KR102144424B1 - 인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 - Google Patents

인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 Download PDF

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Abstract

개선된 지지구조를 가지는 인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 텐션레그를 구비하고, 해상에 부유되는 부유체; 부유체 하부에 배치되어, 부유체로부터 결합 및 분리 가능하게 형성되는 기초구조물; 및 부유체에 설치되어, 타워의 지지구조를 제공하는 하부구조물;을 포함하고, 기초구조물은, 이동을 위해 부유체와 결합된 제1배치상태; 및 설치위치에서 부유체 하방으로 이탈되어, 텐션와이어에 의해 부유체의 부력을 지지하는 제2배치상태;를 포함하는, 인장계류식 풍력발전기가 제공될 수 있다. 본 발명의 인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치방법은 해상에서의 설치공정을 최소화하고, 앵커링 작업 등을 간편하게 수행할 수 있다.

Description

인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 {TENSION-LEG PLATFORM TYPE WIND POWER GENERATOR AND ITS INSTALLATION AND DECOMISSION METHOD}
본 발명은 인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치방법에 관한 것이다.
신재생 발전수단의 하나로 풍력발전기가 알려져 있다.
풍력발전기는 설치장소에 따라 육상 및 해상 풍력발전기로 구분될 수 있다. 해상 풍력발전기는 기초(foundation) 구조에 따라 통상 콘크리트 케이슨(concrete caisson) 타입, 모노파일(monopile) 타입, 자켓(jacket) 타입, 부유식 등이 사용되고 있다.
콘크리트 케이슨 타입은 자중과 해저면의 마찰력을 통해 위치 유지하는 방식으로, 비교적 제작 및 설치가 용이한 이점을 갖는다. 다만, 콘크리트 케이슨 타입은 6~10m의 비교적 얕은 수심에서 사용 가능하고, 불량지반에서는 편심 경사로 안정성 문제를 유발할 수 있다.
모노파일 타입은 해저면에 타구경의 파일을 항타(driving) 또는 드릴링하여 고정하는 방식으로, 대단위 단지에 이용시 경제성이 좋다고 알려진다. 모노파일 타입은 현재 가장 범용되는 기초 방식 중 하나이며, 대체로 25~30m 수심에 설치가 가능하다. 단점으로는 부재에 대한 피로 하중이나 부식 문제가 지적된다.
자켓 타입은 파일 등으로 해저에 고정된 자켓식 구조물을 사용한다. 자켓 타입은 20~30m의 비교적 폭 넓은 수심에 적용이 가능한 이점이 있고, 모노파일 타입과 같이 대단위 단지 조성시 경제성이 좋다. 또한, 자켓 타입은 현재까지 상대적으로 많은 실적 사례가 구축된 바 있어 신뢰도가 높다고 알려진다.
부유식 타입은 일종의 부유체를 해상에 띄우는 방식이다. 대체로 수심 60~120m에서의 적용이 의도되고 있다. 부유식 타입은 수심의 제약을 적게 받아 비교적 수심이 깊은 원해상이나 심해상에서도 적용 가능하고, 이에 따라 미래 해상 풍력발전의 중요 과제 중 하나로 인식되고 있다.
한편, 부유식 풍력발전기는 부유체의 형태에 따라 스파(spar) 타입, 반잠수식(semi-submersible), 인장계류식(Tension-Leg Platform; TLP) 등이 알려져 있다.
스파 타입은 컬럼 형태의 부유체를 사용한다. 스파 타입은 수선 면적이 적고, 흘수선(draft line) 아래로 충분한 깊이를 가지기 때문에 운동 성능이 우수한 이점이 있다. 또한, 스파 타입은 구조 및 형상이 간단하여 제작 측면에서 이점이 있고, 무게중심이 부력중심보다 낮아 전복가능성이 낮다. 반면, 스파 타입은 120m 이상의 비교적 깊은 수심에 적용될 수 있고, 이동이나 설치 작업이 어려운 점이 단점으로 지적된다.
반잠수식은 선박과 유사한 복원 모멘트를 이용한 모델로, 해수면에서의 파(wave) 영향을 줄이기 위해 큰 배수량의 하부구조를 반잠수시켜 플랫폼의 수직 운동을 감쇄시킨 방식이다. 반잠수식은 스파 타입 대비 얕은 수심에서 운용 가능하고, 터그보트(tug boat) 등을 통해 이송될 수 있다. 다만, 고비용의 발라스트 시스템이 요구되는 단점이 있다.
인장계류식은 해저면과 하부구조물을 탄성부재로 결합시킨 방식이다. 인장계류식은 반잠수식과 유사하게 비교적 낮은 수심에서 적용이 가능하고, 파(wave)에 대응한 모션 저감 성능이 우수한 특성을 갖는다. 다만, 인장계류식은 해저지반과 연결된 계류방식으로, 앵커링 시스템의 설치작업이 상당히 까다롭고, 복수의 계류라인 중 일부에 고장이나 파손이 발생될 경우 전복 위험성을 가지고 있다.
본 발명의 실시예들은 개선된 지지구조를 가지는 인장계류식 풍력발전기 및 이의 설치방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 텐션레그를 구비하고, 해상에 부유되는 부유체; 상기 부유체 하부에 배치되어, 상기 부유체로부터 결합 및 분리 가능하게 형성되는 기초구조물; 및 상기 부유체에 설치되어, 타워의 지지구조를 제공하는 하부구조물;을 포함하고, 상기 기초구조물은, 이동을 위해 상기 부유체와 결합된 제1배치상태; 및 설치위치에서 상기 부유체 하방으로 이탈되어, 텐션와이어에 의해 상기 부유체의 부력을 지지하는 제2배치상태;를 포함하는, 인장계류식 풍력발전기가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기초구조물에 텐션레그를 구비하는 부유체가 설치되는 단계; 상기 기초구조물이 해상의 설치위치로 이동되는 단계; 및 상기 기초구조물이 상기 부유체로부터 이탈되어 해저면으로 하강되고, 상기 기초구조물과 상기 텐션레그 사이에 설치된 텐션와이어에 의해 상기 부유체의 부력이 지지되는 단계;를 포함하는, 인장계류식 풍력발전기의 설치방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 인장계류식 풍력발전기는, 육상이나 암벽 등에서 타워 등을 포함하여 조립을 완료하고, 이를 직접 해상으로 이송하여 설치가 이뤄질 수 있다. 따라서 해상에서의 설치공정을 최소화하고, 이로 인한 작업 용이성, 시간, 비용 등의 이점을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 인장계류식 풍력발전기는, 콘크리트로 제작된 기초구조물을 일체로 포함하며, 기초구조물은 이동시 부유체 등의 안정적인 고정을 사용될 수 있고, 설치 후에는 부유체의 부력 등을 지지하는 기초로 사용될 수 있다. 특히, 이러한 방식은 종래 인장계류식에서 문제되었던 앵커링 작업을 간편하고, 효과적으로 해결할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 설치방법은, 상기와 같은 인장계류식 풍력발전기의 기술적 이점을 공유할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 인장계류식 풍력발전기의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 인장계류식 풍력발전기의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 인장계류식 풍력발전기의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 이하의 실시예들은 해당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
아래 실시예들의 인장계류식 풍력발전기는 해상에서의 설치 및 사용이 의도되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라, 아래 실시예들의 인장계류식 풍력발전기는 보다 다양한 환경조건에서 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 편의상 "인장계류식" 풍력발전기로 명명하나, 반드시 이러한 기술분류에 제한되어 적용 가능한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 인장계류식 풍력발전기(100)의 개략도이다. 도 2는 도 1에 도시된 인장계류식 풍력발전기(100)의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 부유체(110)를 포함할 수 있다.
부유체(110)는 해상에 부유되어, 타워(140) 등에 대한 지지구조를 제공할 수 있다. 본 실시예의 부유체(110)는 대략 원통형으로 예시되어 있으나, 부유체(110)의 형상은 반드시 예시된 바에 한정되지 않는다.
필요에 따라, 부유체(110) 내부에는 발라스트 챔버(ballast chamber)가 구비될 수 있다. 부유체(110)는 발라스트 챔버로의 해수 유출입에 따라 흘수(draft)가 조절될 수 있다.
부유체(110)는 텐션레그(111)를 구비할 수 있다. 텐션레그(111)는 텐션와이어(125)와 체결되어 부유체(110)의 부력을 지지할 수 있다. 텐션레그(111)는 부유체(110) 하단에 구비되어, 부유체(110) 등이 기립 배치되기 위한 지지구조를 제공할 수 있다.
또한, 텐션레그(111)는 복수개가 구비될 수 있고, 복수의 텐션레그(111)는 부유체(110)를 중심으로 방사형으로 연장 형성될 수 있다. 이는 텐션레그(111)를 통한 부유체(110) 등의 안정적 지지를 위함이다. 본 실시예의 경우, 4개의 텐션레그(111)가 부유체(110) 하단에 배치되어 횡방향으로 연장 형성되고, 평면상 대략 십자형을 이루고 있다. 다만, 텐션레그(111)의 개수나 형상은 반드시 예시된 바에 한정되지 않는다.
부유체(110) 및 텐션레그(111)는 일부 또는 전부가 스틸(steel) 재질로 이뤄질 수 있다. 이는 후술할 기초구조물(120)이 콘크리트 재질로 형성된 것과 대비된다.
한편, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 기초구조물(120)을 포함할 수 있다.
기초구조물(120)은 부유체(110) 하측에 배치될 수 있다. 구체적으로, 기초구조물(120)은 이동상태에서 도 1과 같이 부유체(110) 하부에 결합될 수 있고, 설치상태에서는 도 2와 같이 부유체(110) 하측으로 이격되어 해저면(B) 등에 배치될 수 있다.
도 1과 같은 이동상태에서 부유체(110)는 기초구조물(120)에 안착 지지될 수 있다. 이를 위해, 기초구조물(120)에는 안착홈(121)이 구비될 수 있다. 안착홈(121)은 도 2에서 좀 더 명확히 도시되고 있다. 안착홈(121)은 텐션레그(111)의 형상, 개수, 배치 등에 대응되는 형상을 가지고, 텐션레그(111)와 체결될 수 있다. 본 실시예의 경우, 텐션레그(111)는 평면상 대략 십자형을 이루며, 안착홈(121)은 이에 대응되도록 평면상 대략 십자형으로 형성되어 있다. 다만, 안착홈(121)의 형상은 텐션레그(111)의 형상 등에 따라 가변될 수 있고, 반드시 예시된 바에 한정되지는 않는다.
안착홈(121)은 기초구조물(120)의 상면(122)에 구비될 수 있다. 또한, 기초구조물(120)의 상면(122)은 평면으로 형성될 수 있다. 기초구조물(120)은 제1측면(123)과, 제1측면(123)의 반대측에 배치되는 제2측면(124)을 구비할 수 있다. 예컨대, 제1, 2측면(123, 124)은 기초구조물(120)의 좌우 측면을 형성할 수 있다. 여기서, 제1, 2측면(123, 124)은 각각 바지선(P)에 접촉 지지되는 부분으로, 각각 평면으로 형성되거나, 상호 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 이에 의해, 기초구조물(120)은 2개의 바지선(P) 사이에서 안정적으로 고정 지지될 수 있다(도 3 참조).
본 실시예의 기초구조물(120)은 소정 두께를 가진 플레이트 형상 또는, 직육면체 형상으로 예시되고 있다. 다만, 기초구조물(120)의 형상은 상기의 조건을 적절히 충족할 수 있으면, 다양하게 변경될 수 있고, 반드시 예시된 바에 한정되지는 않는다. 예컨대, 기초구조물(120)은 대칭적 형상을 가진 다각 플레이트 형상이나, 다면체 형상 등으로 적절히 변형될 수 있다.
기초구조물(120)은 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성될 수 있다. 또는, 기초구조물(120)은 적어도 외벽의 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성될 수 있다. 콘크리트 재질의 기초구조물(120)은 일반적인 스틸 대비 저가로 구현될 수 있고, 해저 환경에서 좀 더 우수한 내구성을 가질 수 있다.
필요에 따라, 기초구조물(120) 내부에는 발라스트 챔버가 구비될 수 있다. 발라스트 챔버는 기초구조물(120)의 무게을 줄여 도 1과 같은 이동상태에서 기초구조물(120)의 취급을 용이하게 한다. 또한, 도 2와 같은 설치상태에서 발라스트 챔버에 중량물이 공급되어, 안정적인 지지구조를 확보할 수 있게 한다. 여기서, 상기의 중량물은 해수나 콘크리트 등을 포함할 수 있다.
도 2와 같은 설치상태에서, 기초구조물(120)과 텐션레그(111) 간에는 텐션와이어(125)가 설치될 수 있다. 텐션와이어(125)는 복수개가 구비될 수 있고, 필요에 따라서는 복수의 텐션와이어(125)가 하나의 그룹을 이루는 형태로, 복수 그룹의 텐션와이어(125)가 구비될 수 있다. 일부 텐션와이어(125)의 단선에 대응하기 위함이다.
한편, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 하부구조물(130)을 포함할 수 있다.
하부구조물(130)은 부유체(110)에 설치될 수 있다. 하부구조물(130)의 상부에는 타워(140) 등이 설치될 수 있고, 타워(140), 너셀(150), 블레이드(160) 등은 하부구조물(130)에 의해 지지될 수 있다. 본 실시예의 하부구조물(130)은 부유체(110)와 타워(140) 간의 적절한 결합구조 내지 지지구조를 제공할 수 있는 것이면 무방하다.
한편, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 타워(140), 너셀(150) 및 블레이드(160)를 포함할 수 있다.
타워(140)는 하부구조물(130)에 지지되어, 소정 길이 연장 형성될 수 있고, 통상 하부구조물(130)과 함께 스틸 재질로 이뤄질 수 있다. 타워(140) 상단에는 너셀(150)이 장착 배치될 수 있고, 너셀(150) 일측에는 블레이드(160)가 장착 배치될 수 있다. 이와 같은 타워(140), 너셀(150) 및 블레이드(160)는 종래 공지된 바에 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
다만, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 부유체(110) 및 기초구조물(120)의 구성을 통해 타워(140), 너셀(150) 및 블레이드(160) 중 어느 하나 이상이 육상이나 안벽(quay)에서 조립 설치된 후, 해상으로의 이동이 이뤄질 수 있다. 일 예로, 본 실시예의 인장계류식 풍력발전기(100)는 육상이나 암벽에서 타워(130) 내지 블레이드(150)가 조립 설치된 후, 해상으로의 이동이 이뤄질 수 있다. 이 경우, 해상에서의 설치공정이 최소화되어, 작업 용이성, 시간, 비용 등의 이점을 기대할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 인장계류식 풍력발전기(100)의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 기초구조물(120)에 부유체(110)가 배치되고, 부유체(110)에 하부구조물(130), 타워(140), 너셀(150) 및 블레이드(160) 중 어느 하나 이상이 설치된다. 본 실시예에서는 타워(140) 내지 블레이드(160)가 모두 설치된 후, 설치위치로 이동되는 경우를 예시하고 있다. 이러한 타워(140) 등의 설치는 육상이나 안벽 등에서 이뤄질 수 있고, 이는 해상작업을 줄여 설치비용이나 시간을 절감시킬 수 있다.
상기와 같이 타워(140) 등이 설치된 부유체(110)는 바지선(P)에 의해 해상의 설치위치로 이동될 수 있다. 구체적으로, 2개의 바지선(P) 각각 기초구조물(120)의 제1, 2측면(123, 124)에 밀접 접촉되어, 기초구조물(120)과 상부의 부유체(110) 등을 지지하고, 타워(140)와 각 바지선(P) 간에 복수의 고정와이어(W)가 설치된다. 기초구조물(120) 등은 이러한 상태에서 해상의 설치위치로 예인될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 설치위치로 이동된 후, 바지선(P)이 이탈되고, 기초구조물(120)이 해저로 하강될 수 있다. 기초구조물(120)은 내부의 발라스트 챔버로 중량물이 공급됨에 따라 해저로 하강될 수 있고, 중량물로는 해수, 콘크리트 등이 사용될 수 있다.
필요에 따라, 기초구조물(120)의 하강은 미리 설치된 텐션와이어(125)에 의해 안내되는 형태로 이뤄질 수 있다. 기초구조물(120)에 중량물이 채워짐에 따라 기초구조물(120)이 해저로 서서히 하강되고, 텐션와이어(125)가 이러한 하강동작을 가이드하는 것이다.
도 3의 (c)를 참조하면, 기초구조물(120)이 해저면(B)까지 하강되고, 텐션와이어(125)에 의해 부유체(110)의 부력이 지지될 수 있다. 필요에 따라, 복수의 계류라인(M)이 추가로 설치될 수 있다. 이에 의해, 부유체(110) 등은 해상의 설치위치에 계류된 상태로 설치될 수 있다.
한편, 해체는 대체로 상기의 역순으로 이뤄질 수 있다. 즉, 기초구조물(120)의 발라스트 챔버로부터 해수 등이 배출되고, 텐션와이어(125)를 통해 기초구조물(120)이 부유체(110)로 승강된다. 또한, 바지선(P) 등을 통해 기초구조물(120)이 지지되고, 계류라인(M) 등이 제거된 후 설치위치로부터 해체(이동)될 수 있다.
이상에서 설명한 바, 본 발명의 실시예들에 따른 인장계류식 풍력발전기(100)는, 육상이나 암벽 등에서 타워(140) 등을 포함하여 조립을 완료하고, 이를 직접 해상으로 이송하여 설치가 이뤄질 수 있다. 따라서 해상에서의 설치공정을 최소화하고, 이로 인한 작업 용이성, 시간, 비용 등의 이점을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 인장계류식 풍력발전기(100)는, 콘크리트로 제작된 기초구조물(120)을 일체로 포함하며, 기초구조물(120)은 이동시 부유체(110) 등의 안정적인 고정을 사용될 수 있고, 설치 후에는 부유체(110)의 부력 등을 지지하는 기초(foundation)로 사용될 수 있다. 특히, 이러한 방식은 종래 인장계류식에서 문제되었던 앵커링(anchoring) 작업을 간편하고, 효과적으로 해결할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 인장계류식 풍력발전기 110: 부유체
111: 텐션레그 120: 기초구조물
121: 안착홈 122: 상면
123: 제1측면 124: 제2측면
125: 텐션와이어 130: 하부구조물
140: 타워 150: 너셀
160: 블레이드

Claims (7)

  1. 텐션레그(111)를 구비하고, 해상에 부유되는 부유체(110);
    상기 부유체(110) 하부에 배치되어, 상기 부유체(110)로부터 결합 및 분리 가능하게 형성되는 기초구조물(120); 및
    상기 부유체(110)에 설치되어, 타워(140)의 지지구조를 제공하는 하부구조물(130);을 포함하고,
    상기 기초구조물(120)은,
    이동을 위해 상기 부유체(110)와 결합된 제1배치상태; 및
    설치위치에서 상기 부유체(110) 하방으로 이탈되어, 텐션와이어(125)에 의해 상기 부유체(110)의 부력을 지지하는 제2배치상태;를 포함하고,
    상기 텐션레그(111)는,
    복수개를 포함하되, 상기 복수의 텐션레그(111)는, 각각 상기 부유체(110) 하단에서 횡방향으로 연장 형성되어, 방사형을 이루며 배치되고,
    상기 기초구조물(120)의 상면(122)에는,
    상기 복수의 텐션레그(111)가 안착 배치되도록, 상기 복수의 텐션레그(111)와 대응되는 형상을 가진 안착홈(121)이 구비되고,
    상기 기초구조물(120)은,
    일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성되어, 내부에 발라스트 챔버(ballast chamber)를 구비하고, 평면상 사각 형상으로 형성되어, 상기 제1배치상태에서 각 바지선(P)에 접촉 지지되는 제1, 2측면(123, 124)을 구비하는, 인장계류식 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 기재된 인장계류식 풍력발전기의 설치방법에 관한 것으로,
    기초구조물(120)에 텐션레그(111)를 구비하는 부유체(110)가 설치되는 단계;
    상기 기초구조물(120)이 해상의 설치위치로 이동되는 단계; 및
    상기 기초구조물(120)이 상기 부유체(110)로부터 이탈되어 해저면(B)으로 하강되고, 상기 기초구조물(120)과 상기 텐션레그(111) 사이에 설치된 텐션와이어(125)에 의해 상기 부유체(110)의 부력이 지지되는 단계;를 포함하는, 인장계류식 풍력발전기의 설치방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 부유체(110)가 설치되는 단계는, 상기 부유체(110)에 하부구조물(130), 타워(140), 너셀(150) 및 블레이드(160) 중 어느 하나 이상이 설치되는 단계를 포함하고,
    상기 설치위치로 이동되는 단계는, 상기 기초구조물(120)의 적어도 일 측면에 바지선(P)이 접촉 지지되고, 상기 타워(140)와 상기 바지선(P) 간에 하나 이상의 고정와이어(W)가 설치되는 단계를 포함하며,
    상기 부유체(110)의 부력이 지지되는 단계는, 상기 기초구조물(120)에 중량물이 제공되고, 상기 텐션와이어(125)에 의해 상기 기초구조물(120)의 하강이 안내하는 단계를 포함하는, 인장계류식 풍력발전기의 설치방법.
  7. 삭제
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012056333A (ja) * 2010-09-03 2012-03-22 Shimizu Corp 洋上施設用浮体構造物および洋上施設の施工方法
JP2015533110A (ja) * 2012-10-08 2015-11-19 イベルドロラ インヘニエリア イ コンストルクシオン，エセ．ア．ウ． 特に風力発電での利用に供される浮体式テンションレグ・プラットフォーム

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