KR101609454B1 - 해양 발전시스템의 하부구조물 - Google Patents

해양 발전시스템의 하부구조물 Download PDF

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Abstract

해양 발전시스템의 하부구조물이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 물해양 발전시스템의 하부구조물은, 전체적으로 사각형의 형상을 지니는 메인프레임을 갖고 발전시스템을 지지하기 위한 해양 발전시스템의 하부구조물로서, 메인프레임의 각각의 모서리에 위치하고 제1의 에너지원을 이용하는 제1 발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임; 및 하부구조물의 강도를 증대시키도록 각각의 서브프레임을 상호 연결하는 보강프레임;을 포함한다.

Description

해양 발전시스템의 하부구조물{LOWER STRUCTURE OF OCEAN POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 해양 발전시스템의 하부구조물에 관한 것으로, 더욱 특정하게는 파력 및 풍력을 이용한 복합발전용 대형 부유체 구조물의 형상에 관한 것이다.
파력 발전이란, 파도의 상하운동을 에너지 변환 장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후 전기 에너지로 변환시키는 방식이다. 다시 말해서, 파도의 운동에너지를 이용한 발전으로 파도에 의한 수위의 변화를 공기 압력으로 변화시켜 터빈을 회전시키는 것이 그 원리이다. 예를 들면, 파고 2미터(m), 주기 6초인 파도에 대하여 폭 1미터 당 25킬로와트(kW)의 전기에너지를 획득할 수 있다.
풍력 발전이란, 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 발전 방식으로, 예를 들어, 풍차 등을 이용하여 자연의 바람 에너지를 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후 전기 에너지로 변환시키는 방식이다. 일반적으로 바람의 세기가 1초에 평균 4미터 이상이면 풍력발전기를 설치할 수 있다. 풍력 발전량은 날개 길이의 제곱에 비례하고, 풍속의 세제곱에 비례한다. 그러므로, 발전기가 클수록, 바람이 강한 곳일수록 풍력 발전에 유리하다.
이러한 파력 발전 및 풍력 발전 양자 모두를 이용하여 효율적으로 복합 발전을 하기 위한 연구가 활발히 진행되어오고 있다. 특히, 해양 풍력 발전은 소음과 입지의 제약, 경관 훼손의 문제 등을 야기할 수 있는 육상 풍력 발전의 대안으로서각광 받고 있다. 해양 풍력 발전은 해저 기반 기초 위에 풍력 발전기를 설치하여 전기를 생산한 후 해저 케이블을 통하여 육상으로 전기를 공급한느 방식이 일반적으로 사용되고 있다. 설치의 방식에 따라 해저 기반에 직접 기초를 설치하는 고정식과 바다 위에 띄우는 부유식으로 나뉠 수 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-041814호
본 발명의 일 실시예에 따라 종래 대비 강화된 강도를 갖는 대형 부유체 구조물로서 해양 발전시스템의 하부구조물이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 해양 발전시스템의 하부구조물이 제공될 수 있다. 본 발명이 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물은, 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성된 메인프레임을 갖고 발전시스템을 지지하기 위한 해양 발전시스템의 하부구조물로서, 메인프레임의 내부에 형성된 사각형의 공간의 각각의 모서리에 위치하고 제1의 에너지원을 이용하는 제1 발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임; 및 하부구조물의 강도를 증대시키도록 각각의 서브프레임을 상호 연결하는 보강프레임;을 포함하며, 각각의 서브프레임은 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성되어 이루어지며, 보강프레임은, 각각의 서브프레임들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임을 연결하는 X자 형상의 프레임일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1의 에너지원은 풍력이고, 제1 발전기는 풍력발전기일 수 있다.
삭제
본 발명의 일 실시예에 따른 메인프레임의 각각의 변에는 제2의 에너지원을 이용하는 제2 발전기가 복수개 설치되어 지지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2의 에너지원은 파력이고, 제2 발전기는 파력발전기일 수 있다.
삭제
본 발명의 일 실시예에 따른, 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성된 메인프레임을 갖고 발전시스템을 지지하기 위한 해양 발전시스템의 하부구조물은, 메인프레임의 내부에 형성된 사각형의 공간의 각각의 모서리에 위치하고 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성되어 이루어지며, 풍력발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임; 및 하부구조물의 강도를 증대시키도록, 각각의 서브프레임들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임을 연결하고 X자 형상을 지니는 보강프레임;을 포함하고, 메인프레임의 각각의 변에는 복수개의 파력발전기가 설치되어 지지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상 최적화를 응용하여 구조가 설계된 해양 발전시스템의 하부구조물은 종래의 하부구조물에 비하여 대형 부유체 등의 구조 형상과 강도의 안전성이 더욱 보장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물의 평면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물(1000)은 전체적으로 사각형의 형상을 지니는 메인프레임(100)을 갖고 발전시스템을 지지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물(1000)은 메인프레임(100)의 각각의 모서리에 위치하고 제1의 에너지원을 이용하는 제1 발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임(110); 및 하부구조물의 강도를 증대시키도록 각각의 서브프레임을 상호 연결하는 보강프레임(120)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1의 에너지원은 풍력이고, 제1 발전기는 풍력발전기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보강프레임(120)은, 각각의 서브프레임(110)들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임(110)을 연결하는 X자 형상의 프레임일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메인프레임(100)의 각각의 변에는 제2의 에너지원을 이용하는 제2 발전기가 복수개 설치되어 지지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2의 에너지원은 파력이고, 제2 발전기는 파력발전기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 서브프레임(110)은 전체적으로 사각형의 형상을 갖는 서브프레임(110)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물의 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물(1000)은 전체적으로 사각형의 형상을 지니는 메인프레임(100)을 갖고 발전시스템을 지지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물(1000)은 메인프레임(100)의 각각의 모서리에 위치하고 제1의 에너지원을 이용하는 제1 발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임(110); 및 하부구조물의 강도를 증대시키도록 각각의 서브프레임을 상호 연결하는 보강프레임(120)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보강프레임(120)은, 각각의 서브프레임(110)들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임(110)을 연결하는 X자 형상의 프레임일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메인프레임(100)의 각각의 변에는 제2의 에너지원을 이용하는 제2 발전기가 복수개 설치되어 지지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 서브프레임(110)은 전체적으로 사각형의 형상을 갖는 서브프레임(110)일 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물은 위상 최적화 방법을 응용하여 획득될 수 있다. 다시 말해서 파력-풍력 복합발전용 대형 부유체 구조물의 초기 구조 형상 설계 검토를 위해서 위상 최적화 방법이 활용될 수 있다. 우선 위상최적화 이론의 적합성을 검토하고, 구조해석을 통한 구조형상 결정을 위하여 설치해역 해양환경하중 조건을 적용한 Hydrodynamic analysis를 통해 구조해석 하중조건을 산출하고, 구조해석에 연계하여 하중조건을 활용할 수 있다. 단순화된 복합발전용 부유체 구조형상을 정의하고, 이에 대한 유한요소 모델링 및 하중/경계조건을 설정하여 유한요소법을 이용한 구조해석이 수행될 수 있다. 초기 구조형상 및 부재 배치 검토를 위한 위상최적화 해석이 수행될 수 있고, 유한요소의 종류 및 요소의 크기에 따른 위상최적화 결과의 변화를 검토하고, 최종적인 위상최적화 결과 형상에 대해서 실제 구조설계에 응용할 수 있는 구조모델링 Fairing을 수행함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 발전시스템의 하부구조물이 획득될 수 있다.
예를 들면, 파력-풍력 복합발전용 대형 부유체 구조물의 초기 구조형상설계 검토에 관한 위상최적화를 수행하기 위하여 다음 그림 1과 같은 전체적인 응용 프로세스가 적용될 수 있다.
(그림 1)
Figure 112014051331013-pat00001
(그림 2)
Design domain ; (a) rectangular microstructure, (b) hexagonal microstructure, (c) discretized element
Figure 112014051331013-pat00002
그림 2에 나타난 바와 같이 기하학적 경계
Figure 112014051331013-pat00003
가 정의된 설계영역
Figure 112014051331013-pat00004
에서 체적에 작용하는 힘
Figure 112014051331013-pat00005
, 경계
Figure 112014051331013-pat00006
에서 표면에 작용하는 힘
Figure 112014051331013-pat00007
가 작용하는 탄성계수
Figure 112014051331013-pat00008
인 선형탄성체 구조의 평형상태는 가상변위의 원리를 이용하여 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014051331013-pat00009
여기서 u는 변위, v는 Sovolev 공간 V의 부분 집합인 가상변위를 나타내고 a(u,v)와 l(v)는 각각 평형상태에서 가상변위 v에 대한 내부가상일과 외부작용일을 나타내며, 다음과 같이 정의 된다.
Figure 112014051331013-pat00010
Figure 112014051331013-pat00011
Figure 112014051331013-pat00012
여기서 ε는 선형화된 변형 텐서이다.
정적하중 상태에서 변형을 최소화하는 최적화 문제 정식화는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112014051331013-pat00013
Figure 112014051331013-pat00014
평형상태에서의 경계조건을 고려하면 수학식 2로부터 다음과 같은 목적함수 관계식을 도출할 수 있다.
Figure 112014051331013-pat00015
여기서
Figure 112014051331013-pat00016
은 평균 컴플라이언스이며, 탄성계수 값의 변화에 따라 목적함수가 변화할 수 있다. 탄성계수를 구하는 방법에 따라 균질화설계법과 밀도법으로 구분할 수 있으며 균질화 설계법은 미세구조의 특성으로부터 거시적으로 균질화된 복합재료의 물성을 구하는 방법으로 그림 2(a)와 같이 균질화된 재료의 직교성으로 인해 단위 셀의 미세구조가 구멍의 기하학적 치수인 a, b와 회전각도 θ로 표현되거나, 그림 2(b)와 같이 미소 셀이 균질화된 등방성 재료를 가정하면 육면체의 미소 셀로 정의될 수 있다. 반면, 밀도법에서는 그림 2(c)와 같이 이산화된 요소의 밀도 값을 설계변수로 고려하여 탄성계수와의 관계식을 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112014051331013-pat00017
여기서
Figure 112014051331013-pat00018
는 실제 재료상수 값이며,
Figure 112014051331013-pat00019
는 설계변수인 재료밀도 값,
Figure 112014051331013-pat00020
는 설계변수에 따른 가상의 재료상수 값이다. p는 벌칙인자(Penalization parameter)이며 양의 p값을 이용하여 요소의 밀도를 존재시키거나 제거하는 효과를 구현할 수 있다.
복합발전용 대형 부유체 구조물의 초기 구조형상설계에 대한 위상 최적설계를 적용하기 전에 적용방법의 검증을 위하여 평판 구조물에 대한 위상 최적설계를 수행할 수 있다. 대표적인 위상 최적설계 방법인 균질화 설계법과 밀도법을 각각 평판 구조물에 적용하여 결과를 비교하고, 수치적으로 좀 더 용이한 방법을 실제 복합발전용 대형 부유체 구조물의 초기 구조형상설계에 대하여 적용할 수 있다. 평판 구조물의 주요 설계치수와 재료 물성치는 아래와 같은 표 1에 나타나 있으며, 범용 유한요소해석 프로그램인 NASTRAN을 기반으로 생성된 유한요소모델과 하중 및 경계조건은 그림 3과 같이 획득할 수 있다. 그림 3과 같은 예시적인 평판 구조물의 유한요소모델은 4 절점 SHELL 요소를 적용하였으며, 3,200 개의 유한요소와 3,362 개의 절점으로 구성되어져 있을 수 있다.
Mechanical material properties and main dimension of plate
Property Young's modulus
(GN/m2)		 Poisson's ratio Density(kg/m3)
value 210.0 0.3 7.85E+3
Dimension Width x Height xThickness = 3,050mm x 1,520mm x 150mm
(그림 3)
Figure 112014051331013-pat00021
그림 3과 같은 예시적인 평판 구조물의 유한요소모델을 이용하여 균질화 설계법과 밀도법을 이용한 정적하중 상태에 대한 위상 최적설계를 수행할 수 있다. 최적화 문제 정식화와 관련하여 목적함수는 컴플라이언스를 최소화하고, 제한조건으로는 전체 설계영역의 질량이 40% 이하가 되도록 하였으며 평판의 모든 유한요소를 설계변수로 설정할 수 있다. 균질화 설계법을 이용한 위상 최적화 해석에 대해서 범용 프로그램인 OptiStruct 모듈이 사용되었고, 밀도법에 대해서는 NASTRAN SOL200 모듈이 각각 사용될 수 있다. 위상 최적화된 평판의 형상설계 결과는 그림 4와 같이 요소 밀도분포 형태로 나타나 있으며, 중량변화와 응력 및 변형량과 같은 강도성능의 비교 결과는 표 2에 정리되어 있다.
(그림 4)
Figure 112014051331013-pat00022
Figure 112014051331013-pat00023
Comparison of weight and strength performances for plate

Contents
Initial design		 Topology optimized design
HDM SIMP
Weight [kgf] 5,459 2,282 2,181
Max. stress [MN/m2] 1.08 1.07 1.08
Max. deformation [mm] 2.97E-03 5.08E-03 5.08E-03
표 2에 나타난 바와 같이 위상 최적화된 평판 구조물의 중량은 초기 설계안 대비 균질화 설계법을 적용할 경우 58% 감소하였고, 밀도법을 적용한 경우에는 60% 감소하였으며, 강도성능인 최대응력과 최대변형량은 상대적으로 모두 매우 적은 변화량의 결과를 나타내었다. 또한, 요소밀도 분포결과를 살펴보면, 위상 최적형상은 균질화 설계법이나 밀도법 모두 유사한 경향을 나타내나 밀도법 적용 시에 다소 고른 분포결과가 나타날 수 있다. 또한, 위상 최적화 방법에 따른 최적화 계산 성능에 대한 비교를 위하여 목적함수와 제한조건의 수치이력 결과를 그림 5와 같이 검토하였다.
(그림 5)
Figure 112014051331013-pat00024
그림 5에 나타난 바와 같이, 균질화 설계법과 밀도법 모두 동일한 반복횟수의 수치 계산량을 나타낼 수 있다. 목적함수의 성능변화 특성은 거의 차이가 나타나지 않았으나, 제한조건 결과에서는 균질화 설계법의 경우 초기 스텝에서 비가역적인 결과들이 발생할 수 있다. 평판 구조물의 위상 최적설계를 수행한 결과, 균질화 설계법이나 밀도법에서 모두 유사한 최적 형상의 결과가 도출 되었으나, 요소밀도 분포의 균일성, 중량감소율, 최적화 계산 성능, 적용의 편이성 등과 같은 측면에서 밀도법이 다소 유리한 것으로 나타날 수 있다. 따라서, 복합발전용 대형 부유체 구조물의 초기 구조형상설계에 대한 실제 위상 최적설계 응용을 위해서 밀도법이 적용될 수 있다.
복합발전용 대형 부유체 구조물의 구조해석을 위한 하중조건을 산출하기 위하여 해양환경하중조건을 적용하여 ANSYS/AQWA를 이용한 패널법 기반의 Hydrodynamic analysis를 수행할 수 있다. 설치해역의 50년 주기 설계파고(Wave height: 9.72m, Period: 13.98s)와 조류속도(2m/s) 적용하였으며, 부유체 구조물에 압력하중과 계류삭의 인장력을 산정하여 구조해석모델에 하중조건으로 적용할 수 있다. Hydrodynamic analysis를 위한 수치해석모델링 및 압력하중해석 결과가 획득될 수 있다.
위상최적화 해석을 위한 유한요소모델 구성은 요소의 형태 및 크기에 따른 위상최적화 결과의 변화를 검토하기 위하여 솔리드 헥사요소와 사각 쉘요소를 각각 적용하였으며, 요소의 크기는 2.5m와 5m를 적용할 수 있다. 구조강도 성능해석을 위한 하중의 설정은 풍력발전기 및 파력발전기의 무게와 Hydrodynamic analysis를 통해 산출된 동수력학적 압력과 계류인장력을 적용할 수 있다. 경계조건은 부유체 자체의 관성력을 이용하여 실제 해상부유상태를 모사할 수 있도록 관성제거법을 적용할 수 있다. 구조해석을 위한 하중/경계조건 설정상태는 그림 6과 같이 나타날 수 있다.
(그림 6)
Figure 112014051331013-pat00025
본 발명의 일 실시예에 따라 초기 구조형상에 대한 구조강도 성능을 유지하는 중량감소 부재배치 형상에 대해서 솔리드 헥사요소와 사각 쉘요소를 적용하여 해양 발전시스템의 하부구조물을 획득할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000: 해양 발전시스템의 하부구조물
100: 메인프레임
110: 서브프레임
120: 보강프레임
10: 제1 발전기
20: 제2 발전기

Claims (7)

  1. 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성된 메인프레임을 갖고 발전시스템을 지지하기 위한 해양 발전시스템의 하부구조물로서,
    상기 메인프레임의 내부에 형성된 사각형의 공간의 각각의 모서리에 위치하고 제1의 에너지원을 이용하는 제1 발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임; 및
    상기 하부구조물의 강도를 증대시키도록 상기 각각의 서브프레임을 상호 연결하는 보강프레임;을 포함하며,
    상기 각각의 서브프레임은 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성되어 이루어지며,
    상기 보강프레임은, 상기 각각의 서브프레임들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임을 연결하는 X자 형상의 프레임인 해양 발전시스템의 하부구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 에너지원은 풍력이고, 상기 제1 발전기는 풍력발전기인 해양 발전시스템의 하부구조물.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메인프레임의 각각의 변에는 제2의 에너지원을 이용하는 제2 발전기가 복수개 설치되어 지지되는 것인 해양 발전 시스템의 하부구조물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2의 에너지원은 파력이고, 상기 제2 발전기는 파력발전기인 해양 발전시스템의 하부구조물.
  6. 삭제
  7. 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성된 메인프레임을 갖고 발전시스템을 지지하기 위한 해양 발전시스템의 하부구조물로서,
    상기 메인프레임의 내부에 형성된 사각형의 공간의 각각의 모서리에 위치하고 외측 둘레가 사각형의 형상을 지니고 내부에 사각형의 공간이 형성되어 이루어지며, 풍력발전기를 지지하기 위한 복수의 서브프레임; 및
    상기 하부구조물의 강도를 증대시키도록, 상기 각각의 서브프레임들 중에서 서로 대각선에 위치하는 각각의 서브프레임을 연결하고 X자 형상을 지니는 보강프레임;을 포함하고,
    상기 메인프레임의 각각의 변에는 복수개의 파력발전기가 설치되어 지지되는 해양 발전시스템의 하부구조물.
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KR200170429Y1 (ko) 1999-09-01 2000-02-15 이희상 파력·풍력 겸용 발전기
WO2012026883A2 (en) * 2010-08-23 2012-03-01 Hann-Ocean Technology Pte Ltd A modular system for implementation of solar, wind, wave, and/or current energy convertors

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