 ㄷ 단면 철골로 수직 트러스 구조를 형성하고 상기 수직판을 설치하여 용접 또는 볼트로 체결하여 고정시킬 수도 있다.

하부구조물(30)의 단면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있고, 콘크리트 또는 철골구조물로 제작한다.

하부구조물(30)은 음성(negative) 부력을 형성하여 부유식 해상 풍력 플랫폼의 무게 중심을 낮추는 역할을 수행하며, 상하동요(heave)를 감쇠시키는 댐퍼(damper)로서 기능한다.

또한, 풍하중에 대해 충분한 횡복원력(GM)을 확보하기 위해, 하부구조물(30)의 내부에는 부가중량물(weight)을 탑재하여 무게중심을 하향조정하고, 복수개의 홀(31)을 하부구조물(30)의 상단으로부터 하단까지 상하로 관통시킴으로써, 홀(31)을 통해 해수가 유동하여, 상하동요(heave) 운동을 보다 효과적으로 감쇠시키는 댐퍼기능을 갖도록 한다.

하부구조물(30)은 경제성을 고려하여 철판구조물 또는 콘크리트 구조물의 재질을 사용한다.

상부구조물(10)은 수선면적을 작게 하여 파랑하중을 경감시키고, 배수량을 확보하는 충분한 높이를 가지도록 설계한다.

이에 반해 하부구조물(30)은 상부구조물(10)보다 높이를 작게 하고, 횡단면적은 크게 설계하여, 상하동요(heave)를 저감하는 댐퍼(damper)로서의 기능을 갖도록 한다.

도 9는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 개략도이고, 도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 측면도이며, 도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼의 모형(model)이다.

도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예로서의 해상 풍력 플랫폼은 상부구조물(10), 연결부(20), 하부구조물(30) 이외에 연결부(20)에 수평으로 결합된 수평구조물(50)을 추가로 포함한다.

수평구조물(50)은 판 형상의 구조물로서, 콘크리트 재질로 형성하거나 철판 구조물로 제조가능하고, 연결부(20)의 중앙부에 수평으로 형성시킴으로써, 보다 효과적으로 상하동요(heave)를 저감시키고, 해상 풍력 플랫폼의 공진주기를 장주기로 이동시켜, 운용시에 조우하는 해상파도의 주기영역을 벗어나도록 하여 운동응답이 양호하도록 설계한다.

실시예에서는 수평구조물(50)이 한개만 도시되어 있으나 복수개의 수평구조물(50)을 일정 간격으로 이격하여 설치할 수도 있다.

도 12는 실해상파도와 본 발명에 따른 해상풍력 플랫폼 공진주기 비교한 그래프이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 실 해상파도 스펙트럼과 본 발명에 따른 해상풍력 플랫폼의 상하운동(heave), 횡동요/종동요(roll/pitch)의 공진주기와의 비교해 볼 때, 해상풍력의 운용관점에서 해상상태 6이 최대운용 파도(marginal operation wave)이므로, 본 발명에 따른 해상풍력 플랫폼은 실 해상파 주기범위를 회피한 공진주기로 설계함으로써 운동응답을 저감시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

10: 상부구조물 20: 연결부
30: 하부구조물 31: 홀
40: 수직판 41: 슬릿
50: 수평구조물

Claims (15)

1. 삭제
2. 내부에 빈 공간이 형성되어 양성 부력을 형성하는 상부구조물;
   상기 상부구조물의 하단과 연결된 연결부;
   상기 연결부에 수평으로 결합된 판 형상의 수평구조물; 및
   상기 연결부의 하단과 연결되고, 내부에 무게중심을 하향으로 조정하는 부가중량물이 탑재되며, 해수를 유동시키는 복수개의 홀이 상하로 관통되며 형성된 하부구조물;을 포함하고,
   상기 하부구조물의 높이는 상기 상부구조물의 높이보다 작게 형성되고, 상기 하부구조물의 횡단면적은 상기 상부구조물의 횡단면적보다 넓게 형성됨으로써 상하동요를 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
3. 제2항에 있어서,
   상기 연결부는 복수개의 수직판이 결합된 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
4. 제3항에 있어서,
   결합된 복수개의 상기 수직판의 횡단면 형상은 십자형 또는 별형인 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제3항에 있어서,
   상기 상부구조물의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
8. 제3항에 있어서,
   상기 하부구조물의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제2항에 있어서,
    상기 상부구조물, 상기 하부구조물, 상기 연결부, 및 수평구조물은 콘크리트 또는 철골구조물인 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제3항에 있어서,
    상기 수직판은 슬릿이 형성되어 복수개의 수직판의 상기 슬릿을 서로 삽입하여 결합하고, 용접하여 제조하거나,
    H 단면 또는 ㄷ 단면 철골로 수직 트러스 구조를 형성하고 상기 수직판을 설치하여 용접 또는 볼트로 체결하여 고정시키는 것을 특징으로 하는 절단 스파형 부유식 해상풍력 플랫폼.

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