KR101491740B1 - 베이스 및 수력 터빈 설치 방법 - Google Patents

베이스 및 수력 터빈 설치 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수력 터빈(hydroelectric turbine)과 관련 베이스를 복수의 라인을 사용하여 선박으로부터 해저 바닥으로 하강하고, 일단 해저 바닥에 하강하면 베이스/터빈으로부터의 원격 측정 정보(telemetry)을 분석하는 동안 상기 라인을 사용하여 선박을 베이스/터빈에 결속하는, 해저 바닥의 배치 장소에 수력 터빈을 설치하는 방법을 제공한다.
베이스, 수력 터빈, 선박

Description

베이스 및 터빈을 설치하는 방법{A METHOD OF INSTALLING A SUBMERGED TIDAL HYDROELECTRIC TURBINE}
본 발명은 해저 바닥에 수력 터빈(hydroelectric turbine)을 설치하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 설치 전에 베이스에 상기 수력 터빈을 미리 설치하여 설치 공정을 대폭 간소화할 수 있는 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 사용에 따른 지구상에 미치는 환경 재앙의 영향으로 인해, 태양 에너지, 풍력 에너지 및 조력 에너지를 개발하기 위한 많은 프로젝트와 더불어, 마침내 신재생 에너지에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 사항이다. 이런 여러 형태의 대체 에너지 중, 조력 발전에 대한 관심이 가장 두드려지는데, 이는 조력 흐름은 상대적으로 간헐적으로 발생하며 그로 인해 덜 신뢰할 수 밖에 없는 바람이나 태양 에너지와 달리, 전적으로 예측 가능하고 지속적이기 때문이다.
하지만, 조력 에너지를 활용한다는 것은, 예를 들어 그 발전 방식의 특성상 상대적으로 빠른 유속을 가진 조류 속에, 특히 해저에 설치해야 하는 수력 발전 터빈과 같은 조력 발전기의 설치 및 유지와 관련하여 그 자체로 큰 난관에 봉착하게 된다. 또한, 경제적인 관점에서 이런 터빈들은 대형화될 수 밖에 없다. 그 결과, 터빈 및 그 관련 베이스/지지체들은 대형화되고 무거운 부품으로 형성되어, 그 설치를 위해서는 상당히 큰 기중기 및 수송 장비를 필요로 하게 된다. 이런 대형 기중기의 사용은 일반적으로 위험한 작업일 수 밖에 없는데, 특히 까다롭고 불안정한 조건하에 이런 장비를 바다에서 동작시키는 것은 더욱 위험한 상황을 초래할 수 있다. 또한, 이런 조류 발전 장비의 대부분의 설치공정은 설치의 제1단계로서 해저 바닥에 하나 이상의 말뚝(pile)을 고정하고, 제2단계로서 하나 이상의 터빈을 상기 말뚝 위에 설치하는 것을 포함한다. 조수의 흐름이 큰 지역에서 해저 바닥에 말뚝을 박는 일은 문제가 따를 수 있으며 일반적으로 상당히 위험한 작업이다. 또한, 중요한 시추 및 말뚝 박기 장비를 설치 장소에 운반하고 조작해야 함으로, 운전에 따른 복잡성 및 비용을 대폭 증가시키게 된다.
이런 설치 공정은 굴착작업을 위한 적당한 선박 및 장비의 부족과 더불어 조수의 흐름이 높은 지역에서 작업해야 하는 잠수부들이 처할 수 있는 심각한 위험성으로 인해 더욱 복잡해진다.
위에 언급한 것처럼, 이런 크고 무거운 장비를 가지고 바다에서 작업한다는 것은 위험하고 시간이 소요되는 작업이며, 이런 작업을 단순화할 수 있고 그 소요되는 시간을 줄일 수 있는 방법이라면 큰 도움이 된다.
따라서, 본 발명은 수력 터빈의 배치를 단순화할 수 있도록 베이스에 미리 설치된 수력 터빈의 설치를 위한 방법에 관한 것이다.
첨부된 도면을 참조하여, 해저 바닥(B)의 배치 장소(S)에 수력 터빈(10) 및 관련 베이스(12)를 설치하는 방법을 설명하고자 한다. 도시된 실시예에 따르면, 배치 선박(14)은 터빈(10) 및 베이스(12)를 배치 장소(S)로 수송하기 위해 이용된다. 본 실시예에서는, 선박(14)은 자체 추진 수단을 가지고 있지 않으며, 따라서 선박(14)을 배치 장소(S)로 견인하기 위한 예인선(T)이 사용된다. 그러나, 상기 선박(14)에는 선내(inboard) 모터 또는 선외(outboard) 모터 또는 그와 유사한 자체 추진 수단(미도시)이 제공될 수 있으며, 이 경우 예인선(T)의 이용은 생략될 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 예인선(T)의 이용은 본 발명에 따른 방법에서 중요한 요소가 아니다. 또한, 비록 터빈(10), 베이스(12) 및 선박(14) 각각이 특정 디자인 또는 구성으로 도시되어 있다 하더라도, 이것은 단지 예에 불과하며, 본 발명에 따른 설치 방법에 중요한 요소가 아님을 이해할 수 있다.
배치 장소(S)로 이동하기 전에, 터빈(10)의 배치를 위한 양호한 조수의 조건을 기다리기 위해, 선박(14)은 가까운 만(灣)이나 유사한 피난처로 견인되는 것이 바람직하다. 배치를 위해 바람직한 조수 속도는 썰물이지만, 이런 조건들은 배치 방법에 꼭 중요한 것은 아니며, 단지 본 발명에 따른 설치 방법을 위한 이상적 작업 조건을 제공할 뿐이다. 이하에서 설명되는 것처럼, 물이 빠지는 동안 배치작업을 수행하는 장점 중 하나는 만약 설치공정이 중단되는 경우, 느려진 조수흐름(slack water) 동안 상기 터빈(10) 및 베이스(12)가 표면으로 떠오르는데 필요한 시간을 제공할 수 있다는 것이다. 또한, 썰물은 선박(14)을 조수를 향하도록 바른 자세로 유지하는 경향이 있으며, 그 결과 터빈(10)이 해저 바닥(B)에 하강하는 경우, 터빈(10)도 최대한의 가동 효율을 얻을 수 있도록 조수를 향하게 된다.
일단 선호하는 조수 조건이 형성되면, 선박(14)은 배치 장소(S) 위로 견인된다. 이때, 예인선(T)은 썰물(F)을 향하게 되며, 예인선(T)의 속도는 배치 장소(S) 상으로 상기 선박(14)의 위치가 고정되도록, 조수의 속도에 최대한 일치되게 조절된다. 터빈(10) 및 베이스(12)는 이제 선박(14)으로부터 분리될 준비가 완성된다. 그러나, 여기서 터빈(10)은 베이스(12)에서 생략될 수 있으며, 따라서 베이스(12)는 해저 바닥에 홀로 내려질 수 있음은 예상할 수 있다. 그 다음, 터빈(10)은 베이스(12)에 적당한 위치를 찾아서 고정될 필요가 있다.
베이스(12)는 도시된 실시예에서와 같이 선박(14)의 밑면에 고정될 수 있는 프레임(16) 포함하여, 상기 베이스(12)는 프레임(16)으로부터 아래로 뻗은 세 개의 다리(17)를 가지고 있다. 베이스(12)는 프레임(16)으로부터 위로 뻗은 한 쌍의 지지체(18)를 더 포함한다. 선박(14)는 지지체(18)가 상기 선박(14)를 통과하여 위로 뻗도록 맞춰지며, 상기 지지체(18)에는 터빈(10)이 적당히 고정된다. 실시예에서는 세 개의 윈치가 도시되어 있지만, 복수의 윈치(20)가 선박(14)에 제공될 수 있으며, 선박(14)과 베이스(12)간의 상대적 끌어올림과 내림에 사용되도록 프레임(16)에 고정된다. 결속 수단(미도시)은 베이스(12)가 선박(14)의 밑면에 단단히 고정되도록, 베이스(12) 및/또는 선박(14)에 제공되는 것이 바람직하다. 그러나, 이런 결속 수단처럼, 윈치(20)도 그 숫자를 배로 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 일단 선박(14)이 배치 장소(S) 상에 위치하게 되면, 결속 수단(미도시)은 해제되며, 해저 바닥(B)을 향해 베이스(12) 및 터빈(10)을 하강하도록 윈치(20)가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서처럼, 터빈(10)은 선박(14)를 직접 통과할 수 있으며, 그 결과 베이스(12) 및 터빈(10)은 선박(14) 밑으로부터 직접 아래로 하강할 수 있으며, 이런 하강과정 동안 상당한 안정성을 제공할 수 있다. 각각의 윈치(20)는 해저 바닥(B)을 향해, 특히 설치 장소(S)를 향해 베이스(12)를 하강시키기 위해, 베이스(12)에 연결된 라인(22)을 상응하는 만큼 풀게 된다.
해양 선박으로부터 종래 방식으로 이런 소자를 하강시키는 경우, 크레인 또는 이와 유사한 붐(boom)을 기반으로 하여 선박의 측면으로 돌출되는 호이스트(hoist, 미도시)를 활용할 필요가 있다. 이런 구성 타입은 크레인 및 이에 매달린 소자들에 작용하는 굴절 모멘트로 인해 본질적으로 덜 안정적이다.
일단 베이스(12)가 접촉 없이 해저 바닥(B)에 근접하여 위치하게 되면, 베이스(12) 및/또는 터빈(12)의 센서(미도시)는 베이스(12)로부터의 원격 측정 정보(telemetry)을 수신하는데 사용된다. 특히, 이런 센서(미도시)는 동영상, 위치 및 깊이 정보를 설치 공정을 통합하여 조정하는 배치 선박(14)에 탑승한 사람들에게 제공하도록 맞춰지는 것이 바람직하다. 일단 이런 원격 측정 정보가 허용되는 파라미터(parameter) 내에 있는 것으로 간주되면, 베이스(12)는 해저 바닥(B)에 완전히 하강할 수 있다. 또한, 센서(미도시)는 베이스(12)가 실제로 해저 바닥(B)을 접촉하는 시기를 알리는 원격 측정 정보를 제공할 수 있다.
도 3을 참조하면, 각각의 윈치(20)로부터 추가적인 하강 라인(22)이 풀리는 동안 (예를 들면, 5미터의 추가적인 하강 라인이 풀리는 동안) 예인선(T)은 썰물(F)에 대항하여 배치 선박(14)를 지탱하게 된다. 라인(22)이 느슨해짐에 따라, 베이스(12)는 해저 바닥(B)에 확실히 안착하게 되며, 예인선(T)은 견인 라인(L)을 느슨하게 하기 위해 예인선(T)과 선박(14) 간을 고정하는 견인 라인(L)의 탄력을 완화시킨다. 이에 따라, 베이스(12)는 선박(14)을 상기 베이스(12)에 결속하는 닻으로서 역할 하게 된다. 이에 따라, 베이스(12)는 선박(14)에 연결되어 구속되어 있는 동안, 터빈(10) 및 베이스(12)의 하중에 의해 해저 바닥(B)에 완전히 안착하게 된다. 만약 어떤 이유에서든, 터빈(10)과 베이스(12)를 해저 바닥(B)으로부터 인양해야 하는 경우, 선박(14)과 베이스(12) 간의 연결구조는 이런 과정을 단순화할 수 있다.
베이스(12) 및 터빈(10)에는 외부 부하가 존재하지 않음에 따라, 베이스(12)는 해저 바닥(B)에 안정적으로 안착하게 된다. 이런 설치 단계에서는 상기 견인 라인(L)에 어떠한 부하도 가해지지 않도록 하는 것이 중요하다. 이때, 베이스(12)로부터 원격 측정 정보(telemetry)가 수신되어 베이스(12)가 해저 바닥(B)에 어떻게 안착되고 있는지 분석하게 된다.
도 4를 참조하여, 만약 상기 원격 측정 정보에서 베이스(12)가 정해진 파라미터 (예를 들면, 위치, 방향, 경사, 깊이 등) 내에서 안착되고 있지 않음을 나타내는 경우, 베이스(12) 및 터빈(10)은 윈치(20)를 사용하여 신속하고 용이하게 인양되어 다시 배치될 수 있다. 이때, 하강 라인(22)의 느슨함은 제거되며, 재배치를 위해 윈치(20)를 사용하여 해저 바닥(B)으로부터 베이스(12)를 인양하게 된다. 상기 과정에서, 예인선(T)는 썰물에 대항하여 선박(14)의 위치를 안정적으로 유지하기 위해 다시 사용된다. 일단 베이스(12)가 인양되면, 예인선(T)는 상술한 것처럼 해저 바닥(B)에 베이스(12)를 재배치하게 될 새로운 위치로 선박(14)를 이동하기 위해 사용될 수 있다. 베이스(12)를 배치하는 과정에서, 정해진 파라미터 내에서 또는 해당 창(window) 내에서 상기 설치를 완성할 수 없는 경우, 베이스(12) 및 터빈(10)은 선박(14)로 완전히 재 인양되고 결속되어 항구로 다시 견인될 수 있다.
바람직하게는, 베이스(12)는 뒤쪽 두 개의 다리(17)가 해저 바닥(B)에 닺기 전에 앞쪽 다리(17)가 먼저 닺도록 하강하는 것이 바람직하다. 이는 앞쪽 윈치(20)으로부터 하강 라인(22)를 좀 더 풀어줌으로써 간단히 성취될 수 있다. 일단 앞쪽 다리(17)가 해저 바닥(B)을 접촉하게 되면, 앞쪽 다리(17)은 베이스(12)의 방위를 다양하게 변경할 수 있도록 회전 가능하게 하는 중심축(pivot)으로 사용될 수 있다. 선박(14)을 이동함으로써, 베이스(12)의 방위(orientation)는 고쳐질 수 있으며, 일단 수정이 되면, 뒤쪽 두 개의 다리(17)도 해저 바닥(B)에 하강할 수 있다.
도 5를 참조하면, 정해진 파라미터 내에서 베이스(12)가 해저 바닥(B)에 안착되면, 베이스(12) 및 선박(14) 간을 연결하는 각각의 하강 라인(20)은 연결이 해제되며, 그로 인해 베이스(12) 및 터빈(10)은 동작을 시작할 수 있도록 배치 장소(S)에 위치할 수 있다. 그런 다음, 예인선(T)은 비워진 선박(14)을 항구로 견인하게 된다.
위에 상술한 설치 방법은 베이스(12)를 해저 바닥(B)에 내리는 동안 안정성을 유지하기 위해 닻(미도시)을 사용하는 것으로 변경될 수 있다. 특히, 닻은 설치 장소의 해저 바닥 상류 쪽에 안착될 수 있으며, 바람직하게는 선박(14)에 고정되어 있는 동안 베이스(12)가 닻에 연결될 수 있도록 하는 상기 닻에 매달린 부표와 함께 제공될 수 있다. 일단 선박이 배치 장소 상에 위치하게 되면, 베이스는 예를 들어 앞쪽 다리(17)를 통해 닻에 결속된다. 따라서, 해저 바닥(B)을 향해 하강되어지는 베이스(12)처럼, 베이스(12)의 상류 쪽에 위치한 닻은 베이스(12)의 방위를 올바르게 유지하는 역할을 한다.
따라서, 본 발명은 배치 선박(14)를 분리하기 이전에 설치 공정을 체크할 수 있는 방법으로서, 해저 바닥(B)에 수력 터빈(10) 및 베이스(12)를 설치하기 위한 방법을 제공한다.
도 1은 배치 장소로 견인 되는 베이스 및 터빈을 운반하는 배치 선박을 나타낸 개략도.
도 2는 해저 바닥을 향해 베이스 및 터빈을 내리는 도 1의 선박을 나타낸 도면.
도 3은 해저 바닥에 베이스 및 터빈을 위치시킨 이후의 도 1 및 도 2의 배치를 나타낸 도면.
도 4는 해저 바닥으로부터 베이스 및 터빈을 회수한 이후의 도 3의 배치를 나타낸 도면.
도 5는 운전을 시작하기 위해 배치 선박으로부터 분리된 베이스 및 터빈을 나타낸 도면.
본 발명의 일 측면에 따르면, 베이스 및 수력 터빈을 해저 바닥에 설치하는 방법으로서, 상기 터빈을 상기 베이스를 연결하는 단계; 배치 선박을 이용하여 상기 베이스 및 터빈을 배치 장소로 수송하는 단계; 상기 베이스를 상기 선박으로부터 상기 해저 바닥으로 하강시키는 단계; 상기 선박과 상기 베이스의 연결을 유지하는 단계; 상기 설치의 적합성을 확립하는 단계; 및 상기 선박을 상기 베이스로부터 해제하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법이 제공된다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 배치 선박으로부터 공급되는 복수의 하강 라인을 이용하여 상기 베이스를 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 일단 상기 베이스가 상기 해저 바닥에 위치하게 되면, 상기 하강 라인에 느슨함(slack)을 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 베이스를 흐르는 물 속에서 상기 해저 바닥에 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 베이스를 조류(tidal stream), 해류(ocean current) 또는 흐르는 강물의 상기 해저 바닥에 내리는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 흐르는 물에 대항하여 상기 배치 선박(14)의 위치를 견고하게 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 해저 바닥에서 최종 위치를 잡기 전에, 상기 베이스 및/또는 터빈으로부터 원격 측정 정보(telemetry)를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 수송하는 단계에서, 상기 배치 선박을 상기 배치 장소로 견인하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 선박 및 상기 베이스 간의 하강 라인을 느슨하게 한 후에, 상기 견인 선박 및 상기 배치 선박 간의 견인 라인을 느슨하게 하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 설치의 적합성을 확립하는 단계에서, 상기 해저 바닥에 있을 때 상기 베이스 및/또는 터빈으로부터 원격 측정 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 하강시키는 단계에서, 상기 베이스를 상기 선박의 바로 밑으로부터 하강시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 베이스를 상기 선박으로부터 하강시키는 단계 이전에, 상기 배치 장소의 상류 쪽 닻(anchor)에 상기 베이스를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 상기 선박을 상기 베이스로부터 해제하는 단계 이전에, 적어도 부분적으로나마 상기 해저 바닥으로부터 상기 베이스를 인양하여 재 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에 사용되는 용어 "해저 바닥"은 해저 바닥에 더하여, 예를 들어 강 바닥 또는 이와 유사한 물의 형체의 베이스 또는 바닥을 뜻한다.

Claims (13)

  1. 베이스(12) 및 수력 터빈(10)을 해저 바닥에 설치하는 방법으로서,
    상기 터빈(10)을 상기 베이스(12)에 연결하는 단계;
    배치 선박(14)을 이용하여 상기 베이스(12) 및 터빈(10)을 배치 장소로 수송하는 단계;
    상기 베이스(12)를 상기 선박(14)로부터 상기 해저 바닥으로 하강시키는 단계;
    상기 선박(14)과 상기 베이스(12)의 연결을 유지하는 단계;
    상기 베이스(12) 및 터빈(10)의 설치가 제대로 되고 있는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 선박(14)을 상기 베이스(12)로부터 분리하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배치 선박(14)로부터 공급되는 복수의 하강 라인(22)를 이용하여 상기 베이스(12)를 하강시키는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스(12)가 상기 해저 바닥에 위치하게 되면, 상기 하강 라인(22)에 느슨함(slack)을 부여하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베이스(12)를 흐르는 물 속의 상기 해저 바닥에 하강시키는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베이스(12)를 조류(tidal stream), 해류(ocean current) 또는 흐르는 강물의 상기 해저 바닥에 내리는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 흐르는 물에 대항하여 상기 배치 선박(14)의 위치를 견고하게 유지하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 해저 바닥에서 최종 위치를 잡기 전에, 상기 베이스(12) 또는 터빈(10)으로부터 원격 측정 정보(telemetry)를 수신하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수송하는 단계는 상기 배치 선박(14)를 상기 배치 장소로 견인하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선박(14) 및 상기 베이스(12) 간의 하강 라인(22)를 느슨하게 한 후에, 상기 견인 선박 및 상기 배치 선박(14) 간의 견인 라인을 느슨하게 하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스(12) 및 터빈(10)의 설치가 제대로 되고 있는지 여부를 판단하는 단계에서, 상기 베이스(12) 또는 터빈(10)이 해저 바닥에 있을 때 상기 베이스(12) 또는 터빈(10)으로부터 원격 측정 정보를 수신하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하강시키는 단계는, 상기 베이스(12)를 상기 선박(14)의 바로 밑으로부터 하강시키는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 베이스(12)를 상기 선박(14)로부터 하강시키는 단계 이전에, 상기 배치 장소의 상류 쪽 닻(anchor)에 상기 베이스(12)를 연결하는 단계를 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 선박(14)을 상기 베이스(12)로부터 분리하는 단계 이전에, 적어도 부분적으로 상기 해저 바닥으로부터 상기 베이스(12)를 인양하여 재 배치시키는 단계를 더 포함하는 베이스 및 수력 터빈 설치 방법.
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