KR101956032B1

KR101956032B1 - 부유식 해상 풍력발전장치

Info

Publication number: KR101956032B1
Application number: KR1020180136654A
Authority: KR
Inventors: 임혁; 임재윤; 임철; 안희태
Original assignee: 알렌 주식회사
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-03-08

Abstract

본 발명은 조류에 의한 풍력발전기의 방향 편차를 보상시키는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것으로, 직립한 지주가 설치되며, 부력에 의해 해상에 부유하는 메인부유체; 상기 지주에 설치되며, 바람에 의해 전력을 생산하는 풍력발전기; 상기 메인부유체의 반경방향으로 이격된 상태로 부력에 의해 부유되며, 상기 메인부유체와 연결수단을 통해 연결되어 상기 메인부유체의 부력을 보조하는 적어도 한 쌍의 보조부유체; 상기 풍력발전기와 상기 보조부유체 사이에 설치되며, 풍향에 따라 상기 풍력발전장치를 풍향측으로 회전시는 방향전환부재; 상기 한 쌍의 보조부유체에 설치되며, 조류에 의해 상기 풍력발전기의 방향 편차가 발생할 때 텐션와이어의 이동에 의해 상기 방향전환부재의 이동이 이루어지도록 함으로써 상기 풍력발전기의 편차를 보상시키는 방향편차보상수단; 및 상기 메인부유체의 하측에 구비된 상태로 무빙케이블과 연결되며, 상기 메인부유체의 회전이 이루어지도록 하는 회전추력부재;를 포함하여 구성된다.

Description

부유식 해상 풍력발전장치{Offshore wind power equipment of floating type}

본 발명은 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조류에 의한 풍력발전기의 방향 편차를 보상시키는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것이다.

오늘날 화석연료의 과도한 사용으로 인하여 환경오염이 날로 심각해 짐에 따라 친환경 신재생 그린 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 신재생 그린 에너지는 자연적인 제약이 크고 화석 에너지에 비해 경제적인 효율성이 떨어지지만, 환경 친화적이면서 화석 에너지의 고갈 문제와 환경 오염 문제를 해결할 수 있다는 측면에서 대체 에너지로 주목받고 있다.

이와 같은 새로운 에너지원 중 대표적 그린 에너지인 풍력발전은 현재 국내는 물론 해외에서도 이미 적용중에 있으며, 발전용량의 확대에 따라 풍력 터빈의 대형화와 단지의 확장 등으로 인하여 육상풍력발전에서 해상풍력발전으로 급격하게 전환되는 추세이다.

이러한 해상 풍력발전기는 주로 강재 또는 콘크리트 구조물로 이루어져 해저 지반에 설치된 기초구조물에 지주가 연결됨으로써 해상에 직립되거나 또는 부유체를 이용하여 해상에 부유된 상태에서 발전이 이루어지도록 한다.

부유체를 이용하는 국내공개특허 제10-2017-0042815호에는, 부유 풍력 터빈 플랫폼으로서, a) 3 이상의 고정 칼럼으로서, 각 칼럼이 상부 및 하부 말단을 가지고, 밸러스트 유체를 함유하기 위한 내부 공간을 가지는, 3 이상의 고정 칼럼; b) 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼에 커플링 되어 있는 상부 말단 및 하부 말단을 가지는 타워; c) 전기 발전기에 커플링 되어 있는 터빈 로터로서, 상기 터빈 로터 및 상기 전기 발전기가 상기 타워의 상기 상부 말단 부근에 마운트 되어 있는, 터빈 로터; d) 상기 3 이상의 고정 칼럼에 서로 연결되어 있는 메인 빔; e) 워터-엔트랩먼트 플레이트로서, 각 플레이트가 상기 고정 칼럼 중 하나의 상기 하부 말단에 부착되어 있는 워터-엔트랩먼트 플레이트; 및 f) 상기 타워의 수직 조정을 조절하기 위해 상기 3 이상의 고정 칼럼의 상기 내부 공간 사이에 상기 밸러스트 유체를 이동시키기 위한 밸러스트 컨트롤 시스템을 포함하는, 부유 풍력 터빈 플랫폼 기술이 개시되어 있다.

또한, 국내공개특허 제10-2016-0067967호에는, 부유식 해상 풍력 발전 플랜트에 있어서, 적어도 실질적으로 로딩 없이 유지되는 전력라인과 단일 위치 고정된 앵커포인트에 상기 풍력발전 플랜트을 유지 하는데 발생하는 모든 기계식 힘을 적어도 실질적으로 흡수하는 홀딩 케이블과의 조합으로써 디자인 된 케이블에 의해 상기 풍력 발전 플랜트는 6개의 자유도로 이동 가능하도록 하기 위해 상기 앵커포인트에 연결될 수 있으며, 커플링이 상기 케이블과 상기 풍력 발전 플랜트 사이의 단일 커넥션 포인트에 배치되고 전기접속을 제공하기 위해 슬립 커플링이 형성되고 기계식 동력전달을 제공하기 위해 스위블 커플링이 형성되며; 상기 풍력 발전 플랜트는 서포팅 유닛, 특히, 밸러스트 유닛 및 부력 유닛을 구비한 반잠수체로 디자인된 부유유닛을 포함하며; 상기 풍력 발전 플랜트는 서포팅 유닛에 고정적으로 연결된 서포팅 마스트 및 상기 서포팅 마스트에 고정적으로 배치되고 적어도 하나의 로터와 적어도 하나의 전기발전기를 구비한 기계 나셀을 포함하며; 커넥션 포인트와 실질적으로 수직인 로터의 회전 평면 간에 가능한 최대 수평 거리가 형성되는; 부유식 해상 풍력 발전 플랜트 기술이 개시되어 있다.

그러나, 국내공개특허 제10-2017-0042815호에 기재된 기술은 부유체(칼럼)를 적용하여 풍력발전기를 해상에 부유시키고 있지만, 복수개의 부유체가 해저 지반과 연결된 와이어(무빙라인)에 의해 각각 지지된 상태이기 때문에 블레이드(날개)가 특정된 위치로만 향할수 밖에 없어 효율이 상당히 떨어지는 문제가 있다.

또한, 국내공개특허 제10-2016-0067967호에 기재된 기술들은 부력유닛을 통해 풍력발전기를 해상에 부유시키고 있지만, 위 기술 역시 블레이드가 특정된 위치로만 향하고 있기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있다.

더불어, 국내공개특허 제10-2012-0038708호의 부유식 해상 풍력발전설비에는, 회전 가능하게 설치된 상부타워의 일측에 바람의 방향에 따라 상부타워를 회동시키는 방향판이 구비되어 있지만, 이러한 구조는 부유체 자체가 회전하는 것이 아니라 부유체와 기계적으로 연결된 기둥만이 회전하는 구조이므로 각종 회전에 필요한 베어링 등이 사용되어야 하기 때문에 고장의 원인이 될 수 있고, 풍향 뿐만 아니라 조류에 의해서도 풍력발전설비가 틸팅될 때의 편차를 보상할 수 없는 문제가 있으며, 회전하는 기둥의 단면형상이 원형일 수 밖에 없는 한계가 있어 바람의 저항을 많이 받는 구조다.

여기에, 일본 공개특허공보 특개2015-155660호(2015.08.27.)에는 해수면에 잠긴 부유체가 풍향에 따라 자유로이 회전할 수 있는 구조가 개시되어 있긴 하지만 이 구조는 상당부분의 부유체가 물속에 잠겨야 부력을 형성할 수 있는 구조이기 때문에 장소 특히 해수의 깊이에 크게 제약이 따를 수 밖에 없는 문제가 있다.

국내공개특허 제10-2017-0042815호 국내공개특허 제10-2016-0067967호 국내공개특허 제10-2012-0038708호 일본 공개특허공보 특개2015-155660호(2015.08.27.)

본 발명은 상기와 같은 문제점 및 기술적 편견을 해소하기 위해 안출된 것으로, 조류에 의해 풍력발전기의 방향이 전환되더라도 풍력발전기의 블레이드가 항상 풍향 방향을 향할 수 있도록 하고, 풍향에 따라 풍력발전기의 방향이 전환될 수 있도록 하는 부유식 해상 풍력발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 풍력발전기의 회전에 필요한 각종 기계부품의 수를 줄여 고장원인을 최소화하고, 설치되는 해수의 깊이에 제약을 최소화하는 부유식 해상 풍력발전장치를 제공하는데 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부유식 해상 풍력발전장치는, 해상에 부유된 상태로 전력을 생산하는 부유식 해상 풍력발전장치에 있어서, 직립한 지주가 설치되며, 부력에 의해 해상에 부유하는 메인부유체; 상기 지주에 설치되며, 바람에 의해 전력을 생산하는 풍력발전기; 상기 메인부유체의 반경방향으로 이격된 상태로 부력에 의해 부유되며, 상기 메인부유체와 연결수단을 통해 연결되어 상기 메인부유체의 부력을 보조하는 적어도 한 쌍의 보조부유체; 상기 풍력발전기와 상기 보조부유체 사이에 설치되며, 풍향에 따라 상기 풍력발전장치를 풍향측으로 회전시는 방향전환부재; 상기 한 쌍의 보조부유체에 설치되며, 조류에 의해 상기 풍력발전기의 방향 편차가 발생할 때 텐션와이어의 이동에 의해 상기 방향전환부재의 이동이 이루어지도록 함으로써 상기 풍력발전기의 편차를 보상시키는 방향편차보상수단; 및 상기 메인부유체의 하측에 구비된 상태로 무빙케이블과 연결되며, 상기 메인부유체의 회전이 이루어지도록 하는 회전추력부재;를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 방향전환부재의 일측은 상기 지주의 길이방향을 따라 설치되고, 타측은 이동하는 상기 텐션와이어에 고정된 것이 바람직하다.

또한, 상기 방향편차보상수단은, 상기 텐션와이어가 감겨진 상태로 상기 한 쌍의 보조부유체에 각각 설치된 제1권취롤 및 제2권취롤로 구성되고, 상기 제1권취롤과 제2권취롤의 동시 구동 또는 어느 일측 권취롤의 구동을 통해 상기 텐션와이어를 이동시키고, 텐션와이어의 이동에 의해 상기 방향전환부재의 방향전환이 이루어지도록 함으로써 조류에 의해 틀어진 상기 풍력발전기의 방향 편차가 보상되도록 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 제1권취롤 및/또는 제2권취롤의 구동은 풍향과 풍력발전기의 방향을 일치시키도록 하는 콘트롤러의 제어에 의해 구동되는 것이 바람직하며, 풍향과 풍력발전기 방향의 일치여부는 풍향센서가 감지하고 그 방향이 일치하지 않으면 콘트롤러에 위치의 불일치 정보를 전송하여 컨트롤러의 제어에 의해 제1권취롤 및/또는 제2권취롤을 구동시킨다.

한편, 상기 지주의 단면은 평면에서 보았을 때, 블레이드에 대한 최근접점과 최원접점을 지름의 양끝으로 하는 원의 내부영역에 존재하는 형상일 수 있다.

그리고, 상기 회전추력부재는, 상기 메인부유체의 하측 내부에 설치되어 구름운동하는 디스크형 베어링과, 상기 디스크형 베어링의 중심축으로부터 연장되어 상기 메인부유체의 외부로 노출되며 상기 무빙케이블이 연결되는 연결축으로 구성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 메인부유체와 상기 보조부유체는 소정의 길이를 가지며, 조류에 따른 저항을 최소화하기 위해 단면이 원통형, 유선형 또는 각형 등 다양한 형상일 수 있으며, 상기 지주의 단면형상과 동일하여도 되고 원이 아닌 다른 형상일 수 있다.

다음으로, 상기 연결수단은 상기 보조부유체를 연결하는 제1연결바와, 상기 제1연결바와 상기 메인부유체를 연결하는 제2연결바로 구성된 것이 바람직하다.

마지막으로, 상기 메인부유체의 부피는 상기 보조부유체의 부피보다 큰 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 부유식 해상 풍력발전장치에 의하면, 방향전환부재를 통해 풍력발전기가 상시적으로 풍향측으로 향할 수 있도록 함과 동시에 조류에 의한 풍력발전기의 방향 편차가 발생하였을 때 방향전환부재의 이동에 의해 풍력발전기의 편차가 보상될 수 있도록 하여 풍력발전 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

또한, 메인부유체만이 무빙케이블이 필요하고, 보조부유체에는 무빙케이블의 연결이 없는 구조를 이룸으로써 종래와 같은 복수개의 와이어가 필요치 않아 제작비 절감 및 시공이 수월한 구조적인 효과도 있다.

뿐만 아니라, 복수개의 부유체가 함께 회전하는 구조이므로 회전에 필요한 각종 기계부품을 생략할 수 있고, 지주 단면의 형상이 원이 아니어도 되므로 바람의 저항을 최소화할 수 있는 형상으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 해수면의 깊이에 따른 설치상의 제약이 없는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치를 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1의 측면도이며,
도 3은 도 1의 평면도이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기의 편차가 보상되는 과정을 보여주는 작용도이며,
도 7은 풍력발전장치의 구성중 연결수단의 다른 형태를 보여주는 사시도이고,
도 8은 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치의 구성 중 지주의 단면 형상을 설명하기 위한 참고도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기의 편차가 보상되는 과정을 보여주는 작용도이며, 도 7은 풍력발전장치의 구성중 연결수단의 다른 형태를 보여주는 사시도이고, 도 8은 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치의 구성중 지주의 형상을 설명하기 위한 참고도면이다.

도 1 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 본 발명의 풍력발전장치(100)는, 직립한 지주(121)가 설치되며, 부력에 의해 해상에 부유하는 메인부유체(110); 상기 지주(121)에 설치되며, 바람에 의해 전력을 생산하는 풍력발전기(120); 상기 메인부유체(110)의 반경방향으로 이격된 상태로 부력에 의해 부유되며, 상기 메인부유체(110)와 연결수단을 통해 연결되어 상기 메인부유체(110)의 부력을 보조하는 적어도 한 쌍의 보조부유체(130); 상기 풍력발전기(120)와 상기 보조부유체(130) 사이에 설치되며, 풍향에 따라 상기 풍력발전장치(100)를 풍향측으로 회전시는 방향전환부재(140); 상기 한 쌍의 보조부유체(130)에 설치되며, 조류에 의해 상기 풍력발전기(120)의 방향 편차가 발생할 때 텐션와이어(131)의 이동에 의해 상기 방향전환부재의 이동이 이루어지도록 함으로써 상기 풍력발전기(120)의 편차를 보상시키는 방향편차보상수단; 및 상기 메인부유체(110)의 하측에 구비된 상태로 무빙케이블(155)과 연결되며, 상기 메인부유체(110)의 회전이 이루어지도록 하는 회전추력부재(150);를 포함하여 구성된다.

설명에 앞서, 본 발명의 가장큰 특징은 풍력발전장치(100)가 해상에 부유된 상태에서 조류에 의한 보조부유체(130)의 이동에 의해 풍력발전기(120)의 방향 편차가 발생했을 때 풍력발전기(120)의 편차를 바람이 불어오는 방향으로 보상시킴으로써, 발전효율이 높아지도록 하는데 있다.

본 발명의 풍력발전장치(100)는 크게 메인부유체(110)와, 풍력발전기(120)와, 보조부유체(130)와, 방향전환부재(140)와, 방향편차보상수단 및 회전추력부재(150)로 구성된다.

본 발명의 풍력발전장치(100)는 해상에 부유된 상태에서 풍력에너지를 이용하여 전력을 생산한다.

이러한 풍력발전장치(100)에는 도 1 내지 도 3과 같이 풍력에너지를 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전기(120)가 직립되게 설치되어 있다.

메인부유체(110)는 부력에 의해 해상에 부유된 상태로 풍력발전기(120)의 지주(121)를 지지하는 것으로, 전체적으로 원통의 형상으로 도시하였지만 그 단면의 형상은 다양하게 변경할 수 있다.

예컨데, 조류에 따른 저항을 최소화하기 위해 수평 단면이 원통형일 수도 있고, 유선형 또는 각형 등 다양한 형상일 수 있다.

그리고, 메인부유체(110)의 내부에는 부력을 위한 고압의 공기가 주입될 수 있고, 또는 강한 부력을 형성하는 다양한 물질들이 충진될 수도 있다.

또한, 메인부유체(110)의 부피는 후술하는 보조부유체(130)의 부피보다 크게 형성되는 것이 바람직한데, 이는 보조부유체(130)에 의한 메인부유체(110)의 요동이 저감될 수 있도록 함으로써 메인부유체(110)에 설치된 풍력발전기(120)의 안정성이 담보될 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 메인부유체(110)의 상단에는 소정의 길이를 가지며 상측방향을 향해 직립되게 형성된 지주(121)가 결합되며, 지주(121)의 단면은 평면에서 보았을 때, 블레이드에 대한 최근접점과 최원접점을 지름의 양끝으로하는 원의 내부영역에 존재하는 형상인데, 바람에 대한 저항이 저감될 수 있는 형상이다.

예컨데, 삼각형, 사각형 등의 각형이나 유선형, 타원형 등 원이 아닌 다양한 형상이 될 수 있는 것이다.

도 3에는 바람직한 실시예로서 유선형을 도시하였다. 지주(121)의 형상에 대해서는 후술하기로 한다.

이때, 메인부유체(110)와 지주(121)의 결합방법은 메인부유체(110)의 상단으로 지주(121)의 하단을 소정 깊이 삽입하여 결합을 이루거나, 또는 메인부유체(110)와 지주(121)의 하단에 각각 플랜지를 형성하여 결합하는 방법과 같이 다양한 방법을 통해 결합된다.

풍력발전기(120)는 메인부유체(110)의 지주(121)의 상부에 설치되며 블레이드(125)의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기(123)와, 발전기(123)의 전방에 회전 가능하게 연결되어 풍력에 의해 회전하는 블레이드(125)로 구성되어 있다.

이하, 풍력발전기(120)의 구조는 일반적인 사항임에 따라 자세한 설명은 생략하기로 한다.

보조부유체(130)는 도 1 내지 도 3과 같이, 메인부유체(110)의 반경방향으로 소정 간격 이격된 상태로 부력에 의해 부유되며, 메인부유체(110)와 연결수단을 통해 상호 연결되어 메인부유체(110)의 부력을 보조하도록 한 쌍으로 이루어져 있다.

이러한 보조부유체(130)는 소정의 길이를 가지며, 조류에 따른 저항을 최소화하기 위한 다양한 단면형상을 가지고, 내부에는 부력을 위한 고압의 공기 또는 부력이 강한 물질들이 충진된다.

본 실시예에서는 보조부유체(130)를 원통의 형상으로 도시하고 있다.

한 쌍의 보조부유체(130)는 도 1과 같이 서로 간격을 유지한 상태로 도면상 우측방향으로 메인부유체(110)와 이격되게 설치되어 메인부유체(110)의 부력을 보조한다.

그러나, 한 쌍의 보조부유체(130)는 반드시 한 쌍으로만 존재하는 것이 아니라 메인부유체(110)를 기준으로 복수개가 더 설치될 수도 있다.

여기서 연결수단은, 한 쌍의 보조부유체(130)를 연결하는 제1연결바(161)와, 한 쌍의 보조부유체(130)를 메인부유체(110)와 소정간격으로 이격시키기 위해 제1연결바(161)와 메인부유체(110)를 연결하는 제2연결바(163)로 구성된다.

이때, 제1연결바(161)와 제2연결바(163)는 도시하지 않은 별도의 체결수단을 통해 체결됨은 물론일 것이다.

즉, 연결수단은 제1연결바(161)와 제2연결바(163)가 직교되게 연결되도록 함으로써, 한 쌍의 보조부유체(130)의 부력을 이격된 사이의 중심이되는 위치에서 메인부유체(110)로 전달될 수 있도록 하여 메인부유체(110)의 무게를 분산시킨다.

한편, 도 7에는 연결수단의 다른 형태를 보여주고 있다.

도 7에서의 연결수단은 "△" 형태를 이루고 있으며, 제1연결바(161)는 한 쌍의 보조부유체(130)를 연결하고, 한 쌍의 제2연결바(163)는 메인부유체(110)와 각 보조부유체(130)를 연결하고 있다.

위와 같은 연결수단 구조는 제1연결바(161)와 제2연결바(163)가 "△" 형태를 이루도록 함으로써 메인부유체(110)를 보조하는 힘의 균형이 양분될 수 있도록 함으로써, 메인부유체(110)의 무게를 안정적으로 분산시킨다.

더하여, 본 실시예에서의 연결수단은 메인부유체(110)를 보조하면서 무게를 분산시키는 구조라면 연결방식을 한정하지는 않는다.

따라서, 보조부유체(130)는 연결수단을 통해 메인부유체(110)와 이격된 상태로 부유하면서 메인부유체(110)의 부력을 안정적으로 증대시키고, 더하여 메인부유체(110)의 무게를 분산시킴으로써 메인부유체(110) 즉 풍력발전기(120)의 안정적인 부유상태를 유지시킨다.

한편, 보조부유체(130)들과 풍력발전기(120)의 지주(121)에는 지주(121)의 직립 설치상태가 안정적으로 이루어지도록 지주(121)와 각 보조부유체(130)들을 연결하는 지지와이어(170)가 연결되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 메인부유체(110)와 보조부유체(130)를 원통의 형상으로 도시하고 있지만, 사각, 다각, 유선 등과 같이 다양한 형상을 이룰 수 있기 때문에 형상을 한정하지 않는다.

방향전환부재(140)는 도 1 내지 도 6과 같이, 풍력발전기(120)와 보조부유체(130) 사이에 펼쳐진 상태로 설치되며, 해상의 풍향(風向)에 따라 바람을 맞으면서 풍력발전장치(100)를 풍향측으로 회전(정확하게는 메인부유체, 보조부유체 등과 함께 회전)시킨다.

이때, 방향전환부재(140)는 바람의 영향을 절대적으로 받을 수 있도록 가죽 또는 직물 재질로 이루어지는 것이 바람직하다

그리고, 방향전환부재(140)가 펼쳐진 상태를 유지할 수 있도록, 도 1 및 2와 같이 방향전환부재(140)의 도면상 일측이 풍력발전기(120)의 지주(121)에 길이방향을 따라 양단이 설치되고, 타측은 보조부유체(130) 사이에 설치된 후술하는 방향편차보상수단의 텐션와이어(131)에 고정되어 있다.

즉, 방향전환부재(140)는 지주(121)와 텐션와이어(131) 사이에서 펼쳐진 상태로 풍향의 영향을 상시적으로 받으면서 풍력발전장치(100)가 풍향과 마주하는 방향으로 전환될 수 있도록 한다. 정확하게는 풍력발전기(120)의 블레이드(125)의 방향전환이 이루어지도록 함으로써 발전 효율이 상승할 수 있도록 하는 것이다.

방향편차보상수단은 도 1 내지 도 6과 같이, 한 쌍의 보조부유체(130)에 설치되며, 조류에 의해 풍력발전기(120)의 방향 편차가 발생할 때 텐션와이어(131)의 이동에 의해 방향전환부재(140)의 이동이 이루어지도록 함으로써 상기 풍력발전기(120)의 틀어진 편차를 보상시킨다.

즉, 풍향을 향하는 풍력발전기(120)의 방향이 조류의 흐름에 의한 보조부력체(130)의 이동에 의해 틀어짐으로써 풍향과의 편차가 발생할 때, 방향편차보상수단을 이용하여 풍력발전기(120)의 블레이드(125)가 풍향측으로 향할 수 있도록 방향전환부재(140)를 이동시켜 풍력발전기(120)의 틀어진 편차를 보상하는 것이다.

이를 위한 방향편차보상수단은, 텐션와이어(131)의 일측과 타측이 감겨진 상태로 한 쌍의 보조부유체(130)에 각각 설치된 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)로 구성된다.

제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)은 각 보조부유체(130)에 설치된 상태에서 동시에 구동(회전)되거나, 또는 어느 일측의 권취롤의 구동(회전)에 의해 텐션와이어(131)를 감거나 풀어줌으로써 텐션와이어(131)의 이동이 이루어지도록 한다.

이때, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)에는 도 1과 같이 제1권취롤(133) 및/또는 제2권취롤(135)의 구동을 위한 구동모터(M)가 설치됨은 물론이며, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)의 정,역 회전제어는 유선 또는 무선으로 연결된 콘트롤러(138)에 의해 제어된다. 콘트롤러(138)을 통한 제어는, 보조부유체(130) 또는 메인부유체에 설치된 풍향센서(미도시)에서 풍향과 풍력발전기의 편차를 감지하여 그 신호를 콘트롤러(138)에 전송하면 컨트롤러(138)가 제1권취롤(133) 및/또는 제2권취롤(135)를 구동시키는 방식으로 제어한다.

만일, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)의 동시 구동에 의해 텐션와이어(131)의 이동이 이루어지는 경우, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)에서 텐션와이어(131)의 풀림과 감김이 동시에 이루어질 수 있도록 각각 구동모터(M)가 구비된다.

또한, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135) 중 어느 하나의 권취롤의 구동이 이루어지는 경우, 구동하는 권취롤에는 구동모터(M)가 구비되고, 이에 반대하는 다른 권취롤은 텐션와이어(131)의 풀림과 감김이 이루어질 수 있도록 태엽 등과 같이 탄성이 유지되는 상태이다.

따라서 방향편차보상수단은, 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)의 구동에 의한 텐션와이어(131)의 이동이 이루어질 때 텐션와이어(131)에 고정된 방향전환부재(140)의 타측도 함께 이동시켜 방향전환부재(140)의 방향전환이 이루어지도록 함으로써, 조류에 의해 틀어진 풍력발전기(120)의 방향 편차가 보상되도록 한다.

본 실시예에서는 제1권취롤(133) 및/또는 제2권취롤(135)의 구동방식은 조류에 의해 풍향과 풍력발전기의 방향에 편차가 발생할 경우 이를 보상할 수 있는 구동이라는 점에서 구체적인 구동방식은 다양할 수 있음은 물론이다.

회전추력부재(150)는 도 2와 같이 메인부유체(110)의 하측에 구비된 상태로 해저 지반과 연결된 무빙케이블(155)과 연결되며, 방향전환부재(140)에 의한 풍력발전장치(100)의 방향전환이 이루어질 때 메인부유체(110)의 회전이 이루어지도록 한다.

회전추력부재(150)는, 메인부유체(110) 하측 내부의 회전홈(113)에 설치되어 구름운동하는 디스크형 베어링(151)과, 디스크형 베어링(151)의 줌심축으로부터 도면상 하측방향으로 연장되어 메인부유체(110)의 외부로 노출되며 무빙케이블(155)이 연결되는 연결축(153)으로 구성되어 있다.

디스크형 베어링(151)은 원형의 원반형태를 유지하고, 회전홈(113) 또한 디스크형 베어링(151)과 대응하는 형상을 유지하고 있으며, 디스크형 베어링(151)의 볼이 회전홈(113)의 내부면과 접촉을 이룸으로써 구름운동이 이루어진다.

이때, 회전추력부재(150)는 하측의 무빙케이블(155)과 연결된 상태임에 따라 회전이 제어된 상태이다. 따라서, 메인부유체(110) 만이 회전추력부재(150)를 중심으로 회전하게 된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 조류에 의해 틀어진 풍력발전기의 편차를 보상시키는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 4와 같이, 풍력발전기(120)의 블레이드(125)는 도면상 좌측에서 우측방향으로 향하는 풍향과 마주하면서 발전하게 된다.

이때, 도 4와 같이 도면상 상측에서 하측방향으로 보조부유체(130)를 향해 조류가 발생하면, 보조부유체(130)는 조류를 타고 이동하면서 도 5와 같이 메인부유체(110)를 중심으로 도면상 하측방향으로 이동하게 된다.

풍력발전기(120)의 블레이드(125)는 조류에 의해 보조부유체(130)가 이동하게 되어 풍향과 마주하지 못하는 방향 편차가 발생하기 때문에 발전 효율이 저하된다.

풍력발전기(120)의 방향 편차가 발생하면 도시되지 않은 별도의 풍향센서가 풍력발전기와 풍향의 편차를 감지하고, 그 신호를 받은 콘트롤러(138)의 제어를 통해 제1권취롤(133) 및/또는 제2권취롤(135)를 회전구동시킨다.

먼저 도 6에 도시된 바와 같이, 제1권취롤(133)이 회전하면서 텐션와이어(131)를 도면상 하측방향으로 이동시킨다.

이때, 방향전환부재(140)는 타측이 텐션와이어(131)에 고정됨에 따라 텐션와이어(131)와 함께 이동하면서 지주(121)를 중심으로 하측 방향으로 도 6과 같이 이동하게 된다.

이렇게 되면, 방향전환부재(140)가 도 6과 같이 도면상 좌측에서 우측으로 향하는 풍향에 대한 노출면적이 많아짐에 따라, 순간 풍향의 영향을 받으면서 보조부력체(130)를 화살표 방향으로 이동시킨다.

이후, 보조부력체(130)의 위치가 도 4와 같은 상태로 복귀하면 조류에 의해 틀어졌던 풍력발전기(120) 편차의 보상이 완료됨에 따라, 풍력발전기(120)의 효율이 다시 상승하게 된다.

본 설명에서는, 조류의 흐름이 도면상 하측방향으로 향하는 것으로 설명하였지만, 조류는 다양한 방향으로 흐르기 때문에 풍력발전기의 방향 편차 또한 다르게 나타날 수 있다.

미 설명된 부호 111은 감쇠판으로써, 메인부유체(110)의 하측에 설치되어 메인부유체(110)의 상하요동 시 요동이 작게 이루어지도록 한다.

첨부된 도면 도 3 내지 도 6 등에 나타낸 지주의 형상에 대해 설명한다.

지주의 상단에 풍력발전기(120)의 블레이드(125)가 장착되는데, 지주(121)는 바람에 의한 저항을 받게 된다.

앞서 설명한 종래기술의 경우에는 지주(121)만이 회전을 하게되는 경우이므로 지주의 단면이 원형일 수 밖에 없어 풍향에 따른 저항을 줄일 수 없는 한계가 있지만, 본 발명은 지주(121)만이 회전하는 것이 아니라 보조부유체(130)와 일체로 회전하기 때문에 지주(121)의 형상은 반드시 원형이 아니더라도 바람의 저항을 최소화할 수 있는 다양한 형상으로 제작이 가능하다.

이와 같은 지주(121)의 단면형상은 도 8에 도시한 바와 같이, 평면상으로 보았을 때, 블레이드와 가장 인접한 지주 상의 최근접점(P)과 가장 먼 최원접점(A)을 지름으로 하는 원(점선으로 표시) 내부에 존재하는 형상이다.

이러한 조건을 만족하는 형상은 점 P 또는 점 A를 꼭지점으로 하는 각형일 수도 있고, 도 8과 같이 점 P와 점 A를 잇는 선분을 장축으로 하는 타원일 수도 있으며, 유체역학 상으로 바람의 저항을 줄일 수 있는 다양한 형상으로 제작이 가능해진다.

지금까지 서술된 바와 같이 본 발명의 부유식 해상 풍력발전장치는, 방향전환부재를 통해 풍력발전기가 상시적으로 풍향측으로 향할 수 있도록 함과 동시에 조류에 의한 풍력발전기의 방향 편차가 발생하였을 때 방향전환부재의 이동에 의해 풍력발전기의 편차가 보상될 수 있도록 하여 풍력발전 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

이상, 본 발명의 부유식 해상 풍력발전장치를 바람직한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 설명하였으나, 이는 발명의 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아님은 물론이다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

100 : 풍력발전장치 110 : 메인부유체
111 : 감쇠판 113 : 회전홈
120 : 풍력발전기 121 : 지주
123 : 발전기 125 : 블레이드
130 : 보조부유체 131 : 텐션와이어
133 : 제1권취롤 135 : 제2권취롤
138 : 콘트롤러 140 : 방향전환부재
150 : 회전추력부재 151 : 디스크 베어링
153 : 연결축 155 : 무빙케이블
161 : 제1연결바 163 : 제2연결바
170 : 지지와이어 M : 구동모터

Claims

해상에 부유된 상태로 전력을 생산하는 부유식 해상 풍력발전장치(100)에 있어서,
직립한 지주(121)가 설치되며, 부력에 의해 해상에 부유하는 메인부유체(110);
상기 지주(121)에 설치되며, 바람에 의해 전력을 생산하는 풍력발전기(120);
상기 메인부유체(110)의 반경방향으로 이격된 상태로 부력에 의해 부유되며, 상기 메인부유체(110)와 연결수단을 통해 연결되어 상기 메인부유체(110)의 부력을 보조하는 적어도 한 쌍의 보조부유체(130);
상기 풍력발전기(120)와 상기 보조부유체(130) 사이에 설치되며, 풍향에 따라 상기 풍력발전장치(100)를 풍향측으로 회전시는 방향전환부재(140);
상기 한 쌍의 보조부유체(130)에 설치되며, 조류에 의해 상기 풍력발전기(120)의 방향 편차가 발생할 때 텐션와이어(131)의 이동에 의해 상기 방향전환부재(140)의 이동이 이루어지도록 함으로써 상기 풍력발전기(120)의 방향편차를 보상시키는 방향편차보상수단; 및
상기 메인부유체(110)의 하측에 구비된 상태로 무빙케이블(155)과 연결되며, 상기 메인부유체(110)의 회전이 이루어지도록 하는 회전추력부재(150);를 포함하며,
상기 방향편차보상수단은, 상기 텐션와이어(131)가 감겨진 상태로 상기 한 쌍의 보조부유체(130)에 각각 설치된 제1권취롤(133) 및 제2권취롤(135)로 구성되고, 상기 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)의 동시 구동 또는 어느 일측 권취롤의 구동을 통해 상기 텐션와이어(131)를 이동시키고, 텐션와이어(131)의 이동에 의해 상기 방향전환부재(140)의 방향전환이 이루어지도록 함으로써 조류에 의해 틀어진 상기 풍력발전기(120)의 방향 편차가 보상되도록 하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 방향전환부재(140)의 일측은 상기 지주(121)의 길이방향을 따라 설치되고, 타측은 이동하는 상기 텐션와이어(131)에 고정된 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
삭제
제1항에 있어서,
풍향센서가 풍향과 풍력발전기(120)의 방향이 일치하는지를 감지하여 불일치한다는 신호를 콘트롤러(138)에 전송하면 상기 콘트롤러(138)가 상기 제1권취롤(133)과 제2권취롤(135)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 지주(121)의 단면 형상은, 평면에서 보았을 때, 블레이드에 대한 최근접점(P)과 최원접점(A)을 지름의 양끝으로하는 원의 내부영역에 존재하는 형상인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 회전추력부재(150)는,
상기 메인부유체(110)의 하측 내부에 설치되어 구름운동하는 디스크형 베어링(151)과, 상기 디스크형 베어링(151)의 중심축으로부터 연장되어 상기 메인부유체(110)의 외부로 노출되며 상기 무빙케이블(155)이 연결되는 연결축(153),으로 구성된 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 연결수단은, 상기 보조부유체(130)를 연결하는 제1연결바(161)와, 상기 제1연결바(161)와 상기 메인부유체(110)를 연결하는 제2연결바(163)로 구성된 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 메인부유체(110)의 부피는 상기 보조부유체(130)의 부피 보다 큰 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치.