KR101625496B1 - 부유식 구조물 - Google Patents

Abstract

부유식 구조물이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선체; 상기 선체에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 레그; 및 상기 레그 하단부에 마련되는 것으로, 상기 레그를 기준으로 외측 방향보다 내측방향으로 더 큰 면적을 갖는 비대칭 구조로 배치되는 스퍼드캔을 포함하는 부유식 구조물이 제공될 수 있다.

Description

부유식 구조물{FLOATING STRUCTURE}

본 발명은 부유식 구조물에 관한 것이다.

친환경 에너지 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라, 풍력 발전기를 활용한 발전이 전세계적으로 각광을 받고 있다. 그런데, 풍력 발전기를 설치하기 위해서는 까다로운 환경적인 조건이 요구된다. 예를 들어, 풍력 발전기가 설치되는 장소는 블레이드의 유의미한 회전을 얻기 위한 일정 수준 이상의 풍속이 보장될 수 있는 곳이어야 하고, 풍력 발전기의 구동 시 발생되는 소음에 따른 공해가 이슈화되지 않는 곳이어야 한다. 또한, 이러한 환경적인 조건을 만족한다고 하더라도, 풍력 발전기를 설치하기 위해서는 매우 넓은 면적의 공간이 필요하다.

최근, 위와 같은 제약 조건으로부터 상대적으로 자유로운 해상 풍력 발전기에 대한 관심이 증가하고 있다. 해상 풍력 발전기는 다양한 방법으로 설치될 수 있으나, 일반적으로 부품을 몇 개의 유닛으로 나누어 육상에서 제작한 후, 제작된 유닛을 해상으로 옮겨 조립하는 방법으로 설치되고 있다. 육상에서 제작된 해상 풍력 발전기의 유닛을 해상으로 옮기고, 해상에서 해상 풍력 발전기를 설치하는 선박을 일반적으로 풍력 발전기 설치 선박(WTIV, Wind Turbine Installation Vessel)이라고 한다.

풍력 발전기 설치 선박은 작업 특성상, 항해 모드(Transit Mode)와 잭업 모드(Jack-up Mode)로 운용될 수 있다. 구체적으로, 풍력 발전기 설치 선박은 해상 풍력 발전기를 설치하고자 하는 위치까지 항해 모드로 이동한다. 항해 모드에서 레그는 해수에 의한 저항을 줄이고자 선체의 상방으로 이동된 상태를 유지할 수 있다. 그 후, 풍력 발전기 설치 선박은 잭업 모드로 전환하여 레그를 내려 해저 지반에 박은 후, 선체가 해수면으로부터 일정 거리 이격될 수 있도록 선체를 레그를 따라 들어올린다. 선체가 일정 위치에 다다르게 되면, 풍력 발전기 설치 선박은 선체의 이동을 중지하고 해상 풍력 발전기를 설치하는 작업을 수행하며, 설치가 완료되면 위의 순서의 역순으로 진행하여 다음 설치 위치까지 이동한다.

한편, 위와 같이 항해 모드와 잭업 모드로 운용되는 부유식 구조물의 다른 예로서, 시추 기능을 갖는 잭업 플랫폼(Jack-up Platform)이 있다. 잭업 플랫폼은 시추를 위한 데릭을 포함하며, 항해 모드로 시추 위치까지 이동한 후, 잭업 모드로 전환하여 레그를 내려 해저 지반에 박은 후, 선체를 레그를 따라 들어올린다. 잭업 플랫폼은 선체가 해수면에서 이격된 상태에서 시추 작업을 수행하며, 시추 작업이 완료되면 위의 순서의 역순으로 진행하여 다음 시추 위치까지 이동할 수 있다.

이러한 부유식 구조물은 잭업 모드에서 레그를 해저 지반에 침투(penetration)시킨다. 레그의 하단부에는 해저 지반으로의 침투를 용이하게 하고 파지력을 높이기 위한 스퍼드캔(Spud-can)이 제공되며, 레그는 해저 지반으로 일정 깊이 침투함으로써 스퍼드캔이 해저 지반에 고정된다.

그러나, 해저 지반이 연약한 경우 스퍼드캔의 면적을 증가시켜야 스퍼드캔 고정에 필요한 충분한 지지력을 얻을 수 있지만, 종래에는 스퍼드캔의 외측단이 선체보다 돌출될 수 없다는 제한 때문에 스퍼드캔의 면적을 외측으로 증가시키지 못하고 내측으로만 증가시킬 수 밖에 없다.

이에 따라, 스퍼드캔의 중앙에 대칭적으로 배치되는 레그와 이웃하는 다른 레그간 거리가 감소하여 레그가 선체를 안정적으로 지지하지 못하는바, 부유식 구조물의 전복 위험이 높아지는 문제가 있다.

한국공개특허 10-2014-0003846

본 발명의 실시예는, 레그간 거리를 충분히 확보하고 레그의 외측단이 선체보다 돌출되지 않도록 하는 조건을 모두 충족하면서도 스퍼드캔의 면적을 증가시킬 수 있도록 스퍼드캔이 레그에 비대칭적으로 결합되는 부유식 구조물을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 상기 선체에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 레그; 및 상기 레그 하단부에 마련되는 것으로, 상기 레그를 기준으로 외측 방향보다 내측방향으로 더 큰 면적을 갖는 비대칭 구조로 배치되는 스퍼드캔을 포함하는 부유식 구조물을 제공할 수 있다.

또한 상기 스퍼드캔은, 상기 레그로부터 연장되는 가상의 연장선을 기준으로 외측부에 형성되는 에어탱크와, 상기 에어탱크와 독립적으로 구획 분리되며 내측부에 형성되는 워터탱크를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 워터탱크에 해수를 공급하는 해수공급펌프; 및 상기 해수공급펌프를 동작시키는 동작부를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부의 해수가 상기 워터탱크 내부로 유입되도록 상기 워터탱크에 이동 가능하게 설치되는 도어부; 상기 도어부에 외력을 제공하여 상기 워터탱크를 개폐하는 액츄에이터; 상기 워터탱크 내부의 물을 외부로 배출하는 드레인부; 및 상기 액츄에이터 및 상기 드레인부를 동작시키는 동작부를 더 포함할 수 있다.

여기서 상기 도어부는 상기 워터탱크 상부면에서 슬라이딩되면서 상기 워터탱크를 개폐하는 슬라이딩도어일 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 레그간 거리를 충분히 확보하고 레그의 외측단이 선체보다 돌출되지 않도록 하는 조건을 모두 충족하면서도 스퍼드캔의 면적을 증가시킬 수 있도록 스퍼드캔이 레그에 비대칭적으로 결합되는 부유식 구조물이 제공될 수 있다.

도1은 부유식 구조물을 나타낸 사시도,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물을 개략적으로 나타낸 측면도,
도3은 도2의 "A"부분을 나타낸 스퍼드캔의 구성도,
도4는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물에서 스퍼드캔의 일 실시예를 보인 구성도,
도5는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물에서 스퍼드캔의 다른 실시예를 보인 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물에 대하여 설명한다.

도1은 부유식 구조물을 나타낸 사시도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물을 개략적으로 나타낸 측면도이며, 도3은 도2의 "A"부분을 나타낸 스퍼드캔의 구성도이다.

도1 내지 도3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물은 선체(100), 레그(200) 및 상기 레그(200)에 비대칭 구조로 배치되는 스퍼드캔(300)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 위에서 나열된 구성들을 포함한다는 의미는 이들 구성으로만 이루어진다는 뜻이 아니라 이들 구성을 기본적으로 포함한다는 뜻으로, 이외에도 다른 구성(예컨대, 부유식 구조물에서 널리 알려진 공지기술)을 포함할 수 있다는 의미이다.

부유식 구조물은 풍력 발전기 설치 선박(WTIV, Wind Turbine Installation Vessel) 또는 잭업 플랫폼(Jack-up Platform)일 수 있으며, 본 실시예에서는 부유식 구조물이 풍력 발전기 설치 선박인 것을 예로 들어 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않으며, 후술할 잭업 모드를 갖는 부유식 구조물은 모두 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

또한 상기 선체(100)는 부유 가능한 직사각형 형태의 평면 구조를 가질 수 있으며, 일반적인 상선(예: 컨테이너선)에 비해 폭이 넓고 높이가 낮으며 길이가 짧은 구조로 형성될 수 있다. 그러나, 이는 예시에 불과하며, 본 발명의 사상에 따른 선체(100)는 레그(200)가 설치될 수 있는 임의의 입체적 구조를 가질 수 있다.

상기 선체(100)에는 부유식 구조물의 기능에 따른 피적재물(2)이 적재될 수 있다. 선체(100)에는 해상 풍력 발전기의 부품인, 블레이드와 나셀, 타워 등이 피적재물(2)로서 적재될 수 있으며, 피적재물(2)을 선체(100)에 고정시키는 적재 유닛(12)이 제공될 수 있다.

또한, 선체(100)에는 이동 및 위치 제어를 위한 추진장치(미도시)가 제공될 수 있고, 선체(100)에는 블레이드와 나셀, 타워 등의 피적재물(2)을 운반하여 해상 풍력 발전기를 설치할 수 있는 크레인(40)이 제공될 수 있다.

또한, 도2에 잘 나타나 있는 바와 같이 상기 레그(200)는 상기 선체(100)에 상하방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.

레그(200)는 해저 지반에 대한 지지력을 향상시키기 위해 해저 지반의 지형에 맞추어 레그(200)의 높이 및 지지 구조를 가변시킬 수 있다. 상기 레그(200)는 선체(100)를 상하방향으로 관통하여 설치되고, 작업 상태에서 선체(100)의 하중을 견딜 수 있을 정도의 강성을 보유하며, 원기둥, 사각 트러스 구조, 삼각 트러스 구조 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

한편, 상기 스퍼드캔(300)은 부유식 구조물을 해저 지반에 안정적으로 고정하기 위한 것으로 상기 레그(200)의 하단부에 마련될 수 있다. 상기 스퍼드캔(300)은 상기 레그(200)의 하단부에 비대칭 구조로 결합될 수 있는바, 여기서 비대칭 구조란 상기 스퍼드캔(300)이 레그(200)를 기준으로 외측방향보다 내측방향으로 더 큰 면적을 갖도록 설치되는 것을 의미한다.

구체적으로, 해저 지반과 접촉하는 상기 스퍼드캔(300)의 전체 접촉면적은 상기 레그(200)와 연결되는 지점을 기준으로 살펴 볼 때 레그(200) 연결 지점으로부터 외측방향을 향하여 연장되는 부위와, 레그(200) 연결 지점으로부터 내측방향을 향하여 연장되는 부위로 나눌 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 상기 스퍼드캔(300)의 전체적인 접촉면적을 증가시키기 위해 상기 레그(200) 연결 지점으로부터 내측방향을 향하여 연장되는 부위의 면적을 더 증가시킴으로써 스퍼드캔(300)의 외측 방향보다 내측방향으로 더 큰 면적을 갖는 비대칭 구조를 이룰 수 있다.

참고로, 종래의 스퍼드캔은 레그를 기준으로 외측 방향과 내측 방향이 면적이 서로 동일한 대칭 구조를 이루는데, 대칭 구조를 갖는 스퍼드캔의 면적을 증가시키는 것은 앞의 배경기술에서 설명한 바와 같이 여러 가지 제약이 수반되므로 현실적으로 다양한 문제가 발생할 수 있다.

일 예로, 스퍼드캔의 외측단이 선체보다 돌출되는 경우 항해 모드에서 해수와의 마찰력이 증대되어 항해 효율이 저하될 수 있으며 접안시 간섭 문제를 초래할 수 있으므로 스퍼드캔의 외측단이 선체보다 돌출되는 것은 금기시 되고 있다. 따라서, 스퍼드캔의 면적을 증가시키더라도 선체보다 돌출되지 않아야 하는바, 이 조건을 충족하면서 스퍼드캔 면적을 증가시키는 것은 레그 간 거리를 단축시킬 수 밖에 없다. 그러나 이는 배경 기술에서 설명한 바와 같은 문제를 초래하므로 그 동안 스퍼드캔의 면적 증가는 요원한 과제로 남아 있었다.

이러한 여러 제약과 문제점에 대한 해법으로, 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물은 스퍼드캔(300)의 외측단이 선체(100)보다 돌출되지 않고 충분한 레그(200)간 거리를 확보하면서도 스퍼드캔(300)의 전체 면적을 증가시킬 수 있는 스퍼드캔(300)의 비대칭 구조를 제시한다.

한편, 비대칭 구조를 갖는 스퍼드캔(300)이 레그(200)와 연결되면 스퍼드캔(300)에서 면적이 큰 쪽(내측부)이 작은 쪽(외측부)에 비해 수압의 영향을 더 받게 되므로 도2에 도시된 바와 같이 스퍼드캔(300)의 큰 면적 부위가 레그(200) 쪽으로 회전하려고 하는 제1모멘트(M1)가 작용하게 되고 이로 인해 레그(200)와의 연결 지점에 응력이 집중될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 이와 같은 응력 집중을 야기하는 제1모멘트(M1)를 감소시키기 위하여 상기 스퍼드캔(300)이 상호 독립적으로 구획 분리된 에어탱크(310)와 워터탱크(320)를 포함할 수 있도록 한다.

구체적으로, 도3에 도시된 바와 같이 상기 스퍼드캔(300)은, 상기 레그(200)로부터 연장되는 가상의 연장선(301)을 기준으로 외측을 향하는 부분(외측부)에 형성되는 에어탱크(310)와, 상기 에어탱크(310)와 독립적으로 구획 분리되며 내측을 향하는 부분(내측부)에 형성되는 워터탱크(320)를 포함할 수 있다. 상기 에어탱크(310)에는 공기가 채워질 수 있다.

상기 워터탱크(320)에 물이 공급되어 채워지면 도3에서 보듯이 스퍼드캔(300)의 큰 면적에 가해지는 수압의 영향이 감소될 수 있다. 즉, 워터탱크(320)에 채워진 물로 인하여 상기 제1모멘트(M1)와 반대 방향으로 작용하는 제2모멘트(M2)가 제1모멘트(M1)의 작용을 일부 상쇄하여 레그(200)와의 연결 지점에 집중되는 응력은 감소될 수 있다.

이하, 도4 및 도5를 참조하여 상기 스퍼드캔(300)의 워터탱크(320)에 물을 공급하기 위한 구성에 대하여 설명한다. 도4는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물에서 스퍼드캔의 일 실시예를 보인 구성도이고, 도5는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 구조물에서 스퍼드캔의 다른 실시예를 보인 구성도이다.

먼저 도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 해수공급펌프(400) 및 동작부(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 해수공급펌프(400)는 상기 워터탱크(320)에 해수를 공급할 수 있으며, 상기 동작부(500)는 상기 해수공급펌프(400)를 필요에 따라 선택적으로 동작시킬 수 있다.

스퍼드캔(300)은 잭업 모드시 해저에 설치되므로 상기 워터탱크(320)에 공급되는 물로 해수를 사용할 수 있고, 이에 따라 해수공급펌프(400)는 스퍼드캔(300) 주위에 있는 해수를 상기 워터탱크(320)에 공급할 수 있다. 해수공급펌프(400)는 상기 동작부(500)의 제어신호에 따라 워터탱크(320)에 해수를 주입할 수 있으며, 상기 워터탱크(320)의 일측에는 해수공급펌프(400)로부터 공급된 해수를 주입할 수 있는 주입노즐(410)이 설치될 수 있다.

여기서, 상기 해수공급펌프(400)는 워터탱크(320)에 해수를 공급할 뿐만 아니라 필요에 따라 워터탱크(320) 내부의 물을 외부로 배출할 수 있도록 양방향 펌프로 이루어질 수 있다. 예컨대, 스퍼드캔(300)을 해저 지반으로부터 상승시켜야 하는 경우 내부의 물을 외부로 배출하여 스퍼드캔(300)의 중량을 감소시킬 수 있다.

또한 상기 동작부(500)는 상기 해수공급펌프(400)에 제어신호를 송출하여 해수공급펌프(400)를 동작시키는 것으로, 사용자가 선체(100)에서 직접 조작하는 수동 방식으로서 해수공급펌프(400)와 유선으로 연결된 유선 제어식 조작부가 될 수도 있고 무선 제어식 리모컨이 될 수도 있다. 또한 사용자가 직접 조작하지 않고 스퍼드캔(300)이 해저 지반에 안착되면 자동으로 상기 해수공급펌프(400)에 제어신호를 송출하여 상기 워터탱크(320)에 물이 공급될 수 있도록 하는 자동 방식의 제어부가 될 수도 있는바, 이는 실시자의 필요에 따라 선택적으로 구현 가능하다.

한편 도5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 도어부(600), 액츄에이터(700), 드레인부(800) 및 동작부(500)를 더 포함할 수 있다.

상기 도어부(600)는 별도의 펌프를 사용하지 않고 스퍼드캔(300) 주위에 있는 해수를 워터탱크(320) 내부로 유입하기 위한 것으로, 상기 워터탱크(320)에 이동 가능하게 설치될 수 있다. 따라서, 상기 도어부(600)가 일측 방향으로 움직이면 워터탱크(320)의 일 부분이 개방되면서 스퍼드캔(300) 외부의 물이 워터탱크(320) 내부로 유입되어 워터탱크(320)의 중량이 증가할 수 있다.

여기서, 상기 도어부(600)는 워터탱크(320) 상부면에서 옆으로 슬라이딩되면서 워터탱크(320)를 개폐하는 슬라이딩도어일 수 있다.

또한, 상기 액츄에이터(700)는 상기 도어부(600)에 외력을 제공하여 워터탱크(320)가 개폐되도록 할 수 있는데, 구체적으로 상기 액츄에이터(700)는 슬라이딩도어 형태의 도어부(600)에 회전력을 제공하여 워터탱크(320)를 개폐하는 구동모터로 구현될 수 있다.

따라서, 상기 도어부(600)의 일측에는 랙기어(610)가 형성될 수 있고, 상기 랙기어(610)와 기어 결합되도록 피니언 기어를 갖는 구동모터가 설치될 수 있다.

또한, 상기 드레인부(800)는 워터탱크(320) 내부의 물을 외부로 배출하기 위한 것으로, 원활한 배수를 위하여 워터탱크(320) 하부에 설치될 수 있으며 외부의 전기적 신호에 의해 개방되는 전자식 밸브일 수 있다.

또한, 상기 동작부(500)는 상기 액츄에이터(700) 및 상기 드레인부(800)를 동작시키는 것으로서, 상기 동작부(500)는 앞에서 설명한 바와 같이 사용자가 선체(100)에서 직접 조작하는 수동 방식으로서 액츄에이터(700) 및 드레인부(800)와 유선으로 연결된 유선 제어식 조작부가 될 수도 있고 무선 제어식 리모컨이 될 수도 있다.

또한 사용자가 직접 조작하지 않고 스퍼드캔(300)이 해저 지반에 안착되면 자동으로 상기 액츄에이터(700)에 제어신호를 송출하여 상기 워터탱크(320)에 물이 공급될 수 있도록 하고 스퍼드캔(300)의 상승시에는 자동으로 상기 드레인부(800)에 제어신호를 송출하여 워터탱크(320)의 물을 배수하는 자동 방식의 제어부가 될 수도 있는바, 이는 실시자의 필요에 따라 선택적으로 구현 가능하다.

이상, 본 발명을 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변경이 가능한 바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

100 : 선체 200 : 레그
300 : 스퍼드캔 310 : 에어탱크
320 : 워터탱크 400 : 해수공급펌프
410 : 주입노즐 500 : 동작부
600 : 도어부 700 : 액츄에이터
800 : 드레인부

Claims (5)

1. 선체;
   상기 선체에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 레그; 및
   상기 레그 하단부에 마련되는 것으로, 상기 레그를 기준으로 외측 방향보다 내측방향으로 더 큰 면적을 갖는 비대칭 구조로 배치되는 스퍼드캔을 포함하고,
   상기 스퍼드캔은, 상기 레그로부터 연장되는 가상의 연장선을 기준으로 외측부에 형성되는 에어탱크와, 상기 에어탱크와 독립적으로 구획 분리되며 내측부에 형성되는 워터탱크를 포함하는 부유식 구조물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 워터탱크에 해수를 공급하는 해수공급펌프; 및
   상기 해수공급펌프를 동작시키는 동작부를 더 포함하는 부유식 구조물.
4. 제1항에 있어서,
   외부의 해수가 상기 워터탱크 내부로 유입되도록 상기 워터탱크에 이동 가능하게 설치되는 도어부;
   상기 도어부에 외력을 제공하여 상기 워터탱크를 개폐하는 액츄에이터;
   상기 워터탱크 내부의 물을 외부로 배출하는 드레인부; 및
   상기 액츄에이터 및 상기 드레인부를 동작시키는 동작부를 더 포함하는 부유식 구조물.
5. 제4항에 있어서,
   상기 도어부는 상기 워터탱크 상부면에서 슬라이딩되면서 상기 워터탱크를 개폐하는 슬라이딩도어인 부유식 구조물.

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