KR101549194B1 - 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법 - Google Patents

모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법 Download PDF

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KR101549194B1
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함형진
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Abstract

본 발명은 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대수심에서 해상 풍력발전기 구조물의 고유 진동수를 높여 공진 문제를 해결할 수 있는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 관한 것이며, 이를 위하여 해저면에 설치되는 하부본체, 하부본체의 상부에 설치되어 타워부와 연결되는 연결부, 하부본체 외주면에 마련되되, 연결부를 지지하도록 연결부의 하부에 위치되는 링 부재, 및 하단이 해저면에 회동가능하게 결합되고, 상단이 링 부재의 측면에 회동가능하게 결합되는 복수개의 지지부재를 포함하되, 수심에 따른 하부본체 및 연결부의 좌/우 흔들림을 제한시키도록 하는 간극이 하부본체와 링 부재 사이에 형성되는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물을 제공한다.

Description

모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법{The mounting structure and method of offshore wind power generator mono file type}
본 발명은 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대수심에서 해상 풍력발전기 구조물의 고유 진동수를 높여 공진 문제를 해결할 수 있는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 관한 것이다.
풍력은 재생에너지(Renewable Energy)의 일종으로 자원이 풍부하고, 끊임없이 재생되며, 광범위한 지역에 분포되어 있고, 깨끗하며, 또한 운전 중 온실가스의 배출이 없다는 점에서 화석에너지의 고갈 시를 대비한 유망한 대체 에너지원으로서 각광받는 에너지이다.
풍력발전기의 설치 장소에 따른 분류로 육상(Onshore type) 풍력발전과 해상(Offshore type) 풍력발전으로 나누어진다. 특히 해상 풍력발전은 물속이나 물위에 풍력발전단지를 건설하여 바람에 의한 전력생산을 하는 것으로, 해상(Offshore)이라는 개념은 해양산업에서 통상적으로 사용하는 바다만을 의미하는 것이 아니기 때문에 해상 풍력발전에는 호수, 협강, 폐쇄된 해안 지역 등 내륙(Inshore)에 속하는 지역의 풍력발전도 포함된다.
이러한 해상풍력발전기는 육상에서의 풍력 발전기와는 달리 다양한 해상 환경 하중을 받는다. 이에 따라 해상 환형 하중을 견디며 풍력 발전기의 상부구조물(나셀, 타워, 블레이드, 허브 등)을 지탱해주는 하부구조물이 매우 중요한 역할을 한다.
하부구조물의 종류에는 모노파일(mono-pile) 타입, 트라이포드(tri-pod) 타입, 자켓(jacket) 타입, 중력(gravity based) 타입 등이 있다.
이 중에서 모노파일 타입이 현재까지 널리 사용되고 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 모노파일 타입은 기초파일(foundation pile, 110)을 해저 바닥에 타설하고, 그 위에 상부구조물(120)과의 중간 연결 부분인 트랜지션 피스(transition piece, 130)가 설치된다.
또한, 모노파일 타입은 주로 25m 이내의 천해(shallowe water)에 적용되었으나, 최근 30m 이상의 대수심(deep water)에 대해서 적용이 확대되고 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 수심이 깊어질수록 모노파일 타입의 하부구조물 길이가 늘어남으로써, 해상 풍력발전기 구조물의 고유 진동수는 작아지게 되며, 이에 해상 풍력발전기의 터빈의 진동수와 유사해지거나 동일해짐으로써, 공진이 발생할 수 있다.
따라서, 해상 풍력발전기 구조물의 공진 발생을 방지하기 위해 해상 풍력발전기 구조물(100)의 고유 진동수를 증대시켜야 하며, 해상 풍력발전기 구조물(100)의 고유 진동수 증대를 위해서는, 해상 풍력발전기 구조물에서 모노파일의 직경 및 두께, 해저지반 관입 깊이 등을 새로 설계해야하는 문제점이 있었다.
또한, 해상 풍력발전기 구조물을 새로 설계해야하므로 그에 대한 제작 비용 및 설치비용이 과도하게 증가하는 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제10-1171201호 (2012.08.07)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대수심에서 해상 풍력발전기 구조물의 좌/우 흔들림 폭을 줄여 해상 풍력발전기 구조물의 고유 진동수를 높일 수 있는 모노파일 타입의 해상 풍력발전 구조물 및 그 설치방법을 제공하는 것이다.
또한, 해상 풍력발전기 구조물의 모노파일 구조를 새로 설계할 필요없이 기존의 모노파일 구조를 사용할 수 있으므로 그에 대한 설계, 제작 비용 및 설치 비용이 저감될 수 있는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 해저면에 설치되는 하부본체, 하부본체의 상부에 설치되어 타워부와 연결되는 연결부, 하부본체 외주면에 마련되되, 연결부를 지지하도록 연결부의 하부에 위치되는 링 부재, 및 하단이 해저면에 회동가능하게 결합되고, 상단이 링 부재의 측면에 회동가능하게 결합되는 복수개의 지지부재;를 포함하되, 수심에 따른 하부본체 및 연결부의 좌/우 흔들림을 제한시키도록 하는 간극이 하부본체와 링 부재 사이에 형성되는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물을 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 연결부와 링 부재 사이에는 연결부와 링 부재의 충격을 완화시키기 위한 완충부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 완충부재의 단면은 타원 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서, 링 부재의 내부 벽면 둘레에는 하부본체와의 마찰을 완화시키기 위한 마찰패드가 마련되는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (A) 해상 풍력발전 구조물에 기재된 하부본체를 해저면에 설치하는 단계, (B) 인양장치를 사용하여 하부본체의 직경보다 큰 직경으로 형성되는 링 부재를 해상 풍력발전 구조물의 고유 진동수에 의해 정해지는 하부본체의 설치 위치로 이동시키는 단계, (C) 링 부재가 하부본체의 설치 위치로 이동되면, 지지부재 타단을 해저면에 회동가능하게 설치하는 단계, 및 (D) 충전재를 사용하여 링 부재 상에 타워부와 연결되는 연결부를 결합시키는 단계;를 포함하는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 설치방법을 제공한다.
본 발명의 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 따르면, 해저면에 타설되는 모노파일에 링 부재 및 지지부재를 설치하고, 링 부재의 직경이 모노파일의 직경보다 넓기 때문에 모노파일과 링 부재 사이에는 간극이 형성되고, 지지부재 보강재 역할을 함으로써 해상 풍력발전 구조물의 고유 진동수를 높일 수 있다.
또한, 해상 풍력발전기 구조물의 모노파일을 새로 설계할 필요없이 기존의 모노파일을 사용할 수 있으므로 그에 대한 설계, 제작 비용 및 설치 비용이 저감될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물을 도시한 도;
도 2는 종래 기술에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 수심에 대한 구조물 상태를 도시한 도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물을 도시한 도;
도 4는 도 3의 A 부분을 확대한 확대 단면도;
도 5는 도 4의 B-B 부분을 본 단면도;
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 설치방법을 도시한 도; 및
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 수심에 대한 구조물 상태를 도시한다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대한 확대 단면도이며, 도 5는 도 4의 B-B 부분을 본 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물(200)은 상부구조물(210) 및 하부 구조물(220)을 포함할 수 있다.
상부구조물(210)은 하부구조물(220)에 의해 지지되는 타워부(212), 타워부(212)의 상단에 설치되는 나셀(214), 나셀(214)의 선단에 구비되는 허브(216), 및 허브(216)의 축선 주변에 방사상으로 설치되는 복수의 블레이드(218)로 구성될 수 있다.
이러한 상부구조물(210)에 의해, 블레이드(218) 측에 수평풍 하중이 걸리면, 블레이드(218)와 함께 회전하는 허브(216)를 통해 그 회전력이 나셀(214) 측으로 전달되고, 나셀(214)은 그 회전력을 전기에너지로 변환하도록 구성되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하부구조물(220)은 해상의 해저면(C)에 타설되는 하부본체(230), 하부본체(230)의 상부에 설치되어 타워부(212)와 연결되는 연결부(240), 하부본체(230) 외주면에 마련되는 링 부재(250), 및 상 하단이 각각 링 부재(250)의 측면과 해저면에 회동가능하게 결합되는 복수개의 지지부재(260)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 링 부재(250)의 직경이 하부본체(230)의 직경보다 넓게 형성되어 하부본체(230)의 외주면에 설치되되, 링 부재(250)가 하부본체(230)의 상부에 설치되는 연결부(240)를 지지할 수 있도록 연결부(240)의 하단에 위치되어 하부본체(230)의 외주면에 설치될 수 있다.
또한, 링 부재(250)의 직경이 하부본체(230)의 직경보다 넓게 형성되므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이에는 소정의 간극(252)이 형성될 수 있다.
간극(252)은 해상 풍력발전기 구조물(200)의 좌/우 흔들림을 제한하기 위해 형성될 수 있으며, 간극(252)의 폭은 하부본체(230)를 지지할 수 있는 폭으로 형성되어야 한다.
링 부재(250)의 내주면에는 좌/우로 흔들리는 해상 풍력발전기 구조물(200)의 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이에 발생하는 마찰을 완화시키기 위하여 마찰패드(254)가 구비될 수 있다.
링 부재(250)의 외주면에는 링 부재(250)를 지지하여 고정시킬 수 있는 복수개의 지지부재(260)가 결합될 수 있다.
복수개의 지지부재(260)의 일단은 해저면(C)에 구비되는 앵거볼트(264)에 결합되고, 타단은 링 부재(250)의 외주면에 결합될 수 있다.
이때, 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이의 간극(252)에 의해 링 부재(250)가 상/하 좌/우로 미세하게 이동될 수 있다.
이에 따라, 링 부재(250)의 미세한 이동에 의해 지지부재(260)가 상/하 좌/우로 유연하게 이동될 수 있도록 지지부재(260)의 양단은 유니버설 조인트를 사용하여 앵커볼트(264)와 링 부재(250)에 회전가능하게 설치될 수 있다.
연결부(240)는 하부본체(230)의 직경보다 넓은 직경으로 형성되어 하부본체(230)의 상부에 설치될 수 있으며, 더욱 상세하게는 하부본체(230)에 설치되는 링 부재(250)를 지지하도록 링 부재(250)의 상부에 설치될 수 있다.
여기서, 연결부(240)와 하부본체(230)의 직경이 상이하므로, 연결부(240)와 하부본체(230) 사이에 소정의 공간(242)이 형성될 수 있다.
또한, 링 부재(250)와 연결부(240) 사이에 발생하는 마찰 및 충격을 저감시키기 위한 완충부재(244)가 링 부재(250)와 연결부(240) 사이에 설치될 수 있다.
완충부재(244)는 연결부(240)와 링 부재(250) 사이에 발생하는 충격을 저감시키는 댐퍼 역할을 하며, 또한, 완충부재(244)의 단면 형상이 타원 형상을 가지고 있기 때문에 하부본체(230)와 연결부(240) 사이에 형성되는 공간(242)에 채워지는 충전재(246)가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 밀봉 역할을 할 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 설치방법을 도시한 도면이다.
해상 풍력발전기의 상부 구조물(210)을 지지하는 하부구조물(220)의 설치방법을 설명하면, 도 6a에 도시된 바와 같이 해상의 해저면(C)에 하부본체(230)를 타설하여 고정시킨다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 링 부재(250) 및 지지부재(260)를 하부본체(230)에 관통시킨 후, 도 6c에 도시된 바와 같이, 해상 풍력발전기 구조물(200)의 고유 진동수에 의해 정해지는 하부본체(230)의 설치 위치로 링 부재(250)를 이동시킨다.
여기서, 링 부재(250) 및 지지부재(260)는 하나의 지그(270)에 지지되어 선박으로 이송될 수 있으므로, 대량의 링 부재(250)가 지그(270)에 지지되어 선박으로 이송될 수 있다.
구체적으로, 인양장치(280)로 지그(270)를 인양하여 링 부재(250)를 하부본체(230) 상에 위치시키고, 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이에 간극이(252) 형성될 수 있도록, 링 부재(250)의 직경이 하부본체(230)의 직경보다 넓게 형성될 수 있다.
또한, 링 부재(250)가 하부본체(230)에 설치되는 설치 위치는 해상 풍력발전기 구조물(200)의 고유 진동수에 의해 정해질 수 있으며, 해상 풍력발전기 구조물(200)의 고유 진동수는 풍력발전기의 터빈에서 발생하는 진동수와 수심에 따른 파랑에 의해 정해질 수 있다.
이후, 하부본체(230)의 설치 위치에 링 부재(250)가 위치되면, 지그(270)에 지지되는 지지부재(260)를 해저면(C)에 설치되어 있는 앵거볼트(264)에 설치한다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 링 부재(250) 상부에 연결부(240)를 위치시킨다.
구체적으로, 연결부(240)의 직경은 하부본체(230)의 직경보다 넓게 형성되어 하부본체(230)의 상부에 설치되되, 하부본체(230)의 외주면에 설치되는 링 부재(250)를 지지할 수 있도록 링 부재(250)의 상부에 설치된다.
또한, 연결부(240)의 직경이 하부본체(230)의 직경보다 넓기 때문에, 연결부(240)와 하부본체(230) 사이에 소정의 공간(242)이 형성될 수 있다.
또한, 링 부재(250)와 연결부(240) 사이에는 완충부재(244)가 구비될 수 있고, 완충부재(244)는 연결부(240)의 하부에 구비되어 연결부(240)가 링 부재(250) 상부에 동시에 설치될 수 있으며, 또는 연결부(240)를 하부본체(230) 상부에 설치하기 전, 링 부재(250) 상에 완충부재(244)를 구비한 후, 완충부재(244) 상에 연결부(240)가 설치될 수 있다.
도 6e에 도시된 바와 같이, 연결부(240)와 하부본체(230) 사이에 형성되는 공간(242)으로 충전재(246)인 그라우팅을 삽입함으로써, 연결부(240)와 하부본체(230)를 고정시킨다.
여기서, 하부본체(230)의 상부에 위치되는 연결부(240)는 하부본체(230)의 외주면에 구비되는 링 부재(250)에 지지되어 공간(242)에 충전재가 삽입될 수 있다.
즉, 링 부재(250)는 연결부(240)의 스토퍼 역할을 해줄 수 있으므로, 종래 기술에서와 같이 하부본체 또는 연결부에 별도의 스토퍼 없이 링 부재(250)에 지지되어 공간(252)으로 충전재를 삽입하여 하부본체(230)와 연결부(240)를 고정시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 수심에 대한 구조상태를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 해상 풍력발전기 구조물(200)이 깊은 수심에 설치되고, 수심이 깊어질수록 초기 해상 풍력발전기 구조물(200)의 설치 위치에서 해상 풍력발전기 구조물(200)이 좌/우로 흔들릴 수 있다.
본 발명에 따른 해상 풍력발전기 구조물(200)은 하부본체(230)의 외주면에 설치되는 링 부재(250)에 의해 해상 좌/우로 흔들리는 폭을 줄일 수 있다.
구체적으로, 하부본체(230)가 깊은 수심의 파랑에 의해 좌/우로 흔들릴 경우, 링 부재(250)를 중심으로 링 부재(250) 상부에 위치되는 하부본체(230)는 간극(252)만큼 이동되어 링 부재(250)에 지지된다.
즉, 링 부재(250)는 하부본체(230)의 좌/우 흔들림에 대하여 하부본체(230)를 지지하는 지지점이 되고, 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이에 형성되는 간극(252)은 하부본체(230)의 좌/우 흔들림을 제한시킨다.
또한, 연결부(240)에 설치되는 풍력 발전기의 하중은 링 부재(250)의 하부에 위치되는 하부본체(230)에 집중되므로, 링 부재(250)의 하부에 위치되는 하부본체(230)는 도 7에 도시된 바와 같이 소정의 변형이 발생할 수 있으나, 링 부재(250) 상부에 위치하는 하부본체(230)의 좌/우 흔들림은 줄어든다.
즉, 본 발명에 따른 해상 풍력발전기 구조물(200)은 하부본체(230)와 링 부재(250) 사이에 간극(252)을 형성함으로써, 하부본체(230)의 좌/우 흔들림을 줄여주는 동시에 풍력발전기의 하중을 링 부재(250)의 하부에 위치하는 하부본체(230)로 집중될 수 있도록 한다.
따라서, 해저면에 타설되는 하부본체에 링 부재 및 지지부재를 설치하고, 링 부재의 직경이 하부본체의 직경보다 넓기 때문에 하부본체와 링 부재 사이에는 간극이 형성되어 풍력발전기의 터빈에 의한 진동수 및 깊은 수심의 파랑에 의한 하부본체의 좌/우 흔들림 폭을 줄임으로써 해상 풍력발전 구조물의 고유 진동수를 높일 수 있다.
또한, 해상 풍력발전 구조물의 모노파일 구조를 새로 설계할 필요없이 기존의 모노파일 구조를 사용할 수 있으므로 그에 대한 제작 비용 및 설치 비용이 저감될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명의 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물 및 그 설치방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형 실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
210 : 상부 구조물 220 : 하부 구조물
230 : 하부본체 240 : 연결부
242 : 공간 244 : 완충부재
246 : 충전재 250 : 링 부재
252 : 간극 254 : 마찰패드
260 : 지지부재

Claims (5)

  1. 해저면에 설치되는 하부본체;
    상기 하부본체의 상부에 설치되어 타워부와 연결되는 연결부;
    상기 하부본체 외주면에 마련되되, 상기 연결부를 지지하도록 상기 연결부의 하부에 위치되는 링 부재; 및
    하단이 상기 해저면에 회동가능하게 결합되고, 상단이 상기 링 부재의 측면에 회동가능하게 결합되는 복수개의 지지부재;를 포함하되,
    수심에 따른 상기 하부본체 및 상기 연결부의 좌/우 흔들림을 제한시키도록 하는 간극이 상기 하부본체와 상기 링 부재 사이에 형성되는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부와 상기 링 부재 사이에는 상기 연결부와 상기 링 부재의 충격을 완화시키기 위한 완충부재가 설치되는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 완충부재의 단면은 타원 형상을 갖는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 부재의 내부 벽면 둘레에는 상기 하부본체와의 마찰을 완화시키기 위한 마찰패드가 마련되는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물.
  5. (A) 청구항 1의 해상 풍력발전 구조물에 기재된 하부본체를 해저면에 설치하는 단계;
    (B) 인양장치를 사용하여 상기 하부본체의 직경보다 큰 직경으로 형성되는 상기 링 부재를 상기 해상 풍력발전 구조물의 고유 진동수에 의해 정해지는 상기 하부본체의 설치 위치로 이동시키는 단계;
    (C) 상기 링 부재가 상기 하부본체의 설치 위치로 이동되면, 상기 지지부재 타단을 상기 해저면에 회동가능하게 설치하는 단계; 및
    (D) 충전재를 사용하여 상기 링 부재 상에 타워부와 연결되는 연결부를 결합시키는 단계;를 포함하는 모노파일 타입의 해상 풍력발전기 구조물의 설치방법.
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