KR101813440B1 - 부유식 기반을 가진 부유식 풍력 터빈, 및 이 풍력 터빈의 설치 방법 - Google Patents

부유식 기반을 가진 부유식 풍력 터빈, 및 이 풍력 터빈의 설치 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부유식 기반(20); 부유식 기반(20)에 회전 가능하게 고정되는 타워(30); 타워(30)에 장착되며, 로터(20)를 포함하고 타워(30)에 회전 가능하게 고정하여 연결되는 에너지 변환 유닛(50); 및 타워(30) 또는 에너지 변환 유닛(50)을 기반(20)에 업윈드 방향으로 연결하는 하나 이상의 인장부재(60)를 포함하며, 기반(20)은 3개의 레그(20a, 20b, 20c, leg)를 갖고, 그 중 하나의 레그(20a)는 다른 2개의 레그(20b, 20c)보다 길며, 레그(20a, 20b, 20c)는 Y자 형상으로 서로 연결되며 타워(30)는 레그(20a, 20b, 20c)의 연결부(20d)에서 기반(20) 위에 배치되고, 가장 긴 레그(20a)는 업윈드 방향으로 뻗고 또한 인장부재(60)에 의해 타워(30) 또는 에너지 변환 유닛(50)에 연결되는 부유식 다운윈드 터빈(10)에 관한 것이다.

Description

부유식 기반을 가진 부유식 풍력 터빈, 및 이 풍력 터빈의 설치 방법{FLOATING WIND TURBINE WITH A FLOATING FOUNDATION, AND METHOD FOR INSTALLATION OF SUCH A WIND TURBINE}
본 발명은 부유식 기반(floating foundation), 부유식 기반 상에 배치되는 타워(tower), 및 타워 상에 장착되고 로터(rotor)를 포함하는 에너지 변환 유닛(energy conversion unit)을 포함하여 이루어지는 부유식 풍력 터빈(floating wind turbine)에 관한 것으로, 풍력 터빈은 다운윈드 터빈(downwind turbine)으로 구성되고, 부유식 기반은 회전 가능하게 고정되며, 타워가 한편으로 부유식 기반에 다른 한편으로 에너지 변환 유닛에 회전 가능하게 고정하여 연결되어 있다.
고수심(large water depth)용 부유식 풍력 터빈이 예를 들면 EP 2 271 547 B1로 공지되어 있다. 그러한 구조물은 특히 평면도에서 이등변 삼각형 모양으로 형성된 프레임으로 구성되며, 그 정점(apex)에 칼럼(column)이 배치되고, 풍력 터빈의 타워는 이들 칼럼 중 하나 위에 건립되거나, 칼럼 사이의 지지 구조(bearing structure)에 의해 중앙에 지지되어 있다.
그러나 이 구성의 문제점은 건설의 복잡성 및 프레임을 제작하는 데에 드는 높은 노동 비용이다. 공지된 설비는 특히 풍력 터빈의 로터에 발생하는 힘을 받기 위해 비교적 큰 수평 및 수직 구역(extent)을 필요로 하며, 따라서 건설과 설치 둘 다에서 고수심에 의존한다.
본 출원인에 의해 이전에 출원된 독일 특허출원 No. 10 2014 102 481.8에는 처음에 언급한 특징을 가진 부유식 풍력 터빈이 이미 기재되어 있으며, 그것은 흘수선(water line)보다 아래에 배치되고 또한 복수의 부력체(buoyancy body)로 형성된 기반을 가지며, 기반은 기본적으로 풍력 터빈의 타워의 연장부(extension)로 간주되어야 한다. 여기서 특히, 다운윈드 터빈으로 구성된 풍력 터빈의 타워는 한편으로 기반에 다른 한편으로 에너지 변환 유닛에 회전 가능하게 고정하여 연결되며 부유식 기반은 회전 가능하게 고정되고 타워는 적어도 부분적으로, 풍향 추적(wind direction tracking)을 지원하는 형상(profile)을 가지고 있다. 비록 시스템은 깊이＞200m를 가진 심해(deep waters)에서 사용하도록 구성되어 있지만, 시스템을 수직방향으로 안정화하기 위해, 기반에 의해 형성된 비교적 긴 부분이 수면 아래에 요구된다. 그러나 시스템의 육상(onshore) 제작은 처음에 언급된 시스템용보다 작은 장소를 필요로 한다.
끝으로 EP 1 269 018 B1에는, 기반으로서 쌍동선(catamaran) 모양의 부력체를 가지며 특히 얕은 수역에 설치하기에 적합한 풍력 터빈이 기재되어 있다. 이 시스템은 다운윈드 터빈으로 구성되어 있으며, 한편으로 타워에서 기반까지 다른 한편으로 타워에서 에너지 변환 유닛까지 고정 연결됨으로써 요 구동장치(yaw drive)를 갖춘 요 베어링(yaw bearing)이 필요 없고 대신에 시스템이 지배적인 풍향에 따라 스스로 자동 정렬되도록 이 시스템은 체인이나 로프에 의해 그 주위로 회전 가능한 고정점(anchoring point)에 고정되어 있다.
풍향에 있어서, 타워는 풍하측(lee side)을 최소화하기 위한 공기역학적 형상(aerodynamic profile)을 가지며, 특히 상부 타워 영역(upper tower area)에서 바람 반대 방향(upwind)으로 뻗은, 예를 들면 로프로 구성된 기반에 연결되는 보강부재(stiffening element)를 가진다.
그러나 여기서, 쌍동선 모양으로 구성된 기반 및 부력체를 연결하는 웹(web) 상의 타워의 배치는 문제점이 있어, 로터 및/또는 에너지 변환 유닛에 생기는 부하가 약간 한쪽으로 치우친 방식으로 기반에서 소멸하며 부유식 풍력 터빈이 한쪽으로 기우는 경향이 있다.
해상 풍력 터빈(offshore wind turbine) 자체 구조뿐 아니라, 그것들의 설치도 특별한 도전을 보여준다. 높은 완성도(degree of completion)는 원칙적으로 육상이 좋으며, 해상 설치가 비교적 적은 노력과 짧은 기간에 행해질 수 있다. 이러한 방식으로 앞서 언급한 EP 2 271 547 B1로 공지된 해상 풍력 터빈은 육상에서 완전히 제조되고 그것의 사용 장소로 예인되어 복수의 고정 체인에 의해서 해저에 고정된다.
그러나 이러한 고정의 문제점은 유지보수(maintenance) 또는 수리(repair)의 경우, 시스템이 항만으로 다시 예인되도록 하기 위하여 해상 풍력 터빈을 고정하는 계선줄(mooring line) 및 해저 케이블과의 전기 접속을 분리시키는 데에 큰 노력이 들고, 유리한 기상 조건이라고 해도 긴 고장 시간(long downtimes)이 예상된다는 것이다.
그러므로 본 발명의 제1목적은 콤팩트하고 안정된 부유식 풍력 터빈이 창출되도록 단순 구조이고, 적은 노동 경비로 그 꼭대기(top)가 그것의 기반 공사 면에서 얕은 수역 및 깊은 수역 둘 다에 적합한, 마지막에서 두 번째 언급한 부유식 풍력 터빈의 구조를 그것의 기반에 관하여 개선하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 그러한 풍력 터빈을 신속하게 설치할 수 있는 단순한 방법을 창출하는 것이다.
첫 부분의 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징을 가진 부유식 풍력 터빈에 의해 달성되며, 다른 부분의 목적은 청구항 15의 특징을 가진 방법에 의해 달성된다. 다른 독립항에 각각 의존하는 종속항은 본 발명의 유리한 구성을 나타낸다.
본 발명의 기본 개념은, 한편으로, 로터 및/또는 에너지 변환 유닛에 발생하는 부하가 가능한 한 직접적으로, 타워에 생기는 굽힘 또는 비틀림 모멘트(bending or torsional moments) 없이 기반 쪽으로 소멸하도록 시스템의 수평 및 수직 구역의 기하학적 구조를 고안하는 것이다. 풍력 터빈의 타워에 작용하는 인장력 및 압축력을 차단하고 이와 관련된 타워에 작용하는 굽힘 모멘트의 최소화에 의해서, 본 발명에 따라 구성된 풍력 터빈이 깊은 수역과 얕은 수역 둘 다에 적합하도록 기반의 수평 및 수직 구역을 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 기본 개념은 부유식 기반을 가진 완전히 기능적인 해상 풍력 터빈을, 해저 또는 거기에 연결되는 부력체에 고정된, 하나 이상의 미리 설치된 고정수단과 연결하는 사용 장소로 수송하고, 기반을 침수시킴으로써, 기반 전체가 흘수선보다 아래에 배치되는 정도까지 낮추는 것이다. 이러한 목적을 위해, 해저에 고정된 고정수단, 예를 들면 고정 체인 또는 고정 로프가, 수면에 떠 있는 방식으로, 단일 부력체에 의해 공동으로 또는 하나 이상의 각각의 부력체에 의해 개별적으로 제자리에 고정되는 것이 특히 예상된다. 게다가 미리 부설된 해저 케이블이 예정된 설치 장소에 똑같이 부력체에 의해 고정되므로, 풍력 터빈만 기계적으로 부유체(들) 또는 고정수단에 연결되고 또한 전기적으로 해저 로프에 연결된다.
그러므로 본 발명은 다운윈드 터빈(downwind turbine)으로 구성된 부유식 풍력 터빈(floating wind turbine)에 관한 것으로, 부유식 기반(foundation), 부유식 기반에 회전 가능하게 고정하여 배치된 타워(tower), 타워에 장착되며 로터(rotor)를 포함하고 타워에 회전 가능하게 고정하여 연결되는 에너지 변환 유닛(energy conversion unit), 및 타워 또는 에너지 변환 유닛을 기반에 업윈드 방향(upwind direction)으로 연결하는 하나 이상의 인장부재(tensioning element)를 가진다. 본 발명에 따르면, 기반은 또한 3개의 레그(leg)를 갖고, 그 중 하나의 레그는 다른 2개의 레그보다 길며, 레그들은 Y자 형상으로 서로 연결되고 타워는 레그들의 연결부(connecting region)에서 기반 위에 배치되며, 가장 긴 레그는 업윈드 방향으로 뻗고 인장부재에 의해 타워 또는 에너지 변환 유닛에 연결된다.
부유식 다운윈드 터빈이 바람직하게는, 횡력(transverse force)을 받아들이기 위해, 풍력 터빈의 양측에 직각으로 로터 축(rotor axis)에 비스듬히 다운윈드 방향으로 뻗으며, 타워 또는 에너지 변환 유닛을 기반의 짧은 레그 중 하나에 각각 연결하는, 하나 이상의 다른 인장부재를 가진다.
바람직한 예에서, 인장부재는 가상 사면체(imaginary tetrahedron)의 모서리(edge)를 형성하며, 사면체의 모서리는 레그의 인장부재의 접속점(attachment point) 및 에너지 변환 유닛 및/또는 타워의 접속점에 의해 형성된다.
이에 덧붙여, 바람직한 구성에 따르면 로터 축에 직각으로 배치된 타워 가로대(tower cross tree)와 에너지 변환 유닛 및/또는 타워 및/또는 기반을 가로대와 연결하는 보강부재(bracing element)가 마련된다.
이미 언급된 인장부재가 바람직하게는 로프로 구성되며, 특히 스틸 로프가 사용된다. 대안으로서, 간격 로드(spacing rod)를 사용하는 것도 가능하다.
기반에 관하여, 타워가 바람직하게는 다운윈드 방향(downwind direction)으로 20°까지 경사지며, 타워가 특히 바람직하게는 적어도 부분적으로, 풍력 터빈의 풍향 추적(wind direction tracking)을 지원하는 형상(profile)을 가진다. 이러한 형상은 또한, 후류 유동(wake flow)에서의 와류(vortices)의 형성을 줄인다. 타워의 경사(inclination)가 한편으로 타워까지의 블레이드의 거리를 증가시키고 다른 한편으로 타워 두부 무게(tower head weight)에 의해서 제동 부하(braking load)의 경우에 네거티브 추력(negative thrust)으로 저항 모멘트(counter moment)를 발생시킨다.
기반의 2개의 짧은 레그는 동일 길이인 경우가 유리하다. 대안으로서, 짧은 레그들은 로터에 생기는 토크(torque)에 대응하기 위해 다른 길이를 갖도록 구성될 수도 있다.
기반이 바람직하게는 콘크리트제 중공체(hollow body)로 제조되고 20㎝ 내지 60㎝ 사이의 벽 두께를 가진다. 이 경우, 3개의 레그 또는 1개의 레그를 형성하는, 기반의 구성요소들은 기반의 벽 내에 뻗은 와이어 가닥(wire strand)에 의해 서로에 대하여 명확하게 보강된다. 이를 위해, 예를 들면 파이프들이 바람직하게는 기반의 20㎝ 내지 60㎝ 두께의 벽 내에 형성되며, 이를 통해 나중에 와이어 가닥들이 안내되어 서로에 관해 콘크리트 부분의 보강을 가능하게 하며 이렇게 하여 콘크리트의 낮은 인장 강도에 대응한다.
대안으로서, 기반은 스틸로 제조될 수도 있다.
기반이 중공체로 구성되기 때문에, 부유식 기반은 예를 들면 펌프에 의해 물을 받아들일 수 있고 이렇게 하여 기반의 침수 깊이(immersion depth)가 조절될 수 있다. 그러므로 예를 들면, 기반은 밸러스트 수(ballast water)를 담지 않아도, 약 2.80m의 침수 깊이를 갖지만, 기반을 침수시킴으로써, 즉 밸러스트 수를 받아들임으로써, 기반이 흘수선보다 약 15m 아래로 낮아질 수 있다.
기반은 또한 부유식 풍력 터빈을 트리밍(trimming)하는 데에 이용될 수도 있다. 그러므로 바람직하게는 트리밍 목적을 위해, 부유식 풍력 터빈이 밸러스트 수를 취수(receiving) 및 방류(discharging)하기 위한 장치를 가진다. 여기서 밸러스트 수를 취수 및 방류하기 위해, 이 장치는 복수의 트리밍 탱크(trimming tank)로 세분될 수도 있는 기반에 마련된 공간을 사용한다.
본 발명에 따라 구성된 부유식 풍력 터빈의 경우에, 트리밍이 특히 단순한 방식으로 수행될 수 있다.
풍하중(wind load) 없이, 부유식 풍력 터빈은 기반이 수평으로 정렬되는 크기로 제조된다. 부유식 풍력 터빈은 기반을 포함하는 시스템 전체가 바람에 의해 돌 수 있는 그러한 방식으로 다운윈드 터빈으로 구성되기 때문에, 에너지 변환 유닛에서의 풍하중은 짧은 레그와 연결된, 다운윈드 방향으로 향한 부력체가 수면 밑으로 밀리고, 긴 레그와 연결된, 업윈드 방향으로 향한 부력체가 수면 밖으로 들어 올려지는 것을 결과로 가질 수만 있다-결과적으로 시스템은 다운윈드 방향으로 향한 기울기를 가질 것이다.
그러므로 시스템을 다시 수평 자세로 하기 위해, 취수에 의해 긴 레그의 무게를 증가시키는 것이 필요할 뿐이며, 지렛대 법칙 때문에 무게 증가는 비교적 낮게 할 수 있다. 필요에 따라, (부가적인) 해수가 긴 레그에 마련된 공간에 펌핑될 수 있고, 긴 레그의 전체 중량을 증가시킴으로써 긴 레그의 낮춤(lowering)을 행한다.
그러나 본 발명의 특히 바람직한 구성에 따르면, 부력체가, 바람직하게는 섬유 강화 플라스틱으로 제조된, 기반의 각 레그의 자유단(free end)에 마련된다. 이들 부력체가 바람직하게는 각각 관절식(articulated manner)으로, 예를 들면 와이어 로프에 의해, 기반의 각 레그의 자유단에 연결되고, 특히 바람직하게는 원추형이며, 원추형으로 구성된 부력체의 상면(deck area) 또는 선단(tip)은 기반의 각각의 레그의 자유단에 연결된다. 부력체의 이러한 점증형 부력 형상(progressive buoyance profile) 때문에, 시스템은 부하 시에 수평 방향으로 더 안정된다.
앞서 언급한 부력체 이외에, 레그들의 자유단에 원통형 부력체(cylindrical buoyancy body)(점증형 또는 점감형(degressive) 부력 형상을 가지지 않는)가 배치될 수도 있다. 그것들은 레그의 자유단에 견고하게 또는 링크(link)에 의해 각각 연결된다. 여기서 링크는 1 자유도를 가진 단순한 힌지로 또는 더 많은 자유도를 가진 링크로 구성될 수 있다.
특히 짧은 레그의 자유단은 긴 레그의 자유단에 연결된 부력체보다 더 큰 부력을 발생시키는 부력체를 가진다.
이러한 구성에서 기반의 레그에 배치된 탱크들 이외에, 아암(arm)의 공통 연결부(mutual connecting region)에 트리밍 탱크(trimming tank)가 제공되고 따라서 타워의 아래에 배치되는 경우가 유리하다. 로터에 작용하는 풍하중(wind load)의 기능으로서 이러한 트리밍 탱크의 수위를 조절하는 것만으로, 기반의 수평 정렬이 유지될 수 있다. 일반적인 경우에, 타워 아래의 트리밍 탱크는 기반이 수평 방향으로 정렬되도록 예정된 수준까지 침수된다. 로터에 작용하는 풍하중이 증가하고 기반이 다운윈드 방향으로 기울기 시작하면, 이 트리밍 탱크는 압축된 공기를 도입함으로써 (부분적으로) 비워질 수 있으며, 따라서 기반의 무게가 이 영역에서 줄어들 수 있으므로 기반과 이렇게 하여 시스템의 수평 정렬이 큰 풍하중에도 불구하고 유지된다. 풍하중이 다시 제거되면, 트리밍 탱크는 원래의 수준(original level)으로 다시 침수된다. 이러한 과정은 기반의 수평 정렬(horizontal alignment)을 검출하는 경사-측정 시스템(inclination-measuring system)에 연결된 제어 유닛(control unit)에 의해, 거기에 연결된 펌프 및/또는 컴프레서, 및 상응하여 마련된 배수 밸브(emptying valve)에 작용함으로써 제어된다.
끝으로 부유식 풍력 터빈이 바람직하게는 2-블레이드 로터로 구성된 로터를 구비하고, 특히 바람직하게는 에너지 변환 유닛이 슈퍼 콤팩트 드라이브(Super Compact Drive)로 구성된다.
본 발명에 따른 부유식 풍력 터빈을 수역의 예정 장소 또는 예정 위치에 설치하기 위해, 도크(dock)에서 풍력 터빈의 완성 후 다음 단계들이 필요하다: a. 해저 케이블(submarine cable)을 다운윈드 터빈이 설치될 예정 장소에 부설하는 단계, b. 하나 이상의 고정수단을 예정 장소에 고정하고 또한 고정수단을 부유체(floating body)에 연결하는 단계, c. 부유식 다운윈드 터빈을 예정 장소로 수송하는 단계, d. 부유체 또는 고정수단 및 해저 케이블을 부유식 다운윈드 터빈에 연결하는 단계, 및 e. 부유식 기반을 침수시킴으로써, 부유체 또는 고정수단 및 해저 케이블에 연결된, 다운윈드 터빈을 내리는 단계를 가지며, 단계 c), d) 및 e)가 순서 c-d-e, c-e-d 또는 e-c-d로 수행된다.
또한, 바람직하게는 풍력 터빈과 전기 접속할 준비가 된 해저 케이블이 그 자체의 부유체에 연결된다.
그러므로 단순하고 신속한 설치 방법은 무엇보다 해저 케이블이 부설되어 부유체에 연결되고 그 다음에 각 풍력 터빈의 고정수단이 해저에 고정되어 그 자체의 부유체(또는 공동 부유체)에 각각 연결되는 데에 있을 수 있다. 그러므로 부유체는 설치 장소를 찾는 것과 수면에서 직접적으로 고정수단 및 해저 케이블에 접속 가능하게 하는 것을 용이하게 한다. 따라서 풍력 터빈이 설치 장소로 예인되면, 고정수단과 해저 케이블 사이의 연결이 수면에서의 단순한 접근(access)에 의해 일어날 수 있고 풍력 터빈은 나중에 기반을 침수시키는 것에 의해 가동 상태(operational state)가 된다.
제1 대안으로서, 부유식 풍력 터빈은 또한, 설치 장소로 예인되고, 처음에 거기에서 내려지고, 그 다음에 연결될 수 있다. 다른 대안으로서, 내려진 부유식 풍력 터빈을 설치 장소로 예인하고 다음 단계에서 직접적으로 연결하는 것도 가능하다.
단일 부유체만이 마킹(marking)과 고정수단 및 해저 케이블을 제공하는 데에 사용되는 경우, 부유체가 특히 바람직하게는 풍력 터빈을 부유체와 기계적으로 연결하는 동안, 바람직하게는 부유식 다운윈드 터빈과 해저 케이블 사이의 전기 접속도 야기되도록 구성된다.
부유식 다운윈드 터빈을 수송하는 것이 바람직하게는 한 척 이상의 선박(watercraft)에 의해 예인함으로써 달성되며, 부유식 다운윈드 터빈은 긴 레그가 앞으로 예인된다.
그러나 특히 바람직하게는, 부유식 다운윈드 터빈을 수송하는 것이 두 척의 선박에 의해 예인함으로써 일어나며, 두 척의 선박은, 부유식 다운윈드 터빈을 부유체에 접근시키기 위해, 부유체를 사이에 두고 부유체를 통과한다.
첨부 도면에 도시된 특히 바람직하게 구성된 실시예를 사용하여, 본 발명이 더욱 상세히 설명된다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따라 특히 바람직하게 구성된 부유식 풍력 터빈을 업윈드 방향으로부터 비스듬히 본 사시도(perspective view)를 나타낸다;
도 2는 도 1의 특히 바람직하게 구성된 부유식 풍력 터빈을 다운윈드 방향으로부터 비스듬히 본 사시도를 나타낸다;
도 3은 도 1의 부유식 풍력 터빈의 측면도(side view)를 나타낸다;
도 4는 풍력 터빈에 작용하는 힘이 도시된, 도 1의 부유식 풍력 터빈의 측면도를 나타낸다;
도 5는 도 1의 부유식 풍력 터빈을 업윈드 방향에서 본 정면도(front view)를 나타낸다;
도 6은 도 1의 부유식 풍력 터빈의 상면도(top view)를 나타낸다;
도 7은 2척의 예인선(tug)을 사용한 고정 과정(anchoring process) 동안, 본 발명에 따른 풍력 터빈의 사시도를 나타낸다;
도 8은 도 7에 도시된 2척의 예인선에 의해 예인되는 풍력 터빈의 상면도를 나타낸다; 그리고
도 9는 도 7에 도시된 2척의 예인선에 의해 예인되는 풍력 터빈의 측면도를 나타낸다.
도 1은 부유식 풍력 터빈(10)을 해저에 고정하기 위해 미리 설치된 부유체(100)의 장소에서 특히 바람직하게 구성된 부유식 해상 풍력 터빈(10)을 업윈드 방향에서 비스듬히 본 사시도를 나타내고, 한편으로, 도 2는 이 풍력 터빈을 다운윈드 방향에서 비스듬히 본 사시도를 나타낸다.
부유식 풍력 터빈(10)은, 나중에 상세히 설명되는 바와 같이, 3개의 레그로 구성되는 부유식 기반(20)을 가지며, 부유체(100)에 연결된 레그(20a)는 2개의 다른 레그(20b, 20c)보다 더 길다. 풍력 터빈(10)의 작동 중에, 부유식 기반(20)은 흘수선(W)의 아래에 완전히 배치된다. 레그(20a, 20b, 20c)는 그것들의 자유단에서 부력체(24, 26)와 각각 연결되며, 짧은 레그(20b, 20c)에 배치된 부력체(24)는 그것들이 긴 레그(20a)에 배치된 부력체(26)보다 더 큰 부력을 갖도록 구성된다. 부력체(24, 26)는 도시된 각각의 경우에, 점증형 부력 형상을 가지는데, 이것이 흘수선(W) 아래로의 기반의 가라앉음(sinking)을 방해한다. 그러나 긴 레그(20a)에 연결된 부력체(26)는 점감형 부력 형상을 가지며 이렇게 하여 떠오름(emersion)을 방해하는 것이 상상될 수도 있다.
3개의 레그(20a, 20b, 20c)는 타워(30)의 받침대(pedestal)로서 구성되어 있는, 기반(20)에 속해 있는 다른 연결부재(20, connecting element)에 의해 상호 연결된다. 이 때문에, 연결부재(20d)는 그것의 상면(upper side)에, 수평 방향에 대해 20°까지 다운윈드 방향으로 경사진 표면을 가지며, 그것이 수직 방향으로부터 20°까지 벗어나는 타워(30)의 경사를 초래한다.
연결부재(20d)가 바람직하게는, 풍하중의 경우에, 짧은 레그(20b, 20c)의 침수에 대응하는, 위에 설명된 트리밍 탱크를 수용한다.
타워(30) 자체는 한편으로 부유식 기반(20)에 또 다른 한편으로 타워에 배치된 에너지 변환 유닛(50)에 회전 가능하게 고정 연결되며, 타워(30)가 특히 바람직하게는, 적어도 부분적으로, 풍력 터빈(10)의 풍향 추적을 지원하는 형상을 가진다. 타워(30)에 배치된 에너지 변환 유닛(50)이 바람직하게는 슈퍼 콤팩트 드라이브로서 제공되며, 즉 두부 지지물(head support)의 형태로 형성되고 또, 바람직하게는 2개의 로터 블레이드(42)를 가진 로터(40)에 연결된 하중 전달 하우징(load-transferring housing)을 가진다.
또한, 에너지 변환 유닛(50)이 바람직하게는 다운윈드 방향으로 뻗는 2개의 인장부재(60)에 의해 기반(20)의 긴 레그(20a)에 연결된다. 이에 더해, 에너지 변환 유닛(50)은 각각의 경우에 2개의 다른 인장부재(70)에 의해 기반(20)의 짧은 레그(20b, 20c)에 연결된다. 부유 시스템의 가능한 한 가장 높은 안정성이 달성될 수 있도록, 인장부재(60)와 다른 인장부재(70)는 각각의 경우에 레그(20a, 20b, 20c)의 자유단에 접속된다. 이 목적을 위해, 바람직하게는 콘크리트로 된 기반(20)이 금속으로 제작된 종판(22, terminating plate)을 가지며, 그것은 인장부재(60), 다른 보강부재(70) 및 부력체(24, 26)와의 접속점을 둘 다 가진다.
여기서, 부유식 풍력 터빈(10)은 다운윈드 터빈으로 구성되는 것이 필수이며, 요 구동장치는 단순한 구조, 적은 무게, 단순한 건설이라는 이유로 또한 다른 인장부재(70)와의 충돌을 회피하기 위해 생략된다. 시스템(10)은, 그것의 콤팩트한 구조로, 육상에서 완전하게 만들어져서 해상 풍력 터빈의 설치 장치로 예인될 수도 있고, 거기서 고정수단(110), 예를 들면 체인 또는 (스틸 혹은 폴리에스테르) 로프에 의해 해저에 고정된 부유식 부재(100, floating element)가 미리 설치되어 있고 또한 그것이 해저 케이블(120)과 이미 연결되어 있다. 그러므로 설치 장소에 도달하면, 부유식 풍력 터빈(10)을 수면(W)에 떠 있는 미리 설치된 부유체(100)와 연결하고 또한 기반(20)을 침수시킴으로써 시스템을 흘수선(W) 아래로 내리는 것이 필요할 뿐이며, 부유체(100)는, 해상 풍력 터빈(10)과 부유체(100)의 기계적 연결에 더하여, 동시에 해상 풍력 터빈(10)과 해저 케이블(120)을 전기적으로 연결할 준비가 된 부재를 가지고도 있다.
부유식 기반(20)을 고정수단(110) 또는 고정수단(110)에 연결된 부유체(100)와 연결할 때, 기본적으로 풍력 터빈(10)이 고정수단(110)의 둘레로 자유롭게 계속 움직일 수 있는 것에 유의해야 한다. 결과적으로 고정수단(110)(또는 부유체(100))과 기반(20) 사이의 연결은 로터리 조인트(rotary joint)로 수행되어야 하므로, 풍력 터빈(10)은 풍향 변화 시, 고정수단(110)이 서로 꼬이는 일없이, 고정수단(110)의 둘레로 자유롭게 회전할 수 있다.
이뿐만 아니라, 고정수단(110)은 풍하중 시에, 풍력 터빈(10)에 의해 고정수단(110)에 가해지는 인장력 때문에 해저에서 들어 올려질 것이고, 이렇게 하여 고정수단(110)과 기반(20) 사이의 연결 각도를 변화시킨다. 피벗 베어링 외에, 고정수단(110)(또는 부유체(100))과 기반(20) 사이의 연결은 회전 베어링에 의해 회전시키는 것도 가능하다.
해저 케이블(120)과 풍력 터빈(10)의 전기장치 사이의 전기 접속을 위해, 특히 슬립-링 전달(slip-ring transmission)이 예상된다. 풍력 터빈(10)이 그 자체의 구동장치를 갖춘 경우(이하 참조), 고정부(anchoring)의 둘레로 360°를 초과하는 풍력 터빈(10)의 회전운동을 억제하는 시스템(10)의 상응하는 조작 시에 슬립 링은 생략될 수도 있고, 그 대신에 단순한 접점, 예를 들면 플러그 접점(plug contact)이 예상될 수 있다.
또한, 기반(20)의 하부 모서리(lower edge)는 기반(20) 안으로 물을 취수함으로써 약 5m까지 기반(20)의 수직 신장(vertical elongation) 시에 흘수선(W)보다 아래로 약 20m까지 낮아지는 것이 특히 예상된다. 그러므로 본 발명에 따라 구성된 부유식 풍력 터빈(10)의 이러한 치수는, 침수 전에, 부유식 기반(20)이 몇 미터(약 2.80m)의 낮은 침수 깊이만 갖기 때문에, 약간 낮은 수심을 가진 항만에서의 제조를 가능하게 한다. 다른 한편으로, 시스템(10)은 시스템(10)이 또한 흘수선 아래로 20m까지 낮아지게 하고 또 낮춤 후에 그것들의 기능을 단지 작동시키는 부력체(24, 26)를 안정시키는 것에 의해 약 30m에서부터 시작하는 낮은 수심에 적합한 치수로 제작된다.
해상 풍력 터빈(10)은 지배적인 풍향에 따라 해저에 고정된 부유체(100)의 둘레로 자동으로 정렬이 행해진다. 부유체(10)는 풍향 변화 시에 수면에서 원형 궤도(circular path)를 이룰 것이기 때문에, 고정점의 대칭적인 배치(symmetrical arrangement)가 해저에 제공되는 것이 유리하다: 3개의 고정수단(110)의 경우에, 그것들의 고정부가 바람직하게는 해저에서 가상 원 상에 각각 120°의 거리로 배치되므로, 균일한 하중 분포가 보장된다.
본 발명에 따른 부유식 풍력 터빈(10)은 원칙적으로 자기 정렬(self-aligning)이 되도록 구성되지만, 최적 풍향에 관한 오프셋(offset)이 해류 또는 파도 때문에 발생할 수 있다. 그러므로 부유식 풍력 터빈(10)이 바람직하게는 부유체(100) 둘레로의 풍력 터빈(10)의 회전을 맞추기 위해 제공될 수 있는 장치도 가지며, 풍향에 따른 정렬을 최적화하기 위해, 횡방향 추력기(transverse thruster)와 유사한 구동장치가 최적 방식의 에너지 발생을 위해 또는 과부하를 회피하기 위해 풍력 터빈(10)을 바람 속에서 정렬시키는 데에 사용될 수 있다.
도 3은 도 1의 부유식 풍력 터빈의 사시도를 나타낸다. 이 도면에서, 다운윈드 방향의 타워의 경사 및 기반(20)의 긴 레그(20a)의 축에 따른 업윈드 방향의 타워(30)의 보강이 명백하게 이해될 수 있다. 마찬가지로, 짧은 레그(20b, 20c)의 아래쪽에 배치된 부력체(24)가 기반(20)의 긴 레그(20a)의 업윈드 방향에 배치된 부력체(26)보다 더 크다는 것이 인정될 수 있다.
부유식 풍력 터빈(10)을 풍향(화살표 참조)에 대응시켜 자동으로 정렬시킴으로써, 한편으로는 굽힘 모멘트를 회피하기 위해, 인장부재(60)가 에너지 변환 유닛(50)에 작용하는 추력을 받는다는 점에서, 타워(30)가 인장부재(60)에 의해 보강된다. 다른 한편으로, 높은 풍하중 시에, 부유식 풍력 터빈(10)은 고도의 부력을 갖고서 짧은 레그(20b, 20c)에 배치된 부력체(24)를 구성함으로써 수평 방향으로 안정된다. 특히 부유식 풍력 터빈(10)은 다운윈드 터빈으로 구성되기 때문에, 기반(20)을 포함한 시스템 전체가 바람에 의해 회전하며, 에너지 변환 유닛(50)에서 풍하중은 다운윈드 방향으로 향한 짧은 레그(20b, 20c)가 수면 밑으로 밀리고 또한 업윈드 방향으로 향한 긴 레그(20a)가 수면 밖으로 들어 올려지는 것을 결과로 가질 수만 있다-그러므로 시스템은 다운윈드 방향으로 기울 것이다. 따라서 앞에 언급된, 부력체(24, 26)의 건설 및 상이한 구성은 풍력 터빈(10)의 기움을 효과적으로 방지한다.
도 4는 풍력 터빈에 작용하는 힘이 도시된, 도 1의 부유식 풍력 터빈의, 도 3과 동일한 측면도를 나타낸다. 특히 고정수단(120)을 풍력 터빈(10)의 긴 레그(20a)의 자유단에 묶을 때, 로터(40)에 작용하는 추력(Ft)이 합력(Fr, resulting force)으로서 접속점에서 해저로 효과적으로 소멸될 수 있다. 연결부재(20d)에 의해 발생된 부력(F1)은 타워의 무게에 대응하며, 로터 추력과 동일한 반발력을 나타내고, 시스템을 정적 평형(static equilibrium)으로 유지할 수 있도록 구성된다.
도 5는 부유식 풍력 터빈을 업윈드 방향에서 본 정면도를 나타내며, 여기서 또한, 한편으로 로터 축에 대해 횡으로 배치되고 에너지 변환 유닛(50)을 기반(20)의 짧은 레그(20b, 20c)에 연결하는 인장부재(70), 및 에너지 변환 유닛(50) 및/또는 타워(30) 및/또는 기반(20)을, 타워(30)의 횡 강성(transverse stiffness)을 증가시키는 가로대(80)에 연결하는 보강부재(90)를 나타낸다.
도 6은 또한, 기반(20)의 대칭 형성이 특히 명백하게 인정될 수 있는 특히 바람직하게 구성된 부유식 풍력 터빈(10)의 상면도를 나타낸다. 기반(20)의 3개의 레그(20a, 20b, 20c)는 타워(30)가 배치되는 연결부재(20d)에 의해 상호 연결된다. 긴 레그(20a)가 바람직하게는, 타워 높이가 약 100m인 경우에 약 60m 길이인, 개별 부재(20a1, 20a2)의 결과로서 2부분 구성이지만, 짧은 레그(20b, 20c)는 약 30m 길이로 구성된다.
시스템(10)을 트리밍 하기 위해, 한편으로, 개별 부재(20a1)가 바람직하게는 긴 레그(20a)의 무게를 증가시킬 수 있도록 다른 트리밍 탱크와 관계없이 해수로 채워질 수 있는 챔버를 가질 수 있다.
다른 한편으로, 연결부재(20d)는 단일 트리밍 탱크로 구성될 수 있고, 풍하중 하에서 타워(30)를 지지하는 부재(20d)의 부력을 증가시키기 위해, 압축된 공기가 컴프레서에 의해 연결부재(20d)의 트리밍 탱크 안으로 도입될 수 있으며, 이 트리밍 탱크에 존재하는 물은 감량 하에 연결부재(20d)의 부력을 증가시키기 위해 트리밍 탱크로부터 배수될 수 있다. 시스템에 작용하는 추력이 풍속을 감소시킴으로써 줄어들 때, 트리밍 탱크는 탈기(de-aerating)에 의해 다시 간단히 침수될 수 있으며, 트리밍 탱크에 존재하고 시스템(10)을 수평 방향으로 안정시키는 원래 수위가 다시 취해진다. 그러므로 도 3에 관해 위에서 설명된 바와 같이, 연결부재(20d)에 의해 야기된 부력(F1)은 로터 추력에 대해 반대로 작용하는 힘을 나타내며 시스템을 수평 상태로 유지한다.
긴 레그(20a)의 길이 방향 축에 대하여, 짧은 레그(20b, 20c)가 바람직하게는 거울 대칭적으로 배치되며, 긴 레그(20a)와 짧은 레그(20b, 20c) 중 하나 사이의 각도는 90°보다 크면서 130°보다 작은, 바람직하게는 약 125°이고, 따라서 짧은 레그(20b, 20c) 사이의 각도는 약 110°에 상응하는 것이 바람직하다. 2개의 짧은 레그는 다운윈드 방향으로 약간 벌어지고 또 에너지 변환 유닛(50)처럼 거의 동일한 레벨에 있으므로, 특히 바람직하게는 기반(20)의 다른 인장부재(70)의 접속점이 에너지 변환 유닛(50) 또는 타워(30)의 다른 인장부재(70)의 접속점의 앞에 위치되며, 에너지 변환 유닛(50)에 발생하는 제동 부하가 효과적으로 기반(20)으로 안내될 수 있다. 긴 레그(20a)는 업윈드 방향으로 로터 축에 직접적으로 정렬되며, 2개의 인장부재(60)가 여기에 제공된다.
다음으로, 도 7은 2척의 예인선에 의해 설치 장소에 예인된 본 발명에 따른 풍력 터빈의 사시도를 나타낸다. 로프(210)에 의해, 2척의 예인선(200)은 풍력 터빈(10)의 긴 레그(20a)의 자유단에 연결되므로, Y자 형상으로 된 부유식 기반(20)의 흐름 저항(flow resistance)은 낮다. 다른 이점은 수면(W)에 떠 있는 부유체(100)의 결과로서, 2척의 예인선(200)이 미리 설치된 고정수단(110)과 미리 설치된 해저 케이블(120)을 용이하게 찾을 수 있고, 그것들 사이로 이것을 받아들여 통과할 수 있으므로, 풍력 터빈(10)의 긴 레그(20a)가 부유체(100) 쪽으로 당겨질 수 있다는 것이다.
이러한 관계는 도 8에 도시된 상면도에 나타나 있다. 예인선(200)의 적절한 조타(steering) 방식에 의해 또는 예인선(200)에 동반되어 로프(210)에 작용하는 윈치(winch)에 의해, 풍력 터빈(10)과 부유체(100) 또는 고정수단(110)과 해저 케이블(120)이 수면(W) 위에서 연결될 수 있도록 풍력 터빈(10)이 부유체(100)에 관하여 특정 위치에 배치될 수 있다.
도 9는 도 7에 도시된 2척의 예인선에 의해 예인되는 풍력 터빈의 측면도를 나타낸다.
여기서 또한 유의할 점은-마지막으로, 도 9에 도시된 바와 같이-풍력 터빈(10)의 기반(20)이 자유롭게 접근될 수 있다는 것이다: 부력체(26)와 또한 부력체(24)는 풍력 터빈(10)의 수송 중에 어떤 기능도 하지 않으며, 바람직하게는 인장부재(60, 70)에 고정된다. 고정수단(110)과 풍력 터빈(10)의 직접 또는 간접적인 기계적 연결 및 풍력 터빈(10)과 해저 케이블(120)의 전기적 연결의 생성 후에만, 풍력 터빈(10)의 기반(20)이 침수되고 부유체(100)에 의해 예를 들면 15m 내지 20m의 원하는 깊이로 낮아지므로, 도 3에 도시된 상태가 취해진다. 이 과정에서, 부력체(24, 26)가 해방되어 수평 방향으로 부유식 풍력 터빈(10)의 안정화를 가져온다.

Claims (26)

  1. 부유식 기반(20, floating foundation);
    부유식 기반(20)에 회전 가능하게 고정되는 타워(30, tower);
    타워(30)에 장착되며, 로터(40, rotor)를 포함하고 타워(30)에 회전 가능하게 고정하여 연결되는 에너지 변환 유닛(50, energy conversion unit); 및
    타워(30) 또는 에너지 변환 유닛(50)을 기반(20)에 업윈드 방향(upwind direction)으로 연결하는 하나 이상의 인장부재(60, tensioning element)를 포함하며,
    기반(20)은 3개의 레그(20a, 20b, 20c, leg)를 갖고, 그 중 하나의 레그(20a)는 다른 2개의 레그(20b, 20c)보다 길며,
    레그(20a, 20b, 20c)는 Y자 형상으로 서로 연결되며 타워(30)는 레그(20a, 20b, 20c)의 연결부(20d, connecting region)에서 기반(20) 위에 배치되고,
    가장 긴 레그(20a)는 업윈드 방향으로 뻗고 또한 인장부재(60)에 의해 타워(30) 또는 에너지 변환 유닛(50)에 연결되는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  2. 청구항 1에 있어서,
    하나 이상의 다른 인장부재(70)가 풍력 터빈(10)의 양측에서 로터 축(rotor axis)에 횡방향으로 뻗고, 타워(30) 또는 에너지 변환 유닛(50)을 기반(20)의 짧은 레그(20b, 20c) 중 하나에 각각 연결하는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    가로대(80, cross tree)가 타워(30)에서 로터 축에 횡방향으로 배치되고 또 보강부재(90, bracing element)가 에너지 변환 유닛(50) 또는 타워(30) 또는 기반(20)을 가로대(80)에 연결하는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  4. 청구항 1에 있어서,
    타워(30)는 기반(20)에 대해 20°까지 다운윈드 방향(downwind direction)으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  5. 청구항 1에 있어서,
    타워(30)는 적어도 부분적으로, 풍력 터빈(10)의 풍향 추적(wind direction tracking)을 지원하는 형상(profile)을 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  6. 청구항 1에 있어서,
    2개의 다른 레그(20b, 20c)는 동일 길이인 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  7. 청구항 1에 있어서,
    기반(20)은 중공체(hollow body)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  8. 청구항 7에 있어서,
    기반(20)은 콘크리트로 제조되며 20㎝ 내지 60㎝의 벽 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  9. 청구항 8에 있어서,
    레그(20a, 20b, 20c)는 기반의 벽 내에 뻗은 와이어 가닥(wire strand)에 의해 서로 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  10. 청구항 1에 있어서,
    부력체(24, 26, buoyancy body)가 기반(20)의 각각의 레그(20a, 20b, 20c)의 자유단(free end)에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  11. 청구항 10에 있어서,
    부력체(24, 26)는 기반(20)의 각각의 레그(20a, 20b, 20c)의 자유단에 관절식(articulated manner)으로 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  12. 청구항 10에 있어서,
    부력체(24, 26)는 원추형(conical design)이며, 원추형으로 형성된 부력체(24, 26)의 상면(deck area) 또는 선단(tip)은 기반의 각각의 레그(20a, 20b, 20c)의 자유단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  13. 청구항 10에 있어서,
    짧은 레그(20b, 20c)에 배치된 부력체(24)가 긴 레그(20a)에 배치된 부력체(26)보다 더 큰 부력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  14. 청구항 10에 있어서,
    짧은 레그(20b, 20c)에 배치된 부력체(24)는 점증형 부력 형상(progressive buoyance profile)을 가지고, 긴 레그(20a)에 배치된 부력체(26)는 점감형 부력 형상(degressive buoyance profile)을 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  15. 청구항 1에 있어서,
    긴 레그(20a)는 인장부재(60)의 접속점(attachment point)의 영역에서 부유식 다운윈드 터빈(10)을 해저에 고정하는 하나 이상의 고정수단(110, anchoring means)과 연결하는 연결 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  16. 청구항 15에 있어서,
    연결 수단은 피벗 베어링(pivot bearing) 또는 회전 베어링(swivel bearing)을 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  17. 청구항 1에 있어서,
    부유식 다운윈드 터빈(10)은 구동 유닛(drive unit)을 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  18. 청구항 1에 있어서,
    로터(40)는 2-블레이드 로터(two-blade rotor)인 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  19. 청구항 1에 있어서,
    에너지 변환 유닛(50)은 슈퍼 콤팩트 드라이브(Super Compact Drive(SCD))로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 다운윈드 터빈(10, floating downwind turbine).
  20. a. 해저 케이블(120, submarine cable)을 다운윈드 터빈(10)이 설치될 예정 위치에 부설하는 단계,
    b. 하나 이상의 고정수단(110)을 예정 위치에 고정하고 또 고정수단(110)을 부유체(100, floating body)에 연결하는 단계,
    c. 부유식 다운윈드 터빈(10)을 예정 위치로 수송하는 단계,
    d. 부유체(100) 또는 고정수단(110) 및 해저 케이블(120)을 부유식 다운윈드 터빈(10)에 연결하는 단계, 및
    e. 부유식 기반(20)을 침수시키는 것에 의해, 부유체(100) 또는 고정수단(110) 및 해저 케이블(120)에 연결된, 다운윈드 터빈을 내리는 단계를 가지며,
    단계 c), d) 및 e)가 순서 c-d-e, c-e-d 또는 e-c-d로 수행되는,
    청구항 1에 따른 부유식 다운윈드 터빈(10)을 설치하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    해저 케이블(120)을 부설하는 것은 해저 케이블(120)을 다른 부유체(100)에 연결하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    다운윈드 터빈(10)은 기반(20)이 흘수선(W, water line)보다 아래에 완전히 배치되는 정도까지 내려지는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    부유식 다운윈드 터빈(10)의 긴 레그(20a)에 배치된 연결 수단을 복수의 고정수단(110)에 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    부유체(100)를 부유식 다운윈드 터빈(10)에 연결하는 것은 부유식 다운윈드 터빈(10)과 해저 케이블(120)의 전기접촉(electric contact)의 형성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 청구항 20에 있어서,
    부유식 다운윈드 터빈(10)을 수송하는 것은 한 척 이상의 선박(200, watercraft)에 의해 예인함으로써 일어나며, 부유식 다운윈드 터빈(10)은 긴 레그가 앞으로 예인되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 청구항 20에 있어서,
    부유식 다운윈드 터빈(10)을 수송하는 것은 두 척의 선박(200)에 의해 예인함으로써 일어나며, 두 척의 선박은 부유식 다운윈드 터빈(10)을 부유체(100)에 접근시키기 위해, 부유체를 사이에 두고서 부유체(100)를 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
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