KR101488292B1 - 부유식 해상 풍력발전 시스템 - Google Patents

부유식 해상 풍력발전 시스템 Download PDF

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KR101488292B1 KR20140090018A KR20140090018A KR101488292B1 KR 101488292 B1 KR101488292 B1 KR 101488292B1 KR 20140090018 A KR20140090018 A KR 20140090018A KR 20140090018 A KR20140090018 A KR 20140090018A KR 101488292 B1 KR101488292 B1 KR 101488292B1
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Abstract

본 발명은 부유식 해상 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 풍력발전장치의 하부에 설치된 부력체를 계류하기 위하여 지반 베이스를 기준으로 제1 계류라인이 부력체의 상단부를 계류하고, 제2 계류라인이 부력체의 하단부를 계류하여 지반 베이스의 하중을 분산시킴으로써, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우에 풍력발전장치를 기울어짐 없이 안정적으로 지지할 수 있다.

Description

부유식 해상 풍력발전 시스템{FLOATING OFFSHORE WIND POWER PLANT SYSTEM}
본 발명은 부유식 해상 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 풍력발전장치의 하부에 설치된 부력체를 계류하기 위하여 지반 베이스를 기준으로 제 1 계류라인이 부력체의 상단부를 계류하고, 제 2 계류라인이 부력체의 하단부를 계류하여 지반 베이스의 하중을 분산시킴으로써, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우에 풍력발전장치를 기울어짐 없이 안정적으로 지지할 수 있는 부유식 해상 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
지구온난화에 따른 환경규제와 화석연료의 수급불안 등의 문제점이 발생함으로써 신 재생 에너지 생산시스템으로서의 풍력발전이 각광을 받고 있다. 풍력발전설비는 주로 육상에 설치되어 왔으나, 점차 해상 설치가 증가하고 있다.
풍력발전을 위해 해상은 육상에 비해 바람의 질이 대체로 좋은 편이며, 날개 소음 문제에 있어서도 좀더 쉽게 대응할 수 있는 장점이 있다.
특히, 경제성 확보를 위해서는 대규모의 단지 확보가 요망되는 데, 육상에는 이러한 단지를 구비하기 어려워서 연안이나 근해의 해상이 대단위 해상풍력단지로 떠오르고 있다.
풍력발전설비를 해상에 설치하기 위한 구조는 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있는데, 고정식 구조는 육상에서와 같이 구조물이 직접 해저에 고정되어 환경하중을 구조적 변형으로 대응하는 형식이고, 부유식은 수면에 떠 있으며 자중, 부력, 환경 하중 및 계류력을 받고, 구조물의 6 자유도 운동으로 환경하중을 이겨내는 방식이다.
최근까지 해상 풍력발전설비는 고정식으로 주로 얕은 수심에 설치되었다. 그러나, 고정식 구조는 구조물이 해저에 고정되어 있어 유리한 조업조건을 제공하지만 수심이 깊어지면 구조물의 규모가 너무 커지고 피로파괴의 위험성을 피하기 어려워진다.
또한, 설비의 대형화 추세에 따라 구조물의 제작, 설치에 드는 비용이 천문학적으로 증가하게 된다. 바람은 육상에서 멀어질수록 강하고 일정해지므로 발전 효율을 높일 수 있다.
이에 점차 해안으로부터 멀리 떨어져 수심이 깊은 곳에서도 풍력발전의 개발 필요성이 제기되고 있다. 따라서 수심이 깊어져도 구조물의 크기에 제한을 받지 않는 부유식 구조를 이용한 해상 풍력발전설비에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
부유식 구조는 부력체의 자세 복원성의 메커니즘에 따라 부유식 해상풍력발전기에는 반잠수형(Semi-submissible type), 스파형(Spar type), TLP(Tension Leg Platform)형 등의 다양한 형태가 있다.
반잠수형 해상풍력발전기는 플랫폼을 수면 하부의 부유체와 다수의 기둥으로 연결한 형식으로 일반 선박에 비하여 수선면적이 작다.
또한, 큰 배수량의 하부구조가 물속에 잠겨있어서 상하동요가 줄어들고, 수선 면이 작으므로 상하동요의 고유주기가 길어져 약 30초에 이른다.
따라서, 약 10초에 몰려있는 파랑과의 공진을 피할 수 있는 장점이 있다. 그러나 스파형과 TLP형에 비해 운동성능이 좋지 않기 때문에 해상조건이 좋지 않은 해역에는 설치되기 어렵다.
스파형 해상풍력발전기는 원통형의 구조물이 수직으로 설치되고, 그 위에 플랫폼이 설치된 형태로서, 부력중심 밑에 중력중심을 둠으로써 안정성을 높고, 위치유지를 위해 유연 계류장치나 긴장계류장치가 설치된다.
또한, 수선면적이 작고 고유주기가 매우 길기 때문에 운동성능이 뛰어나다. 그러나 충분한 안전성을 확보하기 위해서는 하부 구조물의 길이가 매우 길어야 하므로 통상적으로 수심 100미터 이상의 해역에만 설치가 가능하다. TLP형 해상풍력발전기는 플랫폼이 다수의 쇠줄이나 쇠파이프로 해저에 연결되어 일정위치를 유지하도록 만들어져 있다.
TLP형 해상 풍력발전기는 반잠수식의 형태와 유사하게 제조되어 하중을 적게 받도록 설계되어 있으며, 플랫폼을 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 쇠줄을 끌어당겨 설치함으로써 쇠줄에는 잉여부력에 의한 인장력이 걸리게 된다. 그러나, 큰 복원력을 갖는 계류라인에 의해 운동성능이 매우 우수하지만, 설치 비용이 많이 소요된다.
부유식 해상 풍력발전설비를 개발함에 있어서, 부유식 해상 풍력발전설비를 해상에서 기울어지지 않고 수직으로 견고하게 지지할 수 있는 구조의 개발이 이루어질 필요가 있다.
도 1은 TLP형 해상 풍력발전장치를 보인 사시도이고, 도 2는 TLP형 해상 풍력발전장치를 보인 정면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 TLP형 해상 풍력발전장치(1)는 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 장치로서, 수직으로 위치하는 타워(2)와, 상기 타워(2)의 상부에 마련되는 나셀(3)과, 상기 나셀(3)에 회전 가능하게 결합하는 허브(4)와, 상기 허브(4)에 장착되는 블레이드(5)를 구비한다.
상기 타워(2)의 하부에 부유체(6)가 설치되고, 상기 부유체(6)의 하부에 지지 아암(7)이 형성되며, 해저에는 부유체(6)를 계류하기 위한 지반 기초(8)이 설치되고, 상기 지반 기초(8)에는 상기 지지 아암(7)에 연결되는 계류라인(9)이 설치된다.
그러나, 종래 TLP형 해상 풍력발전장치는, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우 P1과 같이 한쪽의 지반 기초에만 하중이 작용하므로 일정각도(α)만큼 기울어지는 문제가 발생한다.
국내 특허공개 제2014-0035592호 국내 특허공개 제2014-0052353호
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 풍력발전장치의 하부에 설치된 부력체를 계류하기 위하여 계류라인 지지 아암과 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 1 계류라인을 설치하고, 부력체 하측 면의 계류라인 가이드와 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 2 계류라인을 설치하여, 지반 베이스를 기준으로 제 1 계류라인이 부력체의 상단부를 계류하고, 제2 계류라인이 부력체의 하단부를 계류하여 지반 베이스의 하중을 분산시킴으로써, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우에도 풍력발전장치를 기울어짐 없이 안정적으로 지지할 수 있는 부유식 해상 풍력발전 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 부유식 해상 풍력발전 시스템은 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치; 및 상기 풍력발전장치를 해상에 지지하는 풍력발전장치 지지유닛을 포함하되, 상기 풍력발전장치 지지유닛은, 상기 풍력발전장치의 하부에 설치되며, 상부에 계류라인 지지 아암이 형성되고 양측 면과 하측 면에 계류라인 가이드가 형성되는 부력체; 상기 부력체를 고정하기 위하여 해저에 고정 설치되는 지반 베이스; 상기 부력체를 계류하기 위하여 상기 계류라인 지지 아암과 상기 지반 베이스를 연결하는 제 1 계류라인; 및 상기 부력체를 계류하기 위하여 상기 부력체 하측 면의 계류라인 가이드와 상기 지반 베이스를 연결하는 제 2 계류라인을 포함하되, 상기 제 1 계류라인과 상기 제2 계류라인은 하나의 라인으로 구성(연결)된다.
상기 풍력발전장치는 타워와, 상기 타워의 상부에 마련되는 나셀과, 상기 나셀에 회전 가능하게 결합된 허브와, 상기 허브에 장착되는 블레이드를 포함한다.
상기 부력체 하측 면의 계류라인 가이드는 상기 제 2 계류라인을 가이드 하여 상기 제 2 계류라인의 진동을 감소하는 구성이다.
상기 부력체의 바디는 수면 아래로 잠기고 상기 부력체의 지지 아암은 수면 위로 위치하여 파력을 감소하고 상기 지지 아암의 부식을 방지할 수 있다.
상기 지반 베이스를 기준으로, 상기 제 1 계류라인이 상기 부력체의 상단부를 계류하고, 상기 제2 계류라인이 상기 부력체의 하단부를 계류하여 상기 지반 베이스의 하중을 분산시킬 수 있다.
상기 지반 베이스는 원판 형상으로 형성될 수도 있다.
상기 부력체 양측 면의 계류라인 가이드는 상기 부력체의 외주 면을 따라 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 풍력발전장치의 하부에 설치된 부력체를 계류하기 위하여 계류라인 지지 아암과 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 1 계류라인을 설치하고, 부력체 하측 면의 계류라인 가이드와 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 2 계류라인을 설치하여, 지반 베이스를 기준으로 제1 계류라인이 부력체의 상단부를 계류하고, 제 2 계류라인이 부력체의 하단부를 계류하여 지반 베이스의 하중을 분산시킴으로써, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우에도 풍력발전장치를 기울어짐 없이 안정적으로 지지할 수 있다.
도 1은 TLP형 해상 풍력발전장치를 보인 사시도
도 2는 TLP형 해상 풍력발전장치를 보인 정면도로서, 외력에 의한 해상 풍력발전장치의 기울어짐을 설명하는 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템을 보인 정면도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템으로서, 하중분산에 의한 해상 풍력발전장치의 기울어짐 방지를 설명하는 도면
도 5 및 도 6은 지반 기초의 변형 예를 보인 도면
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템을 보인 정면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템으로서, 하중분산에 의한 해상 풍력발전장치의 기울어짐 방지를 설명하는 도면이다. 그리고, 도 5 및 도 6은 지반 기초의 변형 예를 보인 도면이다.
우선, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템은 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치(10)와, 상기 풍력발전장치(10)를 해상에 지지하는 풍력발전장치 지지유닛(100)을 포함한다.
풍력발전장치(10)는 수직으로 위치하는 타워(11)와, 상기 타워(11)의 상부에 마련되는 나셀(13)과, 상기 나셀(13)에 회전 가능하게 결합하는 허브(15)와, 상기 허브(15)에 장착되는 블레이드(17)를 구비한다.
상기 풍력발전장치 지지유닛(100)은 상기 풍력발전장치(10)를 해상에 지지하는 장치로서, 부력체(110)와, 지반 베이스(120)와, 제 1 계류라인(130)과, 제 2 계류라인(140)을 포함한다. 상기 제 1 계류라인(130)과 상기 제 2 계류라인(140)은 하나의 라인으로 연결된다.
상기 부력체(110)는 수면 아래에 잠긴 상태로 부유하며, 상기 풍력발전장치(10)의 하부에 설치된다.
상기 부력체(110)는 바디(110')의 상부에 계류라인 지지 아암(111)이 형성되고, 상기 바디(110')의 양측 면과 하측 면에 계류라인 가이드(113)(115)가 형성된다.
상기 부력체(110) 양측 면의 계류라인 가이드(113)는 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 부력체(110)의 외주 면을 따라 형성될 수도 있다. 이와 같이 계류라인 가이드(113)을 상기 부력체(110)의 외주 면을 따라 형성할 경우 좀더 견고하게 제 1 계류라인(130)을 가이드할 수도 있다.
상기 지반 베이스(120)는 상기 부력체(110)를 고정하기 위하여 해저에 고정 설치되며, 제 1 계류라인(130)은 상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 계류라인 지지 아암(111)과 상기 지반 베이스(120) 사이를 연결한다.
상기 제 2 계류라인(140)은 상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)와 상기 지반 베이스(120) 사이를 연결한다.
상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)는 상기 제 2 계류라인(140)을 가이드 하여 상기 제 2 계류라인(140)의 진동을 감소하도록 구성된다.
상기 지지 아암(111)은 수면 위로 위치하므로, 파력을 감소하고 상기 지지아암(111)의 부식을 효과적으로 방지하도록 구성된다.
상기 지반 베이스(120)를 기준으로, 상기 제1 계류라인(130)이 상기 부력체(110)의 상단부를 계류하고, 상기 제2 계류라인(140)이 상기 부력체(110)의 하단부를 계류하여 상기 지반 베이스(120)의 하중을 분산시키도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전 시스템에서는, 상기 부력체(110)의 바디(110')가 수면 아래에 잠긴 상태로 부유하는 반면에, 상기 지지 아암(111)은 수면 위로 위치하므로, 파력을 감소하고 상기 지지 아암(111)의 부식을 효과적으로 방지할 수 있다.
제 1 계류라인(130)은 상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 계류라인 지지 아암(111)과 상기 지반 베이스(120)를 연결하며, 상기 제 2 계류라인(140)은 상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)와 상기 지반 베이스(120)를 연결한다.
상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)는 상기 제 2 계류라인(140)을 가이드 하여 상기 제 2 계류라인(140)의 진동을 감소하도록 한다.
상기 지반 베이스(120)를 기준으로, 상기 제1 계류라인(130)이 상기 부력체(110)의 상단부를 계류하고, 상기 제2 계류라인(140)이 상기 부력체(110)의 하단부를 계류하여 상기 지반 베이스(120)의 하중을 분산시킨다.
종래에는 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력과 파력 등의 외력이 가해지면 P1과 같이 한쪽의 계류라인에만 장력이 발생하여 그 계류라인과 연결된 한쪽의 지반 기초에만 하중이 작용하여 풍력발전장치가 일정각도(α)만큼 기울어지는 문제가 있는 반면에, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 풍력과 파력 등의 외력이 가해지는 경우 제 1 계류 라인(130)에 F1의 장력이 발생하는 동시에 제 2 계류 라인(140)에 F1를 상쇄하는 F2의 장력이 발생하여 풍력발전장치(10)가 일정각도(α)로 기울어지지 않고 수직으로 유지될 수 있다.
다시 말해서, 제 1 계류 라인(130)과 제 2 계류 라인(140)이 하나의 라인으로 연결된 상태에서, 제 1 계류라인(130)이 지지 아암(111)과 상기 지반 베이스(120) 사이를 연결하며, 제 2 계류라인(140)이 상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)와 상기 지반 베이스(120) 사이를 연결함으로써, 풍력과 파력 등의 강한 외력이 가해져서 제 1 계류라인(130)에 F1의 장력이 발생하여 풍력발전장치(10)가 일정각도(α)로 기울어지려는 힘을 받는 경우에도, 부유체 바디(110')의 하측에 위치하는 제 2 계류 라인(140)에 F1를 상쇄하는 F2의 장력이 발생하여 풍력발전장치(10)가 일정각도(α)로 기울어지지 않고 수직으로 유지할 수 있다.
삭제
상기 지반 베이스(120)는 도 5에 도시된 바와 같이 원판 형상 또는 도 6에 도시된 바와 같이 링 형상일 수도 있다. 이와 같이 원판 형상 또는 링 형상일 경우 지반 베이스(220)를 해저에 좀더 안정적으로 고정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 풍력발전장치의 하부에 설치된 부력체를 계류하기 위하여 계류라인 지지 아암과 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 1 계류라인을 설치하고, 부력체 하측 면의 계류라인 가이드와 지반 베이스를 연결하는 위치에 제 2 계류라인을 설치하여, 지반 베이스를 기준으로 제1 계류라인이 부력체의 상단부를 계류하고, 제2 계류라인이 부력체의 하단부를 계류하여 지반 베이스의 하중을 분산시킴으로써, 풍력과 파력 등의 큰 외력이 가해지는 경우에도 풍력발전장치를 기울어짐 없이 안정적으로 지지할 수 있다.
본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 풍력발전장치
11: 타워
13: 나셀
15: 허브
17: 블레이드
100: 풍력발전장치 지지유닛
110: 부력체
113,115: 계류라인 가이드
120: 지반 베이스
130: 제 1 계류라인
140: 제 2 계류라인

Claims (5)

  1. 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치(10); 및
    상기 풍력발전장치(10)를 해상에 지지하는 풍력발전장치 지지유닛(100);을 포함하되,
    상기 풍력발전장치 지지유닛(100)은,
    상기 풍력발전장치(10)의 하부에 설치되며, 상부에 계류라인 지지 아암(111)이 형성되고 양측 면과 하측 면에 계류라인 가이드(113)(115)가 형성되는 부력체(110);
    상기 부력체(110)를 고정하기 위하여 해저에 고정 설치되는 지반 베이스(120);
    상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 계류라인 지지 아암(111)과 상기 지반 베이스(120)를 연결하는 제 1 계류라인(130); 및
    상기 부력체(110)를 계류하기 위하여 상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)와 상기 지반 베이스(120)를 연결하는 제 2 계류라인(140);을 포함하되,
    상기 제 1 계류라인(130)과 상기 제 2 계류라인(140)은 하나의 라인으로 연결되며, 상기 부력체(110) 하측 면의 계류라인 가이드(115)가 상기 제 2 계류라인(140)을 가이드 하여 상기 제 2 계류라인(140)의 진동을 감소하는 구성인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력발전장치(10)는
    타워(11)와, 상기 타워(11)의 상부에 마련되는 나셀(13)과, 상기 나셀(13)에 회전 가능하게 결합된 허브(15)와, 상기 허브에 장착되는 블레이드(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부력체(110)의 바디(110')는 수면 아래로 잠기고 상기 부력체(110)의 지지아암(111)은 수면 위로 위치하여, 파력을 감소하고 상기 지지아암(111)의 부식을 방지하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 지반 베이스(120)를 기준으로, 상기 제1 계류라인(130)이 상기 부력체(110)의 상단부를 계류하고, 상기 제2 계류라인(140)이 상기 부력체(110)의 하단부를 계류하여 상기 지반 베이스(120)의 하중을 분산시키는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전 시스템.
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