KR101520015B1 - 풍력 발전 플랜트 - Google Patents

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빅토르 발레리예비치 체보크사로프
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파 이스턴 페더럴 유니버시티(에프이에프유)
페더럴 스테이트 버지터리 인스티튜션 ≪페더럴 에이전시 포 리걸 프로텍션 오브 밀리터리, 스페셜 앤드 듀얼 유스 인텔렉추얼 액티버티 리절트≫ (에프에스비아이 ≪팔피아르≫)
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Abstract

제안된 풍력 발전 플랜트는 수직축에 대하여 회전가능하게 되어있는 환형 폰툰에 배치된 블레이드들, 환형 폰툰에 의해 둘러싸인 플랫폼에 배치되며, 회전에너지를 변환할 수 있는 에너지 변환기, 에너지 변환기의 수신장치로 환형 폰툰 회전에너지를 전송할 수 있는 동적 메커니즘를 포함한다는 점과,
상기 풍력 발전 플랜트는 플랫폼이 부유가능하게 만들어지며 수중의 바닥에 위치하며, 바람직하게 쌍으로 존재하고, 제1 유연성 부재의 수평면 투영(horizontal plane projection)은 환형 폰툰의 회전축에 방사상으로 지향하고, 제2 유연성 부재의 투영은 접선 방향으로 지향하는 방식으로 유연성 부재들에 의해 플랫폼에 연결되는 적어도 6개의 앵커들을 포함하는 위치결정수단, 유연성 부재가 플랫폼에 장착되는 지점에 대하여 환형 폰툰의 회전 방향과 반대 방향으로 치우쳐 이에 연결된 앵커를 구비하는 점에 특징이 있다.

Description

풍력 발전 플랜트 {Wind Power Plant}
본 발명은 소규모 발전에 관한 것으로, 풍력 발전 단지(wind farms)를 제작하는 데에 사용할 수 있는 것이다.
풍력 발전 플랜트는 환형 폰툰(pontoon)상에 설치되어 풍력을 받아들이는 구동 부재들과 그 폰툰(pontoon)에 동적으로 연결되는 에너지 변환기로 구성되는 것으로 알려져 있다(구소련(USSR) 발명자증 번호 1719713 , IPC5 F03D 3/06;1992 ).
이 솔루션의 단점은 기계적 에너지의 전기발전기로의 변환이 복잡하고, 특히 휠 치수들이 증가될 때, 휠이 회전하는동안 방사상으로 폰툰(pontoon)을 움직이는 힘이 발생한다는 것에 있다. 따라서, 폰툰은 상기의 힘이 작용하는 방향의 전기발전기들과만 효율적으로 상호작용한다.
또한, 환형 채널의 (또는, 적어도, 폰툰 외부 둘레를 따라 여러 개의 지지 부재들[고정 부재들(stops)]의 설치) 필수적인 설치는 매우 복잡하고, 플랜트를 고정시키는 가격을 상승시킨다.
풍력 발전 플랜트는 또한 회전 에너지를 변환할 수 있는 에너지 변환기, 수직축에 대해 회전 가능하도록 배치된 환형 폰툰, 환형 폰툰 상에 배치되고 수직축들에 대해 회전 가능하도록 만들어진 회전 가능한 블레이드들, 환형 폰툰 및 환형 폰툰과 동축상으로(co-axially) 회전가능성을 갖도록 배치된 에너지 변환기 허브(hub)에 연결된 유연한 링크(link)들, 에너지 변환기의 수신 장치에 환형 폰툰의 회전 에너지를 전송할 수 있도록 만들어진 동적 메커니즘(kinematic mechanism)을 포함한다고 알려져 있다(RF 특허 제 2330989, IPC F 03 D 3/06, 2008). 이 솔루션의 단점은 부유 플랫폼(floating platform)이 회전 가능하게 만들어지기 때문에, 에너지의 큰 유체 역학적 손실과 생산성이 낮다는 점이다.
풍력 발전 플랜트는 또한 그것의 수직축에 대하여 회전가능하게 형성된 환형 폰툰 상에 배치된 블레이드들, 회전 에너지를 변환할 수 있도록 만들어지고, 환형 폰툰에 의해 둘러싸인 플랫폼 상에 배치되는 에너지 변환기, 에너지 변환기의 수신 장치로 환형 폰툰의 회전 에너지를 전송할 수 있도록 만들어진 동적 메커니즘을 포함한다고 알려져 있다(RF 특허 번호 2118705 , IPC6 F 03 D 3/06, 1998). 이 프로토타입의 단점은 이러한 솔루션의 플랫폼이 고정되게 만들어지기 때문에 풍력 발전 플랜트가 깊은 수심의 선반 모양 지층(deep-water shelf) 영역에 설치될 수 없다는 점에 있다.
청구된 솔루션의 과제는 수역(water area)에 풍력 발전 플랜트를 설치하기 위한 장소에 관련된 제한을 배제하기 위한 것이다.
상기 과제는 제안된 풍력 발전 플랜트가 수직축에 대하여 회전가능하게 되어있는 환형 폰툰에 배치된 블레이드들(blades), 환형 폰툰에 의해 둘러싸인 플랫폼에 배치되며, 회전에너지를 변환할 수 있는 에너지 변환기, 에너지 변환기의 수신장치로 환형 폰툰 회전에너지를 전송할 수 있는 동적 메커니즘를 포함한다는 점과,
상기 풍력 발전 플랜트는 플랫폼이 부유가능하게 만들어지며 수중의 바닥에 위치하며, 바람직하게 쌍으로 존재하고, 제1 유연성 부재의 수평면 투영(horizontal plane projection)은 환형 폰툰의 회전축에 방사상으로 지향하고, 제2 유연성 부재의 수평면 투영은 접선 방향으로 지향하는 방식으로 유연성 부재들에 의해 플랫폼에 연결되는 적어도 6개의 앵커들을 포함하는 위치결정수단, 유연성 부재가 플랫폼에 장착되는 지점에 대하여 환형 폰툰의 회전 방향과 반대 방향으로 치우쳐 이에 연결된 앵커를 구비하는 특징이 있다는 점에 기인하여 해결될 수 있다.
상기 앵커들은 플랫폼의 해저 투영면의 범위를 벗어나서 위치한다.
또한, 플랫폼은 부유 베이스(floating base)와 에너지 변환기를 구비하고 물속에 잠긴 부유 베이스에 연결된 물위 부분, 길이가 플랫폼의 물위의 높이와 바람에 의한 파도의 깊이 범위의 합계보다 더 길고, 밀폐된 컬럼 단면의 길이가 폭보다 더 길고, 밀폐된 컬럼 단면의 장축이 환형 폰툰의 회전축에 방사상으로 지향되고, 그리고, 더욱이, 환형 폰툰 회전축으로부터 밀폐된 컬럼의 가장 먼 영역까지의 거리가 환형 폰툰 내부 반경보다 작은 밀폐된 컬럼들을 포함한다.
또한, 플랫폼의 부유 베이스는 일반적인 다각형 형태로 만들어지고, 유연성 부재들은 환형 폰툰 회전축으로부터 가장 멀리 떨어진 지점에서 플랫폼 부유 베이스에 연결되며, 바람직하게는, 그것들의 간격은 같다.
또한, 플랫폼 부유 베이스의 수평적 치수들은 플랫폼의 물위 부분에 대응하는 치수들보다 더 크다.
특허청구된 솔루션과 프로토타입의 본질적인 특징의 비교 연구는 청구된 솔루션이 신규성(novelty)의 요건을 충족하고 있는 것임을 증명하고 있다.
청구범위의 차별되는 부분에 포함되는 특징은 다음의 기능적인 과제들을 해결한다. "... 플랫폼은 부유 가능하게 만들어지며, 위치결정수단들을 구비하며 ..." 라는 특징은 정지형 플랫폼(stationary platform)이 사용불가능하거나 또는 비채산적(unprofitable)인 50m 이상 보다 깊은 선반 모양의 수중바닥영역(self area)에서 풍력 발전 플랜트의 설치를 가능하게 한다.
위치결정수단들이 "수중의 바닥에 위치하는 적어도 6개의 앵커들을 포함하고, 바람직하게는 쌍으로 존재하고, 제1 유연성 부재의 수평면 투영(horizontal plane projection)은 환형 폰툰 회전축에 방사상으로 향하는 방식으로 유연성 부재들에 의하여 플랫폼에 연결된다"고 언급하는 특징은 수면 상에서 부유 베이스의 표류를 방지할 수 있다. 그리고 유연한 부재들의 존재는 거친 바다의 수위가 변화하는동안 구조 작업(structure work)을 더 쉽게 할 수 있도록 한다.
"... 제2 유연성 부재의 수평면 투영(projection)은 접선 방향으로 지향되며, 이에 연결된 앵커가 상기 유연성 부재가 플랫폼에 장착되어 있는 지점에 대하여 환형 폰툰 회전 방향과 반대 방향으로 치우쳐 있다(offset)"는 특징은 바람에 의해 플랫폼으로부터 수중의 바닥으로 형성되는 비틀림 토크(torsion torque)의 신뢰할 수 있는 전송을 보장하여, 플랫폼이 수직축에 대하여 회전하는 것을 방지하므로, 부유 풍력 발전 플랜트의 가동성(workability)을 보장한다.
플랫폼의 수중 바닥 투영의 바깥에 배치된 앵커들은 유연성 부재들의 인장력을 감소시키고 풍력 발전 플랜트의 위치 안정성을 개선시킬 뿐 아니라, 앵커의 무게를 감소시킨다.
청구항 3에서 포함된 특징들은 부유 풍력 발전 플랜트의 움직임에 파도의 영향을 감소시키고 그로 인한 신뢰성을 개선시킬 수 있다. 따라서, "... 물위의 부분 ... 및 연결된 물속에 잠긴 부유 베이스, 밀봉된 컬럼들 ...이 포함"의 특징은 수직 안정성을 확보하며, 그리고 "... 길이가 폭보다 더 길어진 밀폐된 컬럼 단면, 환형 폰툰 회전축에 방사상으로 지향되는 단면 장축"의 특징은 유입되는 물의 무게를 증가시키게 한다. 따라서, 유연성 부재들에 존재하는 인장력의 동적 성분을 줄이고 앵커 무게를 줄일 수 있다. 또한, "... 상기 환형 폰툰 회전축으로부터 상기 밀폐된 컬럼의 가장 먼 영역까지의 거리가 상기 환형 폰툰 내부 반경보다 작은" 특징은 부유 플랫폼과 관련하여 환형 폰툰의 회전을 보장한다.
청구범위 4항의 특징들은 유입되는 물의 무게를 증가시킬 수 있으므로, 유연성 부재들에서 인장력의 동적(dynamic) 성분을 줄이고 앵커 무게를 줄일 수 있다. "상기 유연성 부재들은 상기 환형 폰툰 회전축으로부터 가장 멀리 있는 지점에서 상기 플랫폼 부유 베이스에 연결되며, 바람직하게는, 그것들의 간격은 같은 것"의 특징은 유연성 부재들에서 인장력의 정적(static) 성분을 감소시키고 앵커 무게를 줄일 수 있도록 한다.
청구범위 5 항에 포함된 특징들은 유연성 부재들에서 인장력을 감소시키고 부유 풍력 발전 플랜트의 위치 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 앵커 무게를 감소시킨다.
설정한 과제를 위한 실행으로 인해 달성되는 기술적 효과는 낮은 난기류와 강력하고 안정적인 바람의 영역에서 깊이 50m 이상을 가진 자유로운 바다의 선반 모양의 지층 영역에 풍력 발전 플랜트를 배치 가능한 장소들의 범위를 확대시켜, 전기 에너지의 생산성을 증가시키는 것에 있다.
도 1은 풍력 발전 플랜트의 정면도(horizontal view)를 도시한 도면이다.
도 2는 평면도(top view)를 도시한 도면이다.
도 3은 수면에 따른 수평 단면을 도시한 도면이다.
도면들은 플랫폼(1) , 환형 폰툰(2) , 동적 메커니즘(kinematic mechanism)(3) , 에너지 변환기의 수신 장치 (4), 블레이드(5), 환형 폰툰(2)의 수직 회전축(6), 앵커들(7), 수중의 바닥(8), 유연성 부재들(9, 10), 플랫폼(1)의 부유 베이스(12)에 유연성 부재들(9, 10)이 부착되는 지점(11), 플랫폼(1)의 물위의 부분(13), 밀봉된 컬럼(14), 밀봉된 컬럼(14) 단면의 장축(15)을 도시한다.
풍력 발전 플랜트는 환형 폰툰(2)에 의해 둘러싸인 플랫폼(1), 에너지 변환기의 수신장치(4)에 환형 폰툰(2)의 회전에너지를 전송할 수 있도록 만들어지는 동적 메커니즘(3)(에너지 변환기는 도면에서 충분하게 보여지지 않았다)을 포함한다. 블레이드들(5)은 수직축(6)에 대하여 회전 가능하게 형성된 환형 폰툰(2) 상에 배치된다.
플랫폼(1)은 부유가능하게 만들어지며, 수중의 바닥(8)에 위치하며, 바람직하게 쌍으로 존재하고, 제1 유연성 부재(9)의 수평면 투영(horizontal plane projection)은 환형 폰툰(2)의 회전축(6)에 방사상으로 지향하고, 제2 유연성 부재(10)의 수평면 투영은 접선 방향으로 지향하는 방식으로 유연성 부재들(케이블들 또는 체인들)(9, 10)에 의해 플랫폼(1)에 연결되는 적어도 6개의 앵커들(7)을 포함하는 위치결정수단, 유연성 부재들(9, 10)이 부유 베이스(12)에 부착된 지점(11)에 대하여 환형 폰툰(2)의 회전 방향과 반대 방향으로 치우쳐(offset) 이에 연결된 앵커(7)를 구비한다.
앵커들(7)은 플랫폼(1)의 수중의 바닥(8) 투영면의 범위를 벗어나서 위치한다.
또한, 플랫폼(1)은 부유 베이스(12) 및 에너지 변환기(4)를 구비하고 물속에 잠긴 부유 베이스(12)에 연결된 물위의 부분(13), 길이가 플랫폼(1)의 물위의 높이와 바람에 의한 파도의 깊이 범위의 합계보다 더 길고, 밀폐된 컬럼 단면의 길이가 폭보다 더 길고, 밀폐된 컬럼 단면의 장축(15)이 플랫폼(1)의 수직축과 일치하는 환형 폰툰(2)의 회전축(6)에 방사상으로 지향되는 밀폐된 컬럼들(14)를 포함한다.
플랫폼(1)의 부유 베이스(12)는 일반적인 다각형 형태로 만들어지고, 유연성 부재들 (9, 10)은 환형 폰툰(2)의 회전축(6)에서 가장 멀리 떨어진 지점인 부유 베이스의 지점(11)에서 플랫폼(1)에 부착되며, 바람직하게는, 그것들의 간격은 같다. 또한, 플랫폼(1)의 부유 베이스(12)의 수평적 치수들(horizontal dimensions)은 플랫폼의 물위의 부분(13)에 대응하는 치수들보다 더 크고, 플랫폼(1)의 부유 베이스(12)의 수평적 치수들은 환형 폰툰(2)의 직경에 근사하다.
풍력 발전 플랜트는 다음과 같이 작동할 수 있다.
풍력 발전 플랜트는 떠있는 조립품으로서 견인에 의해 배치 장소로 수송된다. 미리 예정된 선반 모양 지층의 위치에 도달하면, 앵커들(7)이 수중의 바닥(8)으로 플랫폼(1)에 대한 수중의 바닥(8)의 투영면을 넘어 상당한 거리로 던져진다. 앵커들(7)은 지점(11)에서 플랫폼(1)의 부유 베이스(12)에 유연성 부재들(9, 10)의 수단들에 의해 연결된다.
유연성 부재들(9)은 그것에 부착된 앵커들(7)을 통해, 수평 평면 내에서 플랫폼(1)의 안정적인 위치 및 부유 베이스(12)의 이동 가능한 공간(displacable volume)를 확보하고, 밀폐된 컬럼들(14)은 플랫폼(1)의 수직 위치의 안정성을 확보한다. 블레이드들(5)에 작용하는 바람의 흐름은 동적 메커니즘(3)을 통해 에너지 변환기의 수신 장치(4)로, 그리고 에너지 변환기의 수신 장치(4)로부터 플랫폼(1)으로 전송되는 비틀림 모멘트를 만든다.
이 비틀림 모멘트는 유연성 부재들(10)의 인장력 수평 성분에 의해 생성된 모멘트에 의해 균형이 유지되어진다. 수중의 바닥(8)에서 플랫폼(1)의 투영면으로부터 앵커들(7)이 멀리 떨어짐으로 인한, 유연성 부재들(9, 10)의 경사는 상기 힘들과 앵커들(7)의 무게를 감소시킨다.
한편, 돌풍에 의해 발생되는 비틀림 모멘트의 동적 성분은 플랫폼(1)의 관성과 부유 베이스(12)의 비곡면(non-rounded) 형상 및 밀폐되게 봉해진 컬럼들(14)의 방사상으로 가늘고 긴 형상에 의해 용이하게 유입되는 엄청난 물의 양에 의해 안정화된다.
1 : 플랫폼 2 : 환형 폰툰
3 : 동적 메커니즘 4 : 에너지 변환기의 수신 장치
5 : 블레이드 6 : 환형 폰툰의 수직 회전축
7 : 앵커 8 : 수중의 바닥
9, 10 : 유연성 부재
11 : 플랫폼의 부유 베이스에 유연성 부재들이 부착되는 지점
12 : 플랫폼의 부유 베이스
13 : 플랫폼의 물위의 부분 14 : 밀봉된 컬럼
15 : 밀봉된 컬럼 단면의 장축

Claims (5)

  1. 환형 폰툰의 수직축(6)에 대하여 회전 가능한 상기 환형 폰툰(2) 상에 배치된 블레이드들(5);
    회전 에너지를 변환하는 것이 가능하게 만들어지고, 상기 환형 폰툰(2)에 의해 둘러쌓인 플랫폼(1) 상에 배치되는 에너지 변환기(4);
    상기 에너지 변환기(4)의 수신장치로 상기 환형 폰툰(2)의 회전 에너지를 전송할 수 있도록 만들어진 동적 메커니즘(3); 및
    상기 플랫폼(1)의 위치를 결정하는 위치결정수단; 을 포함하고,
    상기 플랫폼(1)은 부유 가능하게 만들어지고,
    쌍으로 존재하는 상기 위치결정수단인 유연성 부재(9,10)에 의해 상기 플랫폼(1)에 연결되어 수중(8)의 바닥에 위치하게 되는 적어도 6개의 앵커들(7)을 포함하고,
    상기 유연성 부재(9)의 수평면 투영은 상기 환형 폰툰(2)의 회전축(6)에 방사상으로 지향하고,
    상기 유연성 부재(10)의 수평면 투영은 접선 방향으로 지향되며,
    상기 유연성 부재(9,10)가 상기 플랫폼(1)에 장착되는 지점(11)에 대하여 상기 환형 폰툰(2)의 회전방향과 반대방향으로 치우쳐 이에 상기 앵커들(7)을 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 앵커들(7)은 상기 플랫폼(1)의 해저 투영면의 범위를 벗어나서 위치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 플랜트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플랫폼(1)은 부유 베이스(12)와 상기 에너지 변환기(4)를 구비하고, 물속에 잠긴 상기 부유 베이스(12)에 연결되어 물위에 위치하는 물위 부분(13),
    및 길이가 상기 플랫폼(1)의 물위의 높이와 바람에 의한 파도의 깊이 범위의 합계보다 더 길고, 밀폐된 컬럼(14) 단면의 길이가 폭보다 더 길고, 밀폐된 상기 컬럼(14) 단면의 장축(15)이 상기 환경 폰툰(2)의 회전축(6)에 방사상으로 지향되며, 상기 환형 폰툰(2)의 회전축(6)으로부터 밀폐된 상기 컬럼(14)의 가장 먼 영역까지의 거리가 상기 환형 폰툰(2)의 내부 반경보다 작은 밀폐된 상기 컬럼(14)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 플랜트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 플랫폼(1)의 부유 베이스(12)는 다각형 형태로 만들어지고, 상기 유연성 부재들(9,10)은 상기 환형 폰툰(2)의 회전축(6)으로부터 가장 멀리 떨어진 지점(11)에서 상기 플랫폼(1)의 상기 부유 베이스(12)에 연결되며, 상기 유연성 부재들(9,10)의 간격은 같은 것을 특징으로 하는 풍력 발전 플랜트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플랫폼(1)의 상기 부유 베이스(12)의 수평적 치수들은 상기 플랫폼(1)의 상기 물위 부분(13)에 대응하는 치수들보다 더 큰 것을 특징으로 하는 풍력 발전 플랜트.
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