KR102440200B1 - 부유 해양 플랫폼(floating offshore platform) - Google Patents

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호세안 갈반 페르난데즈
게르만 페레즈 모란
마이렌 요수네 산체스 라라
조나단 페르난데즈 이바네즈
조지 알투자라 마에스트레
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노틸러스 플로팅 솔루션즈, 에스엘
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Abstract

각각이 링 폰툰(2)에 부착된 네 개의 부력식 기둥들(3); 부력식 기둥들(3) 상에 배치된 하나의 풍력 터빈을 지지하도록 구성된 트랜지션 피스(4); 링 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 결합된 히브 플레이트(5)를 포함하는 적어도 하나의 풍력 터빈을 지지하기 위한 반잠수식 부유 플랫폼(1). 링 폰툰(2)은 사변형상의 링 폰툰(2)을 형성하는 네 개의 폰툰 부분들을 포함한다-각각의 기둥(3)의 제 1 단부는 사변 형상의 링 폰툰(2)의 각각의 코너에 부착됨-. 히브 플레이트(5)는 링 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 위치하고, 둘은 구멍을 정의한다. 폰툰(2)는 바람직하게는 콘크리트와 같은 고정 밸러스트로 채워질 수 있는 복수의 구획들 또는 컨스트럭션 블록들로 나뉘어진다. 기둥들과의 연결부가 바닷물이 튀는 영역 위에 위치하도록 설계된 트랜지션 피스(4)는 별 형태로 배열되고 풍력 터빈이 위치하는 중심 점으로부터 돌출되는 네 개의 암들을 가진다. 각각의 부력식 기둥들(3)은 흘수를 조정하고 플랫폼의 경사를 보완하기 위하여 바닷물을 할당하도록 구성된 다른 기둥들(3)의 적어도 하나의 밸러스트 탱크와는 독립적인 적어도 하나의 밸러스트 탱크를 포함한다.

Description

부유 해양 플랫폼(FLOATING OFFSHORE PLATFORM)
본 발명은 부유 해양 구조물(floating offshore structure)과 관련된다. 특히, 본 발명은 풍력 터빈을 지지하기 위한 반 잠수식(semi-submersible) 부유 해양 구조물과 관련된다.
다양한 해양 구조물이 존재한다. 해양 구조물들은 일반적으로 구조물의 응용에 따라 다른 장비들을 적재하는 상부 구조물을 갖는다. 이러한 장비들의 예는 파이프 장비, 드릴 장비, 저장 및 에너지 생산 장비들이다. 전체 구조물의 설계는 일반적으로 구조물이 의도하는 응용에 따라 좌우된다.
석유 및 가스 추출을 위한 반 잠수식 해양 플랫폼의 예는 US8418640B2에 개시된다. 이 유형의 해양 구조물들의 다른 예는 US2007224000A1, US7963241B2, US8807874B2 및 US2014/305359A1에 개시된다. 예시로서, US2014/305359A1은 해양 석유 및 가스의 탐사 및 생산을 위한 반잠수식 부유 구조물에서 수직적 움직임을 감소시키기 위한 방법과 시스템을 개시한다. 개시된 플랫폼은 해양 플랫폼의 장비, 시설 및 작동을 지지하기 위한 고정된 사각형 형상의 데크(deck)를 가지며, 선체 개구를 형성하는 폰툰(pontoon)들과 연결된 네 개의 기둥들에 의해 형성된 선체를 가진다. 하나 또는 이상의 연장 플레이트들이 폰툰들과 연결될 수 있다.
또한 풍력 터빈들을 지지하도록 구성된 반잠수식 해양 부유 구조물들이 존재한다. 설계 고려사항/제한사항이 상당히 다르므로, 석유와 가스 섹터를 위해 설계된 구조물들은 해양 풍력을 위해 설계된 구조물들보다 크고 무겁다. 석유와 가스 구조물들은 더 크고 무거운 장비들을 지지하고, 유인 구조물이며, 이러한 유형의 이들의 적용은 석유 유출을 피하기 위한 더 높은 안전 레벨로 이어진다.플랫폼의 움직임을 최소화하고 그리고 부유능력(floatability)을 제공하기 위해 보다 큰 요소, 추가적인 보강 요소들 및 설계 안전 요소들에 의해 안정성 기준이 만족되어야 한다. 설계는 안전 고려사항들에 의해 주로 이뤄진다. 예를 들어, 이중 선체가 일반적으로 고려되며 데크 공간은 최대화된다.
반면에, 해양 풍력 구조물들은 유출 위험 또는 환경에 대한 영향이 없는 무인 구조물이다. 설계는 비용 절감에 의해 추동되므로, 구조물들은 그 크기에 있어서 축소되지만 적절한 풍력 터빈 작동을 위한 안정성을 보장한다. 게다가, 이러한 유형의 적용에 의해, 석유와 가스 구조물들은 해양 풍력 구조물의 경우에서의, 피치(pitch)와 롤(roll)의 고유 주기 관점에서의 제한 사항을 가지지 않는다.
풍력 터빈을 지지하도록 구성된 반잠수식 부유 해양 구조물의 예는 별 형태(star configuration)로 배치된 폰툰 구조를 갖는 이러한 구조물들 중 하나를 개시하고 있는 WO2014/031009에 개시되어 있다. 해양 구조물은 네 개의 수직 기둥들을 갖는다: 네 개의 기둥 중 셋은 폰툰 구조물의 개별 단부에 배치되고 네 번째 기둥은 폰툰 구조물의 중심에 위치한다. 이 중심 기둥은 풍력 터빈을 지지한다. 이 구성은 기둥들과 결합되는 폰툰들이 더 커지고 더 비싸지는 것을 의미하는, 기둥들 간의 거리가 더 먼 설계로 이어진다. 유사한 설계는 세 개의 외부 기둥들과 하나의 내부 기둥을 가지는 해양 부유 구조물이 도시되는 CN102758447B에서 개시된다. 데크는 세 개의 외부 기둥들의 상부 단부들에 배치된다. 데크는 내부 기둥의 상부 단부가 연결되는 중심점으로부터 돌출되는 별 형태를 갖는다. 히브 플레이트(heave plate)는 기둥들 아래에 배치된다. 그러나, 히브 플레이트의 큰 치수 때문에, 이는 피로(fatigue) 문제들을 발생시키는 기둥들과의 연결 부위에 매우 큰 모멘트를 발생시키는 많은 양의 물을 이동시킨다. 이러한 이유로, 트러스 부재(truss member)들이 모멘트를 분산시키기 위해 배치된다. 그러나, 트러스 부재는, 해양과 같이 적대적인 환경에서의 이러한 요소들의 용접이 피로 문제로 인해 회피되어야 하므로 추천되지 않는다. 이러한 문제들은 더 많은 무게 및 더 많은 양의 강(steel)의 사용을 요구하는 더 두꺼운 구조를 사용하여 극복될 수 있다.
이어서, WO2014013098A1은 풍력 터빈을 지지하기 위한 해양 구조물을 개시한다. 이는 네 개의 외부 기둥들 및 풍력 터빈을 지지하도록 디자인된 다섯 번째 내부 기둥을 갖는다. 이 경우에 구조물 소재는 큰 배수량 및 훨씬 큰 플랫폼 무게로 이어지는 콘크리트이다. 다섯 기둥의 구성은 안정성 측면에서 이점을 제공하지만, 구조물이 보다 큰 부유 영역을 가져, 구조물이 해류에 더 민감하게 만들어, 비용과 계류 시스템의 복잡도를 증가시킨다.
또 다른 풍력 터빈들을 지지하기 위한 해양 구조물은 EP2271547B1에 개시된다. 이 플랫폼은 밸러스트 유체를 담기 위한 내부 공간을 가지는 세 개의 안정화 기둥들을 갖는다. 밸러스트 제어 시스템에 의하여, 밸러스트 유체는 기둥들의 수직 정렬을 조정하기 위해 기둥들의 내부 공간들 사이를 이동한다. 세 개의 기둥 구성은 안정성을 보장하기 위해 기둥들 간의 더 먼 거리로 귀결된다. 기둥들 중 하나의 상단에 풍력 터빈을 구비하는 점은 안정성을 더 복잡하게 만드는 비대칭적 구성으로 귀결된다. 기둥들 간의 벨러스트의 이동은 시스템을 더욱 복잡하게 만들고 고장 또는 응급의 경우에 그 동작을 보장하는 중복성(redundancy)을 요구하는, 풍력 터빈의 수직성을 유지하기 위해 필수적이다.
그러므로, 비용을 최소화하면서 언급된 단점들을 극복하는 새로운 반잠수식 부유 해양 플랫폼를 개발해야 할 필요가 있다.
본 발명은 풍력 에너지 장비를 지지하기 위한 새로운 부유 해양 플랫폼에 의해 위에 언급된 단점을 해결하는 것을 시도한다. 플랫폼은 네 개의 기둥들 하단부에 배치된 폰툰과 기둥들의 상단부에 배치된 데크 또는 트랜지션 피스와 함께 플랫폼의 주 구조를 형성하는 네 개의 부력식 기둥들을 갖고 있다. 부유 플랫폼은 해저면(seafloor)에 계류 시스템에 의해 고정된다. 작동 시, 풍력 터빈 및 풍력 에너지를 생산하기 위한 어떠한 보조장비도 트랜지션 피스의 상단부에 위치된다. 플랫폼은 비싼 해양 인테그레이션(integration) 및 유지 프로시저(procedure)를 제한하면서 큰 풍력 터빈(예를 들면, 5 메가 와트에서 10 메가 와트)의 에너지 생산을 최대화하는 최적화된 기술적 솔루션을 제공함으로써 부유 해양 풍력 장비를 지지하는 데 목적이 있다.
본 발명의 제 1 양상에서, 적어도 하나의 풍력 터빈을 지지하기 위한 반 잠수식 부유 플랫폼이 제공된다. 플랫폼은 각각이 링 폰툰(ring pontoon)과 제 1 단부에서 부착되는 네 개의 부력식 기둥들; 적어도 하나의 풍력 터빈을 지지하도록 구성된 트랜지션 피스를 갖는 데크 -트랜지션 피스는 상기 제 1 단부의 반대편의 부력식 기둥의 단부 상에 배치됨-; 및 링 폰툰의 안쪽 둘레에 결합되는 히브 플레이트를 포함한다. 링 폰툰은 각각의 기둥들의 제 1 단부가 각각의 코너에 부착되는 사변형상(quadrilateral-shaped)의 링 폰툰을 형성하는 네 개의 폰툰 부분들을 포함한다. 히브 플레이트는 링 폰툰의 안쪽 둘레에 위치하고, 폰툰과 히브 플레이트는 구멍(hollow)을 정의(defining)한다. 트랜지션 피스는 플랫폼의 사용시에 상기 풍력 터빈이 그 위에 위치되는 중심점으로부터 돌출하고 그리고 별 형태로 배열되는 4개의 암(arm)을 가지고, 트랜지션 피스와 네 기둥의 상단부 사이의 연결부(connection)는 바닷물이 튀는 영역(sea splash zone) 위에 위치하도록 설계된다. 부력식 기둥 각각은 사용시에 흘수(draft)를 조정하고 상기 플랫폼(1)의 경사(inclination)를 보완하기 위하여 바닷물을 할당하도록 구성되고, 각각의 기둥(3)에 포함되는 상기 적어도 하나의 밸러스트 탱크는 다른 기둥들(3)의 상기 적어도 하나의 밸러스트 탱크에 독립적인 적어도 하나의 밸러스트 탱크를 포함한다.
통상의 기술자는 폰툰이 반잠수식 플랫폼과 같은 기둥 안정화 유닛의 사이드 기둥들을 연결하고 밸러스트를 위한 충분한 공간을 제공하기 위하여 설계된 닫힌 구조물이라는 것을 안다. 반 잠수식 플랫폼에서 기둥들은 부력이 있는 구조물들이다; 결과적으로, 폰툰의 배수량 기여도는 메타센터 높이를 증가시키고 그럼으로써 기울어짐 각도(heeling angle)의 감소를 가져오는 무게 중심을 낮추는 목적의 밸러스트에 의하여 균형이 이루어진다.
직사각형 단면을 가진 본 발명의 폰툰의 형상 때문에, 폰툰의 또 다른 고유한 기능은 수직 움직임 또는 회전으로 바닷물 질량을이동시키는 것이고, 이는 자유도로 부가 질량을 증가시키는 것 및 그럼으로써 히브(heave)/피치(pitch)/롤(roll)의 고유주기가 증가되는 것을 의미한다.
폰툰 길이는 더 큰 질량(또한 부가 질량), 그러므로 더 긴 히브 고유 주기로 귀결되는 배수량에 영향을 주는 폰툰 부피에 영향을 미친다. 폰툰 길이의 변화는 레벨 암의 변화 때문에 정적 기울어짐 각도에 크게 영향을 주는 물 영역 관성의 큰 변화로 이어진다. 또한 정적 기울어짐 각도에 대한 영향은, 폰툰 길이가 증가할 때 정적 기울어짐 각도가 감소한다는 다른 신호를 가진다는 것이 알려져야 한다. 물 영역과 물 영역 관성이 유지되는 동안, 폰툰 부피는 폰툰 너비의 변화에 의해 영향을 받는다. 이는 마찰 계수뿐만 아니라 부가 질량 계수에도 일정 영향을 미친다. 세미 매스(semi mass)와 히브 고유 주기는 폰툰 너비의 절반의 속도로 변화하는 반면, 배수량은 폰툰 너비와 동일한 속도로 변화한다. 수직 무게중심의 약간의 변화로 인해 정적 기울어짐 각도는 약간 변화한다. 폰툰 높이는 폰툰 부피에 대한 영향이 있고 그리고 수직 무게중심 및 부력에 대해 다른 폰툰 치수에 비해 상대적으로 큰 영향을 갖는다. 폰툰 높이의 영향은 폰툰 너비의 영향과 유사하다.
본 발명의 실시예에서, 폰툰은 벌크헤드를 사용하는 복수의 구획들로 나누어진다. 본 발명의 실시예들에서, 이는 균일하게 간격이 벌어진 링 거더들(ring girders)과 수평 스트링거들(horizontal stringers)이 직교함으로써 보강된다.
본 발명의 실시예들에서, 폰툰은 전체적 또는 부분적으로 (제거할 수 없는)고정 밸러스트(fixed ballast)로 채워진다.
통상의 기술자는 히브 플레이트(또한 이것의 기능이 히브와 관련된 작업에만 한정되지 않으므로 감쇠 플레이트라고도 불리는)가 부력이 있는 구조가 아니고 수면 아래에 수평 방향으로 흐르는 표면 파에 대하여 움직이게 되는 구조 부재에 부착된 평평한 판을 포함한다는 것을 알 것이다. 판은 움직임에 저항하는 경향이 있고 점성 감쇠와 구조물에 질량을 추가하는 영향이 있다.
본 발명의 히브 플레이트는 삼각 또는 사각일 수 있고, 구조물의 용골에 위치하고 그리고 폰툰의 가장 낮은 모서리에 부착된다.
본 발명의 실시예들에서, 거더들 및 스트링거들에 의해 형성되는 수직적으로 연장되는 구조는 판에 의해 이동되는 물의 부피를 증가시키기 위해 히브 플레이트의 표면에 추가된다. 히브 플레이트의 표면이 커질수록, 부가 질량도 커진다. 게다가, 수직 구조는 추가적인 점성 감쇠를 히브/피치/롤 자유도(육상풍에 중요한)에 제공하고, 물의 가둠을 향상시키고 히브 플레이트의 강성 및 구조적 힘에 기여한다. 이러한 보강재들의 숫자와 위치는 기둥과 폰툰의 1차 구조와 구조적 연속성을 갖도록 선택된다.
본 발명의 실시예들에서, 히브 플레이트는 링 폰툰의 안쪽 둘레에 위치한 네 개의 부분들에 의해 형성되며, 히브 플레이트의 네 개의 부분들은 삼각 형상의 부분들 또는 사각 형상의 부분들로 형성된다.
본 발명의 실시예들에서, 플랫폼은 바닷물을 기둥들의 밸러스트 탱크 각각으로 펌핑해 넣도록/빼도록 구성된 액티브 밸러스트 시스템을 더 포함하고, 밸러스트 탱크 각각으로의 바닷물의 펌핑은 다른 밸러스트 탱크들로의 바닷물의 펌핑과는 독립적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예들에서, 각각의 기둥은 내부적으로 거더들과 스트링거들을 직교하여 강화된다.
본 발명의 실시예들에서, 각각의 기둥은 내부적으로 복수의 섹션들로 나눠진다.
본 발명의 실시예들에서, 네 개의 기둥들은 같은 직경을 갖고, 메타센터 높이(metacentric height)를 결정하는 기둥 직경과 두 인접한 기둥들간의 거리의 비율은 상하 요동에서의 플랫폼의 고유 주기 및 피치/롤의 고유주기가 20초 이상으로 유지되도록 선택되고, 이 비율은 풍력 터빈의 파워에 따라 달라진다. 본 발명의 실시예들에서, 폰툰과 히브 플레이트에 의해 정의된 구멍의 면적과 폰툰에 의해 점유되는 표면적, 히브 플레이트에 의해 점유되는 면적 및 히브 플레이트와 폰툰에 의해 정의되는 구멍의 면적의 합의 비율은 부가 질량이 플랫폼의 히브/롤/피치에서의 고유 주기가 일반적인 파도 주기 범위 밖(20초 이상)으로 유지되기에 충분하도록 선택된다.
본 발명의 실시예들에서, 폰툰은 고정 밸러스트(콘크리트 또는 물)로 채워지도록 구성된 복수의 구획들로 나눠진다.
본 발명의 실시예들에서, 폰툰은 내부적으로 거더들과 스트링거들을 포함하는 보강 구조를 포함한다.
본 발명의 실시예들에서, 상기 히브 플레이트(5)는 상기 기둥들과 폰툰 보강재들의 구조적 연속성을 보장하는 캔틸레버 보(cantilevered beam)들에 의해 지지된다.
본 발명의 실시예들에서, 플랫폼은 트랜지션 피스의 중심점 위에 위치한 풍력 터빈 발전기를 더 포함한다.
본 발명의 실시예들에서, 플랫폼의 사용시 트랜지션 피스는 파도 영역(wave zone)위에 유지된다.
본 발명의 실시예들에서, 플랫폼은 해저(seabed)에 플랫폼을 고정시키도록 구성된 복수의 카테너리 계선들(catenary mooring lines)을 포함하는 카테너리 계류 시스템(catenary mooring system)을 더 포함한다.
본 발명의 실시예들에서, 사변형의 링 폰툰은 정사각형의 링 폰툰이다.
본 발명의 폰툰과 히브 플레이트에서, 외부 모서리뿐 아니라 보강재들의 모든(히브 플레이트와 폰툰 모두의 모서리들에서) 모서리들에서 소용들이들이 생성된다. 이는 이전의 개시에서 달성된 마찰보다 훨씬 높은 마찰을 발생시킨다. 그리고 물들은 폰툰 뿐만 아니라 히브 플레이트의 판(sheet), 세로 방향 및 가로지르는 보강재들에 의해 형성된 셋에 의해 형성된 다른 공동들에 가둬진다. 이는 부가 질량을 증가시키고 그러므로 상하 동요와 피치/롤에서의 고유 주기를 증가시킨다.
선행 기술 구조들과 달리, 부유 해양 플랫폼은 피로 문제를 피하기 위해 트러스 부재를 가지고 있지 않다.
발명의 추가적인 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이며 추가된 청구항들로부터 특별히 지적될 것이다.
본 발명에 대한 더 나은 이해를 돕기 위해 그리고 설명을 완료하기 위해 도면의 셋이 제공된다. 상기 도면들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 단지 발명이 수행되는 방법의 예시로서 해석되어야 하는, 본 발명의 실시예를 도시하고 그리고 설명의 중요한 부분을 형성한다. 도면들은 이하의 그림들을 포함한다:
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반잠수식 부유 해양 플랫폼(1)의 측면도들을 도시한다.
도 2a 및 2b는 각각의 기둥의 내부 구조의 두 개요도를 도시한다.
도 3은 데크 또는 트랜지션 피스가 더 자세히 도시된 도 1a 및 1b의 플랫폼의 상부도를 도시한다.
도 4a, 4b 및 4c는 폰툰을 구성하는 두 개의 이웃 부분들의 내부 구조를 자세히 도시한다. 도 4a는 폰툰의 한 부분(컨스트럭션 블록)의 단면을 도시한다. 도 4b 및 4c는 히브 플레이트 부분의 내부 구조(도 4b에서 삼각형 부분, 도 4c에서 사각형 부분으로 이루어짐) 및 네 개의 기둥들 중 하나의 가장 아래쪽 단부에 이것이 어떻게 연결되는지, 폰툰의 내부 구조를 상세히 도시한다..
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫폼의 히브 플레이트의 가능한 구현들 중 하나의 내부 구조를 보여주는 상이한 도면을 도시한다.
도 6a는 폰툰, 히브 플레이트 및 네 개의 기둥들을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 반 잠수식 부유 해양 플랫폼의 평면도를 도시한다. 트랜지션 피스는 도시되지 않았다. 도 6b는 히브 플레이트가 도 6a의 것과는 달리 구현된 본 발명의 대안적 실시예에 따른 반 잠수식 부유 해양 플랫폼의 평면도를 도시한다.
도 7은 풍력 터빈의 두 가지 상이한 유형에 있어서, 폰툰, 히브 플레이트 및 히브 플레이트와 폰툰에 의해 정의되는 구멍의 표면적의 각기 다른 비율에 대해 히브에서의 고유 주기의 각각 다른 값을 표현하는 차트를 도시한다.
도 8a는 트랜지션 피스, 폰툰, 히브 플레이트 및 네 개의 기둥들을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 반잠수식 부유 해양 플랫폼의 평면도를 도시한다. 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반잠수식 부유 해양 플랫폼의 측면도를 도시한다. 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반잠수식 부유 해양 플랫폼의 등각도(isometric view)를 도시한다.
도 9a 및 9b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫폼의 업라이트 부유 포지션(upright floating position) 및 기울어짐 포지션(heeling position)을 도시한다.
도 10은 기둥들/기둥 직경 간의 상이한 거리 비율들에 대해 5 메가 와트 풍력 터에서의 회전 고유 주기(피치, 롤) 및 히브에서의 고유 주기의 상이한 값을 나타내는 차트를 도시한다.
도 11은 기둥들/기둥 직경 간의 상이한 거리 비율들에 대해 10 메가 와트 풍력 터빈에서의 회전 고유 주기(피치, 롤) 및 히브에서의 고주 주기의 상이한 값을 나타내는 차트를 도시한다.
이 텍스트에서, "포함한다" 및 이로부터 파생된("포함하는" 등 과 같은) 용어들은 배타적인 의미로 이해되지 않아야 하며, 이는 이러한 용어들이 설명 또는 정의된 것들이 추가적인 구성요소, 단계 등을 포함할 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 발명의 문맥에 있어서, "거의" 또는 이의 단어족("근사한" 등 과 같은)은 전술한 용어를 동반한 값에 매우 가까운 값들을 지시하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 통상의 기술자가 지시된 값으로부터의 이러한 오차는 측정의 부정확성들로 인해 피할 수 없다는 것을 이해할 것이기 때문에, 정확한 값으로부터의 합리적인 한계 이내의 오차는 받아들여져야한다는 것이다. 이는"대략", "약" 그리고 "주로"라는 용어들에도 동일하게 적용된다.
이하의 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안되며, 오직 발명의 넓은 원리를 설명하기 위한 목적으로 제공되었을 뿐이다. 본 발명의 다음 실시예들은 본 발명에 따른 장치들 및 결과물들을 도시하는 위에 언급된 도면들을 참조로 하는, 예시의 방식에 의해 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반잠수식 부유 해양 플랫폼(1)의 측면도를 도시한다. 이는 해양 풍력 터빈을 지지하는 것을 목표로 하는 기둥-안정화(column-stabilized) 해양 플랫폼이다. 반잠수식 해양 플랫폼(1)은 일반적으로 폰툰(2), 네 개의 부력식 기둥들(3), 트랜지션 피스(4) 및 히브 플레이트(5)를 포함하는 데크를 포함한다. 데크는 X 모양의 형상이다. 트랜지션 피스는 풍력 터빈이 위치하고 있는 데크(4)의 중심 부분에 삽입되어 있다. 트랜지션 피스(4) 상단에는, 해양 구조물에 일반적으로 제공되는 상부 장비들이 배치된다. 이 경우에, 풍력 터빈 및 선택적으로 풍력 터빈을 위한 보조적인 장비들이 트랜지션 피스(4) 상에 설치된다. 본 발명과 관련하여, "풍력 터빈"이라는 표현은 풍력 터빈들 및 풍력을 얻기 위한 어떠한 관련 장비들-풍력 터빈 발전기, 블레이드들, 타워, 나셀(nacelle) 등-을 가리키기 위해 사용된다. 각각의 부력식 기둥(3)은 풍력 터빈의 타워에 의해 정의되는 세로 축과 실질적으로 평행한 수직의 세로 축을 갖는다. 폰툰(2)은 링 폰툰이다. 이 텍스트에서, "링(ring)"이라는 용어는 그것이 채택한 형상과 무관하게, 빈 부분(hollow portion)을 정의하는 구조를 가리킨다. 이는 본 발명에 따른 링 폰툰이 원형을 필수적으로 가질 필요는 없다는 것을 의미한다. 사실, 본 발명의 링 폰툰(2)은 바람직하게는 사각 형상의 링 폰툰이다. 즉, 폰툰(2)이 중심의 공간 또는 중심의 구덩이(well)를 정의한다는 것이다. 도 1a 및 도 1b에서 도시되듯, 링 폰툰(2)의 각각의 코너는 네 개의 기둥들(3) 중 하나의 하부 부분을 수용한다. 즉, 각각의 기둥(3)의 하부 부분은 링 폰툰(2)의 네 개의 코너들 중 하나에 연결되거나 병합된다. 그러므로, 기둥들(3)은 폰툰(2)에 강하게 부착된다.
히브 플레이트(5)는 폰툰(2)에 결합되거나 박힌다. 이는 주로 평평하다. 히브 플레이트(5)는 링 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 위치한다. 도 1a 및 1b에서 도시되는 실시예에서, 히브 플레이트(5)는 실질적으로 직각 삼각형인 형상의 네 부분에 의해 만들어진다. 각각의 부분에 있어서, 직각을 형성하는 두 측면들은 한 코너에서 폰툰(2)에 의해 형성된 빈 공간을 부분적으로 채우도록 배치된다. 즉, 도 1a 및 1b에서 도시되는 바와 같이, 폰툰(2)의 안쪽 코너마다 (히브 플레이트(5))의 한 부분이 있다. 즉, 삼각 플레이트 각각은 부유 기둥(3)의 아랫 바닥의 앞에 위치한다. 도 6a는 방금 설명된 것과 같은 히브 플레이트(실질적으로 직각 삼각형인 형상의 네 부분으로 이루어진)를 갖는 부유 플랫폼의 평면도를 도시한다. 도 6b는 히브 플레이트가 네 개의 실질적으로 동일한 부분들로 만들어진 사각 형상의 링 히브 플레이트인 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부유 플랫폼의 평면도를 도시한다. 각각의 부분은 직각을 정의하는 두 평평한 판(sheet)들로 이루어진다. 네 개의 부분들은 폰툰(2)에 의해 정의된 중심 공간의 외부 영역에 배치된 사각 형상의 링을 함께 형성하도록 조립된다. 두 실시예에서, 히브 플레이트(5)는 플랫폼의 중심 구멍의 경계를 정한다. 그러므로, 뒤에 자세히 설명되는 바와 같이, 히브 플레이트(5)는 실질적으로 사각형인 빈 부분을 정의한다. 히브 플레이트(5)의 표면은 강성을 제공하면서 물을 유지할 수 있도록 설계되고, 그리고 보강재들과 거더들을 포함할 수 있다. 플랫폼(1)은 또한 카테너리 계류 시스템(6)을 포함한다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 플랫폼(1)은 그들의 길이에 따라 기둥들(3)의 쌍들을 연결하는 보강 브레이스들, 크로스바들 또는 스트링거들을 포함하지 않는다.기둥들 또는 폰툰과 히브 플레이트(또는 히브 플레이트를 형성하는 부분들)를 연결시키거나, 또는 폰툰과 기둥들을 연결시키는 브레이스들이 존재하지 않는다.
기둥들(3)은 바람직하게는 원형 단면이나, 직사각형 단면과 같이 이들 단면의 다른 형상이 대안적으로 사용될 수 있다. 폰툰(2), 히브 플레이트(5) 및 기둥들(3)의 조합은 부력식 몸체를 정의한다. 네 기둥들은 풍력 터빈을 지지하기 위한 부력을 제공하고 안정성을 위한 충분한 수선면 관성을 제공한다. 도 2a 및 2b는 원형 단면을 가지는 기둥들이 사용된, 본 발명의 실시예에 따른 기둥들(3)의 내부 구조에 대한 두 개요도 도시한다. 즉, 도시된 실시예에서 기둥들(3)은 실린더 형상을 갖는다. 기둥들(3)은 적어도 부분적으로는 비어 있다. 관찰되는 바와 같이, 각각의 기둥은 기둥에 강성을 제공하는 보강 구조(31)를 가질 수 있다. 도 2a 및 2b에서 도시되는 바와 같이, 기둥의 셸(shell, 32)은 부분적으로 그리고 전체적으로 충분한 내력 및 좌굴 강도(yield and buckling strength)를 제공하기 위해 바람직하게는 수직 거더들(34)('T' 프로파일 또는 구형 평강(bulb plate)들과 같은) 및 링 프레임들(33)(평판(flat plate)와 같은)로 보강된다. 거더들 및 프레임들은 바람직하게는 일정하게 떨어져 있다. 플랫폼의 사용시에 각 기둥이 받게 되는 압력은 기둥의 상단에서 하단으로 증가한다. 즉, 각 기둥의 아랫부분은 각 기둥의 윗부분보다 더 높은 압력을 받는다. 셸(32)의 깊은(아래의) 섹션들이 플랫폼의 사용시 더 높은 압력 부하를 받기 때문에, 각각의 기둥은 바람직하게는 그들의 가장 큰 수두(head of water)에 따라 크기가 결정된 보강 데크들(35)에 의해 나누어진 복수의 섹션들 또는 컨스트럭션 블록(construction block)들에 의해 수평적으로 분할된다. 도 2a는 또한 데크의 섹션(36)을 도시한다. 이는 같은 유형의 모든 부재(member)가 같은 치수(dimension)들을 갖는다는 것을 의미한다. 각각의 기둥을 이루는 셸(32)은 바람직하게는 금속으로 만들어진다. 특정 실시예에서, 이는 강으로 만들어진다. 금속 판들의 두께는 이 판들이 배치되는 기둥에서의 높이에 따라 달라진다(높이가 낮을수록, 더 두꺼워진다).
네 개의 기둥들(3)은 풍력 터빈을 지지하고 안정성을 위한 충분한 수선면 관성을 제공한다. 링 폰툰(2)은 또한 부력과 안정성을 제공한다. 이 목적을 위해, 플랫폼(1)은 안정성을 보장하기 위해 두 가지 타입의 밸러스트를 포함한다: 패시브 밸러스트(passive ballast)인 고정 밸러스트-바람직하게는, 콘크리트 밸러스트- 및 제거 가능하고 각 기둥마다 독립적인 액티브 워터 밸러스트. 이 워터 밸러스트는 그러므로 가변적이다-즉, 각 기둥에서 밸러스트로서 작용하는 물의 양은 고정되어 있지 않고 일반적으로 기둥마다 상이하다-. 패시브 또는 고정 밸러스트와 관련하여, 링 폰툰(2)은 구획화 될 수 있고 고정 콘크리트 밸러스트로 부분적으로 채워질 수 있다. 그러므로, 이 고정 밸러스트는 플랫폼의 동작 수명동안 제 위치에 있을 수 있다. 액티브 워터 밸러스트가 고려되는 한, 밸러스트 탱크들은 각각의 기둥의 하단 섹션에 위치된다. 바람직하게는 기둥 당 하나의 밸러스트 탱크가 있다. 바람직하게는 각각의 기둥의 하나의 밸러스트 탱크는 다른 기둥들의 밸러스트 탱크들과는 독립적이다. 플랫폼의 사용 시, 액티브 밸러스트 시스템은 각각의 흘수를 조정하고 그리고 터빈의 풍력 부하에 의하여 발생된 평균 기울기를 보완하기 위해 밸러스트 탱크로 바닷물을 펌핑할 수 있다. 각각의 워터 밸러스트 탱크는 다른 밸러스트 탱크들과 독립적이므로, 기둥들 사이의 워터 밸러스트의 이동은 없다. 밸러스트 탱크들은 구획화되고 그리고 각각의 구획들은 작동 시에 물로 완전히 채워져, 슬로싱(sloshing) 효과를 방지한다. 특정 실시예에서, 각각의 탱크는 바람직하게는 2 내지 8, 더 바람직하게는 2 내지 5개 사이로 가변적인 개수의 구획들로 나누어진다. 즉, 밸러스트 탱크를 채우는 물은 한 기둥에서 다른 기둥으로 이동하지 않는다. 예를 들어, 각각의 기둥에서, 제 2 구획이 바닷물(가변 밸러스트)로 채워지는 반면, 폰툰(2)의 높이와 실질적으로 매치되는 제 1(가장 낮은) 구획은 고정 밸러스트(바람직하게는 콘크리트 밸러스트)로 채워질 수 있다. 기둥의 나머지 부분은 바람직하게는 2 내지 6개 사이로 가변적인 추가적인 구획들로 나눠진다. 기둥들은 바람직하게는 금속, 더 바람직하게는 강으로 만들어진다.
도 3은 풍력 터빈을 지지하기 위해 설계되고 네 개의 기둥(3) 상단에 배치되는 데크 또는 트랜지션 피스(4)를 도시한다. 특히, 트랜지션 피스(4)의 내부 구조를 보여주기 위하여 분해도가 도시된다. 트랜지션 피스(4)는 바람직하게는 실질적으로 평평한 피스이다. 트랜지션 피스(4)는 바람직하게는 직사각형의 형상이고 네 개의 기둥들(3) 각각의 상부 단부를 트랜지션 피스(4)의 중심 영역과 연결하고 터빈 타워의 최하단부를 수용하도록 의도된 네 개의 연결부로 구성된다. 그러므로, 네 개의 기둥(3)의 상부 단부는 트랜지션 피스(4)의 개별 암들의 원위 단부에 위치한다. 즉, 트랜지션 피스(4)는 중심점으로부터 돌출하고 그리고 별 구조로 배치되는 4개의 암들을 가진다. 네 개의 암들은 바람직하게는 같다(같은 길이, 너비 및 두께). 중심점은 터빈 타워의 하부 단부가 연결되는 점이다. 바람직하게는, 트랜지션 피스(4)를 형성하는 4개의 암들 중 이웃하는 암들의 각각의 쌍은 90도의 각도로 분리되며, 즉, 두 이웃 암들은 90도의 각도를 형성한다. 트랜지션 피스(4)와 네 개의 기둥(3)의 단부 사이의 연결은 100년의 재현 기간을 갖는 가장 큰 파도의 마루보다 높은 클리어런스(clearance)를 가져 바닷물이 튀는 영역(splash zone) 위에 위치되도록 설계된다(즉, 1년에 한번 1%의 확률로 가장 큰 파도의 마루에 영향을 받는다). 풍력 터빈은 기둥들에 대하여 중심에 위치되도록 설계된다. 트랜지션 피스(4)는 바람직하게는 금속, 더 바람직하게는 강으로 만들어진다.
도 1a 및 1b를 다시 참조하면, 플랫폼(1)은 내부에 구멍을 정의하고, 아랫 단부에서 기둥들 사이를 연결하는 링 형상의 폰툰(2)을 가진다. 하나 이상의 풍력 터빈을 지지하기 위한 해양 구조물로서의 플랫폼의 사용시, 폰툰(2)은 물에 잠긴다. 폰툰(2)은 바람직하게는 정사각형의 링 형상이다. 폰툰(2)의 내부 구조를 도시하고 있는 도 4a에서 도시되는 바와 같이, 폰툰(2)은 바람직하게는 벌크헤드들(23)에 의하여 콘크리트와 같은 고정 밸러스트로 채워질 수 있는 복수의 구획들 또는 컨스트럭션 블록들로 나뉘어진다. 폰툰 선체는 도 4b 및 4c에서 도시되는 바와 같이 바람직하게는 링 프레임들 또는 스트링거들(22) 및 거더들(수평 거더들)(21)에 의해 보강된다. 프레임들(22) 및 거더들(21)은 바람직하게는 일정하게 이격되어 있다. 폰툰의 프레임들(22) 및 거더들(21) 뿐만 아니라 폰툰(2)의 외부 구조는 강과 같은 금속으로 이루어져 있다. 고정 밸러스트는 폰툰(2)의 내부 체적을 부분적으로 또는 전체적으로 채울 수 있다. 폰툰(2)은 네 개의 실질적으로 평평한 부분들로 구성될 수 있다. 폰툰 부분들의 쌍들은 2 대 2로 정렬될 수 있고 두 인접한 부분들은 서로 간에 90도를 형성하고, 네 부분들은 주로 내부에 구멍을 가진 평평한 부분을 형성한다. 그러므로, 각각의 폰툰 부분은 인접한 기둥들의 쌍의 바닥면에 부착된다. 각각의 폰툰 부분은 인접한 기둥들의 쌍들의 바닥면 사이로 연장한다. 폰툰(2)의 외부 경계선은 기둥들(3)의 경계선을 넘지 않는다. 도 4b는 두 이웃 부분들의 내부 구조에 관한 또 다른 도면 및 일들이 어떻게 플랫폼의 네 개의 기둥들(3) 중 하나의 최하단부와 연결되는지를 자세히 도시한다. 폰툰(2)을 형성하는 부분들에 따른 거더들(21) 및 거더들(21)에 대하여 가로질러 배치된 스트링거들(22)이 또한 도시된다. 도시된 기둥(3)의 최하단부는 폰툰(2)의 강화 보강재(거더들 및 스트링거들)에 용접(welded)될 수 있다. 바람직하게, 폰툰의 강화 보강재는 노력을 덜 들이기 위해 각 기둥의 강화 보강재와 매치된다.
도 4b는 또한 삼각 형상 부분을 가진 경우의, 히브 플레이트(5)의 일부의 내부 구조를 도시한다. 도 4b가 삼각 형상의 부분들을 가진 히브 플레이트를 참조하지만, 히브 플레이트의 내부 구조는 네 개의 직사각형으로 구성된 히브 플레이트에서도 유사하게 적용된다(도 4c 및 6b와 관련하여 설명되는 바와 같음). 히브 플레이트(5)(더 정확하게는, 히브 플레이트를 형성하는 네 개의 부분들 각각)는 내부적으로 거더들(51) 및 거더들(51)에 대하여 가로질러 배치된 스트링거들(52)에 의하여 세로로 보강되었을 수 있다. 거더들(51) 및/또는 스트링거들(52)은 바람직하게는 균일하게 이격되어 배치된다. 바람직하게, 폰툰의 강화 보강재(거더들(21) 및 스트링거들(22))은 노력을 덜 들이기 위해 각각의 히브 플레이트의 부분들의 강화 보강재(거더들(51) 및 스트링거들(52))와 매치된다. 도 4b 및 4c에서 도시되는 실시예에서, 외부 구조 및 스트링거들(52)의 높이에 의해서 정의되는 히브 플레이트(5)의 높이는 폰툰의 외부 구조 및 이의 스트링거들(22)의 높이에 의해 정의되는 폰툰(2)의 높이와 실질적으로 동일하다. 즉, 이는 사다리꼴을 형성한다. 수직 평판을 사용하는 것은 물을 가두는데 기여하고 그것의 모서리들에서 생성되는 소용돌이들로 인한 점성 감쇠를 생성하는 데 기여한다. 도 4b 및 4c에서 도시되는 바와 같이, 히브 플레이트(5)는 바람직하게는 단일 부분이고, 즉, 각 부분(삼각 형상 또는 직사각형 형상 부분과 같은)은 이웃 부분들과 연결되며 이들의 내부 구조 또한 연결된다. 거더들(51) 및 스트링거들(52)을 포함하는 히브 플레이트는, 바람직하게는 금속으로 구성되며, 더 바람직하게는 강으로 구성된다. 도 5a 및 5b는 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫폼의 폰툰(2) 및 기둥들(3)에 대한 히브 플레이트의 위치 및 히브 플레이트(5)의 내부 구조를 도시한다. 이 실시예에서 히브 플레이트는 네 삼각형들로 구성되나, 대안적인 실시예들에서는 이는 직사각형들일 수 있다. 히브 플레이트(즉, 히브 플레이트(5)를 형성하는 네 부분들)은 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 부착되어 구조의 하부 및 기둥들(3) 사이에 위치한다. 히브 플레이트는 바람직하게는 폰툰 보강재들 및 기둥의 구조적 연속성을 보장하는 캔틸레버 보들에 의해 지지된다. 캔틸레버 보의 한 쪽 단부는 상기 구조(폰툰)에 고정되고 다른 단부는 고정되지 않았다(구멍). 구조적 연속성은 요청의 전달을 보장(guarantee the transfer of the requests)하는 두 구조적 요소들 간의 결합(이 경우에는 스트링거들(22)과 스트링거들(52))이 있을 때 작동한다. 브레이스들(트러스 부재라고도 불림)이 히브 플레이트를 형성하는 부분들을 지지하기 위해 사용되지 않는다. 히브 플레이트를 형성하는 부분들은 폰툰에 의해 정의되는 둘레의 내부에 있다. 도 5a와 5b 및 도 6a와 6b에서 도시되는 바와 같이, 각각의 기둥(정확하게는, 각각의 기둥의 바닥)은 폰툰의 각각의 코너들의 외부 직경에 가깝게 배치된다. 히브 플레이트(5)는 폰툰(2)의 안쪽 둘레로부터 폰툰(2)에 의해 정의되는 구멍의 내부를 향해(즉, 플랫폼의 내부를 향해) 연장한다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 두 가능한 실시예들에 따른 부력식 몸체의 개별 평면도를 도시한다. 트랜지션 피스는 도시되지 않았다(동작 시 트랜지션 피스는 물에 잠기지 않는다). 이 도면들에서 세 가지의 플랫폼의 중요한 영역들 또는 표면들이 식별된다: 폰툰(2) 및 네 개의 기둥들(3)에 의해 점유되는 표면을 나타내는 제 1 표면(S1); 히브 플레이트(5)에 의해 점유되는 표면을 나타내는 제 2 표면(S2); 구조의 중심에 배치되고 히브 플레이트와 폰툰에 의해 한정되는 개방 표면(S3). 다음으로 설명되는 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에서, 개방 영역(S3)과 전체 영역(S1+S2+S3) 사이의 비율은 히브에서의 플랫폼의 고유 주기가 20초 이상으로 유지되도록 설계된다. 다음으로 설명되는 바와 같이, 이 비율은 적어도 풍력 터빈의 정격 출력에 따라 달라질 수 있다. 이는 또한 배치 장소의 조건에 따라 달라질 수 있다.
플랫폼 전체의 고유 진동수는 공진(resonance)을 피하기 위하여 바다 주기 범위를 벗어나야 한다. 이는 부유 플랫폼, 풍력 터빈 및 계류 시스템에 의해 포함되는 셋의 강체 고유 주기가 5초에서 19초 사이의 범위(바다 주기에 대응되는) 밖이어야 한다는 것을 의미한다.
반 잠수식 플랫폼에 있어서, DNV-RP-C205(2014.4) - 표 7.1에 따르면, 히브 자유도(업/다운)의 고유 주기는 대략 20초이다. 그러므로, 히브에서 기진력(excitation force)은 공진의 위험에 빠질 플랫폼의 일반적인 고유주기에 가까운 주기를 갖는다. 이 현상을 피하기 위해, 히브 움직임(수직 움직임)을 겪게되는 표면은 아래에 설명되는 바와 같이 중요한 파라미터이다.
히브의 고유 주기는 아래와 같다:
Figure 112019077481405-pct00001
Figure 112019077481405-pct00002
전체 구조물의 질량(강 구조, 밸러스트, 풍력 터빈, 계류 시스템 등)
Figure 112019077481405-pct00003
히브 부가 질량. 이는 히브에서 가속 또는 감속 시 플랫폼이 주변의 유체를 통해 움직이면서 그 부피를 움직이게(또는 방향을 바꾸게) 하여 수직 움직임 동안에 플랫폼에 부가되는 관성이다. 히브에서 부가되는 질량은 S1+S2에 직접적으로 비례하고, 환언하면, 표면 S3에 반비례한다.
Figure 112019077481405-pct00004
바닷물의 밀도
Figure 112019077481405-pct00005
중력 가속도
Figure 112019077481405-pct00006
수선면적. 이는 흘수선(waterline)에서 네 기둥들의 닫힌 영역이다.
상이한 홀 애퍼쳐(aperture)들, 히브 플레이트 유형들 및 상이한 풍력 터빈 파워 특징을 고려한, 현재의 플랫폼 디자인을 전술한 공식에 적용하면, 도 7에 도시되는 차트가 얻어진다. 도 7은 두 다른 풍력 터빈(5 메가 와트 풍력 터빈 및 10 메가 와트 풍력 터빈)들의 S3/(S1+S2+S3)의 상이한 비율에 대해 히브에서의 고유주기 (T3)를 도시한다-10 메가 와트 풍력 터빈이 더 크고 더 무거우므로, 결과적으로 10 메가 와트 풍력 터빈의 부유 플랫폼이 더 큰 부하를 지지해야함-. 히브에서 20초보다 높은 고유 주기(즉, 일반적으로 5초에서 19초 사이의 바다 주기 범위 밖인)를 갖기 위한 5 메가 와트 풍력 터빈에 있어서 S3/(S1+S2+S3)의 비율은 거의 12%여야만 한다. 퍼센테이지가 낮을수록, 더 많은 금속(예를 들면, 강) 구조가 필요하기 때문에 비용이 더 비싸진다. 히브에서 20초 보다 높은 고유 진동 주기(즉, 바다 주기 범위 밖인)를 갖기 위한 10 메가 와트 풍력 터빈에 있어서, S3/(S1+S2+S3)의 비율은 거의 45%여야만 한다. 퍼센테이지가 낮을수록, 더 많은 강 구조가 필요하기 때문에 비용이 더 비싸진다. 도 7에서는 도시되지 않았지만, 5 메가 와트 내지 10 메가 와트 사이의 파워를 갖는 풍력 터빈(예를 들면, 6 메가 와트, 7 메가 와트, 8 메가 와트 또는 9 메가 와트)가 사용되는 경우, 히브에서의 고유 주기 T3 커브는 S3/(S1+S2+S3)의 비율이 12% 내지 45% 사이여야만 한다는 것을 보여줄 것이다. 그러므로, 플랫폼은 바람직하게는 히브에서의 플랫폼의 고유 주기 T3 이 20초 이상으로 유지되도록 설계되어야 한다. 플랫폼의 히브에서의 고유 주기 T3 가 20초 이상이 되도록 하는 S3/(S1+S2+S3)의 구체적인 비율은 풍력 터빈의 유형(특히 풍력 터빈의 사이즈와 무게에 영향을 주는 파워)에 달려있다. 구조물 최소 비용에 주의하는 가장 바람직한 실시예에서, 히브에서 플랫폼의 고유 주기 T3 은 일반적으로 5초 내지 19초 사이의 바다 주기 범위 밖이기 위하여, 20초 보다 낮아지지 않으면서 20초에 가능한한 가깝도록 유지된다.
5 메가 와트 내지 10 메가 와트 사이의 풍력 터빈을 고려한 본 발명의 특정 실시예에서, 개방 영역(S3)의 전체 영역(S1+S2+S3)에 대한 비율은 12% 내지 45%사이로 유지된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서의 플랫폼의 기둥들을 이제 참조하면, '기둥 직경(D)/기둥 중심 간 거리(L)'의 비율은 아래와 같이 유지된다:
3 < L/D < 6.75
이는 기둥 중심 간 거리(L) 및 기둥 직경(D)이 도시된 도 8b에서 표현된다. 도 8a에서, 기둥 높이(H), 흘수(T) 및 평균 해수면(MSL)이 또한 도시된다. 3 < L/D < 6.75의 선택의 이유들은 다음에 설명된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 다음으로 설명되는 바와 같이, 기둥 중심 간 거리(L) 및 기둥 직경(D) 사이의 비율은 히브에서 플랫폼의 고유 주기 및 피치/롤(회전)에서 플랫폼의 고유 주기가 20초 이상으로 유지되도록 설계된다. 이 비율은 적어도 풍력 터빈의 정격 출력에 따라 달라질 수 있다.
풍력 터빈 부하에 따른 전복에 대항하는 기울어짐(heeling)/트리밍(trimming) 각을 감소시키면서 안정성을 향상시키기 위한 목표로, 플랫폼은 바람직하게는 항상 6미터보다 큰 메타센터 높이(
Figure 112019077481405-pct00007
)를 갖도록 설계된다. 도 9A 및 9B는 각각 본 발명의 실시예에 따른 플랫폼의 업라이트 플로팅 포지션 및 기울어진 포지션을 도시한다.
메타센터 높이(
Figure 112019077481405-pct00008
)는:
Figure 112019077481405-pct00009
와 같이 계산되고, 여기서
Figure 112019077481405-pct00010
부력 중심(플랫폼의 가장 아랫 지점인 용골 위 높이)-K 및 B는 도 9a와 9b에 도시됨-. B는 경사로 인해 이동 가능한 지점.
Figure 112019077481405-pct00011
메타 센터와 부력 중심 간의 거리이며 작은 기울어짐/트리밍 각도에서는 고정된 것으로 간주될 수 있음. M 및 G는 도 9에 또한 도시됨.
Figure 112019077481405-pct00012
여기서
Figure 112019077481405-pct00013
는 수선면적의 제 2 모멘트이고 그리고
Figure 112019077481405-pct00014
는 이동된 부피이다.
안정성이 주로 기둥들로부터 제공된다고 고려되는 현재 플랫폼에서:
Figure 112019077481405-pct00015
Figure 112019077481405-pct00016
와 같이 고려될 수 있다.
여기서, 도 8a 및 8b에 따르면, D는 기둥 직경, T는 흘수이고 L은 기둥 중심 간 거리이다.
Figure 112019077481405-pct00017
도 9a 및 9b에서 도시되는 바와 같이 무게 중심과 용골 사이의 거리이다.
수학식 3 및 수학식 4를 수학식 2에 대입하면:
Figure 112019077481405-pct00018
현재 플랫폼이
Figure 112019077481405-pct00019
임을 고려하고 수학식 5를 수학식 1에 대입하면 하기 표현들이 얻어진다:
Figure 112019077481405-pct00020
Figure 112019077481405-pct00021
Figure 112019077481405-pct00022
Figure 112019077481405-pct00023
Figure 112019077481405-pct00024
Figure 112019077481405-pct00025
Figure 112019077481405-pct00026
수학식 12에 표현된 기둥 중심들, 흘수와 직경들 간의 관계는 풍력 터빈 부하로 인한 전복에 대항하여 기울어짐/트리밍 각도를 줄이기 위한
Figure 112019077481405-pct00027
이라는 전제로부터 추론된다. 그러나, 이 값은 바다의 기전력과의 공진을 피하기 위하여 회전 움직임(피치 및 롤)의 고유 주기에 의해 결정되는 최대 값을 갖는다.수학식 13에 의해 회전 움직임의 고유 주기(
Figure 112019077481405-pct00028
가 정의되고 회전 움직임의 고유 주기는 바다 기전력 범위 밖이어야만 한다(5-19초). 가로 지르는 방향과 세로 방향이 대칭이기 때문에 현재의 플랫폼 디자인에서 피치와 롤의 고유 주기는 동일하다는 것을 인식할 것이다.
Figure 112019077481405-pct00029
Figure 112019077481405-pct00030
롤/피치 자유도에서의 전체 구조의 관성(강, 밸러스트, 풍력 터빈, 계류 시스템 등)
Figure 112019077481405-pct00031
롤/피치 부가 관성. 이는 롤/피치에서의 가속 도는 감속시에, 플랫폼이 주변의 유체를 통해 움직이면서 주변의 유체의 체적을 움직이게(또는 방향을 바꾸게) 하기 때문에 회전 움직임 동안 플랫폼에 부가되는 관성임.
Figure 112019077481405-pct00032
바닷물의 밀도
Figure 112019077481405-pct00033
중력 가속도
Figure 112019077481405-pct00034
수선 면적. 이는 흘수선에서 네 기둥의 닫힌 영역이다.
Figure 112019077481405-pct00035
이동된 부피.
Figure 112019077481405-pct00036
메타센터 높이.
수학식 13에서 도시되는 바와 같이, 메타센터(GM) 높이의 증가는 바다 주기 범위 내에 있어 결과적으로 위험을 가지는 회전(피치 및 롤) 주기의 감소를 야기한다.
상이한 풍력 터빈들의 파워 특성을 분석하고 그리고 히브에서 공진을 피하기 위해 이미 논의된 표면들 간의 비율 S3/(S1+S2+S3)을 고려하여, 회전(피치/롤) 고유 주기를 계산하기 위해 현재 플랫폼 설계에 이전 공식(수학식 13)을 적용하면, 도 10 및 11이 얻어진다.
도 11이 10 메가 와트 풍력 터빈에 있어 히브 고유 진동주기(T3) 및 피치/롤 고유 진동주기(T4)가 바다 주기(5-19초) 범위를 벗어나도록 하기 위해 '기둥 간 거리 - 기둥 직경' 비율이 반드시 4.75보다는 크고 6.75보다는 작아야 한다는 것을 도시하는 반면, 도 10은 5 메가 와트 풍력 터빈에 있어서, 히브 고유 진동주기(T3) 및 피치/롤 고유 진동주기(T4)가 바다 주기(5-19초) 범위를 벗어나도락 하기 위해 '기둥 간 거리 - 기둥 직경' 비율은 반드시 3보다는 크고 4.75보다는 작아야 한다는 것을 도시한다.
그러므로, 공진을 피하기 위한 특정 실시예에서, '기둥 간 거리 - 기둥 직경' 비율은 반드시 3 보다는 크고 6.75보다는 작아야 한다. 이 비율은 바람직하게는 구체적인 풍력 터빈에 따라 좁혀질 수(조정될 수) 있다. 따라서, 5 메가 와트 풍력 터빈에 대해서는 3<L/D<4.75, 그리고 10 메가 와트 풍력 터빈에 대해서는 4.75<L/D<6.75인 반면, 다른 풍력 터빈의 값에 대해서는(예를 들면 6 메가 와트, 7 메가 와트, 8 메가 와트...) 이 비율은 다를 수 있다.
결론적으로, 현재의 부유 플랫폼이 설계된 응용의 특징(해양 풍력 에너지)에 따라서 플랫폼은 석유 및 가스 구조들이 가지지 않은, 히브, 피치 및 롤 고유 주기 관점의 제한을 고려하여 설계되어야만 한다. 결과적으로, 현재의 부유 플랫폼을 위해 제안된 구체적인 기하학적 관계는 석유 및 가스 응용을 위해 사용되는 것들과는 완전히 다르다.
도 1a 및 1b로 돌아가서, 부유 플랫폼(1)은 카테너리 계류 시스템(6)을 갖는다. 플랫폼(1)은 통상적인 계선과 드래그 임베디드 앵커(drag embedded anchor)를 사용하여 해저에 고정된다. 계선들(6)은 동작 흘수선 아래의 기둥들(3)에 페어리드(fairlead)들을 사용하여 부착된다. 바람직하게는, 계수 라인들의 수는 모든 기둥들(3)에 대해 동일하다. 플랫폼(특히, 트랜지션 피스 상에 배치된 풍력 터빈 및 보조 장비)에 의하여 생성된 에너지는 풍력 발전단지(wind farm)의 구성에 따라 부유 플랫폼의 한 단부와 또 다른 부유 플랫폼 또는 다른 단부의 또 다른 케이블을 연결하는 다이나믹 케이블에 의해 전달된다.
다음으로, 도 1a 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 같은 플랫폼의 생산 및 설치 과정이 설명된다.
처음으로, 구조물은 블록들(기둥들, 폰툰들 및 트랜지션 피스)에 의해 생산될 수 있다.
블록들은 그리고 나서 조립된다. 조립 단계는 (i) 조선소, (ii) 드라이 독, (iii) 항구 독(port dock), (iv) 반 잠수식 폰툰과 같은 다양한 위치에서 수행될 수 있다.
조립의 완료 후에, 구조물(플랫폼)은 물로 운반된다. 생산 시설에 따라, 운반 작업은 (i) 경사로(slipway), (ii) 드라이 독 플러딩(flooding), (iii) 크레인, 반 잠수식 폰툰 또는 싱크로-리프트 또는 (iv) 폰툰 플러딩을 필요로 할 수 있다. 모든 경우에, 운반을 위해 요구되는 흘수는 대략 6m이다.
그 이후에, 플랫폼은 대략 15m의 흘수를 필요로 하는 풍력 터빈 조립 영역(포트 독)으로 견인된다.
이 단계에서, 패시브(passive) 콘크리트 밸러스트는 폰툰에 부어진다.
패시브 콘크리트 밸러스트가 추가된 후, 풍력 터빈은 해안 크레인을 이용하여 부유 구조물의 상부에 조립된다.
드라이 독(ii)에서의 조립의 경우, 마지막 두 단계(패시브 콘크리트 밸러스트가 폰툰에 부어지고 해안 크레인을 이용하여 풍력 터빈이 부유 구조물 상부에 조립되는)는 드라이 독에서 수행될 수 있다.
전체 구조물은 심해(50m보다 깊은)의 계선 및 엄빌리컬 케이블(umbilical cable)이 미리 설치된 배치 위치로 견인된다.
액티브 밸러스트 시스템은 바닷물을 탱크에 채움으로써 구조물의 작동 흘수에 도달하기 위해 사용된다.
구조물은 계선에 연결되고 및 엄빌리컬 케이블이 구조물에 부착된다.
필요한 경우, 전체 구조는 계선 및 엄빌리컬 케이블로부터 분리될 수 있고 주요한 수리를 위해 항구로 견인될 수 있다.
동일한 프로시저가 해체를 위해 적용될 수 있다: 계선 및 엄빌리컬 케이블로부터의 분리 및 해체 영역으로의 풍력 터빈을 포함하는 부유 구조물의 견인.
종합하면, 풍력 에너지 장비를 지지하기 위한 새로운 부유 해양 플랫폼이 개시되었다. 플랫폼의 생산 및 풍력 터빈들, 발전기들 및 다른 보조 장비와의 배치가 단순하기 때문에, 플랫폼은 비싼 해양 통합 및 유지 프로시저를 제한하면서 큰 풍력 터빈들(예를 들면 5 메가 와트부터 10 메가 와트까지)의 에너지 생산을 최대화하는 기술적 솔루션을 제공함으로써 부유 해양 풍력 장비를 지지하는 데 목표가 있다.
한편, 본 발명은 명백히 여기에 설명된 구체적인 실시예들에 한정되지 않고, 또한 청구범위에 정의된 발명의 일반적인 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 고려될 수 있는 어떠한 변형(예를 들면, 소재의 선택, 치수, 컴포넌트, 형태 등)도 포함한다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 풍력 터빈을 지지하기 위한 반 잠수식 부유 플랫폼(1)으로서,
    네 개의 부력식 기둥들(3);
    상기 플랫폼의 사용시에, 상기 풍력 터빈이 그 위에 위치되는 중심점으로부터 돌출하고 그리고 별 형태(star configuration)로 배열되는 4개의 암(arm)들을 가지는 트랜지션 피스(transition piece)(4)를 갖는 데크(deck)- 상기 트랜지션 피스(4)의 상기 4개의 암들 중 각각의 암은 각각의 부력식 기둥들(3) 상에 배치되고, 상기 4개의 기둥들(3)의 상부 단부와 상기 트랜지션 피스(4) 사이의 연결부(connection)는 바닷물이 튀는 영역(sea splash zone) 위에 위치하도록 설계됨 -;
    히브 플레이트(heave plate)(5); 및
    사변형상의(quadrilateral-shaped) 링 폰툰(ring pontoon)(2)을 형성하는 네 개의 폰툰 부분들을 포함하는 링 폰툰(2);
    을 포함하고,
    각각의 기둥(3)의 하부 단부는 상기 사변형상의 링 폰툰(2)의 각각의 코너에 부착되고,
    상기 히브 플레이트(5)는 상기 링 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 결합되고,
    상기 링 폰툰(2) 및 상기 히브 플레이트(5)는 구멍(hollow)을 정의(defining)하고,
    상기 플랫폼의 사용시에, 각각의 상기 부력식 기둥들(3)은 흘수(draft)를 조정하고 상기 플랫폼(1)의 경사(inclination)를 보완하기 위하여 바닷물을 할당하도록 구성된 적어도 하나의 밸러스트 탱크(ballast tank)를 포함하고,
    각각의 기둥(3)에 포함되는 상기 적어도 하나의 밸러스트 탱크는 다른 기둥들(3)의 상기 적어도 하나의 밸러스트 탱크에 독립적인,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히브 플레이트(5)는,
    상기 링 폰툰(2)의 안쪽 둘레에 위치한 네 부분들에 의해 형성되고,
    상기 히브 플레이트(5)의 상기 네 부분들은 삼각 형상의 부분들 또는 사각 형상의 부분들로 형성되는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기둥들(3)의 밸러스트 탱크 각각에 바닷물을 펌핑(pump) 해 넣거나 펌핑해서 빼내도록 구성되는 액티브(active) 밸러스트 시스템을 더 포함하고,
    상기 바닷물의 펌핑은 다른 밸러스트 탱크로의 바닷물의 펌핑과는 독립적으로 각각의 밸러스트 탱크에 대해 이루어지는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 기둥(3)은 내부적으로 거더(girder)들과 스트링거(stringer)들로 직교하여 보강된,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 기둥(3)은 내부적으로 복수의 섹션들로 나누어지는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개의 기둥들(3)은 동일한 직경(D)을 갖고,
    두 인접한 기둥들 간의 거리(L)와 상기 기둥 직경(D) 사이의 비율은 히브(heave)에서의 상기 플랫폼의 고유 주기 및 피치/롤에서의 상기 플랫폼(결과적으로, 메타센터 높이(metacentric height))의 고유 주기가 20초 이상으로 유지되도록 선택되고,
    상기 비율은 풍력 터빈의 파워에 따라 달라지는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폰툰(2) 및 상기 히브 플레이트(5)에 의해서 정의되는 상기 구멍의 표면적(S3)과 상기 폰툰(2)에 의해 점유되는 표면적(S1), 상기 히브 플레이트(5)에 의해 점유되는 표면적(S2) 및 상기 폰툰(2) 및 상기 히브 플레이트(5)에 의해서 정의되는 상기 구멍의 표면적(S3)의 합 간의 비율은 부가 질량이 플랫폼이 일반적인 파도의 주기 범위 밖인 플랫폼의 히브/롤/피치의 고유 주기를 유지하기에 충분하도록 선택되는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 폰툰(2)은 고정 밸러스트(fixed ballast)로 채워지도록 구성된 복수의 구획들로 나누어지는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 폰툰(2)은 거더들과 스트링거들을 포함하는 보강 구조를 내부적으로 포함하는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 히브 플레이트(5)는 거더들과 스트링거들을 포함하는 보강 구조를 내부적으로 포함하는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  11. 제 4 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히브 플레이트(5)는 상기 기둥들과 폰툰 보강재들의 구조적 연속성을 보장하는 캔틸레버 보(cantilevered beam)들에 의해 지지되는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜지션 피스(4)의 상기 중심점 위에 배치되는 풍력 터빈 발전기를 더 포함하는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 플랫폼의 사용시에, 상기 트랜지션 피스(4)는 파도 영역(wave zone) 위에 유지되는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 플랫폼을 해저(seabed)에 고정시키도록 구성된 복수의 카테너리 계류(catenary mooring) 선들을 포함하는 카테너리 계류 시스템을 더 포함하는,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 사변형상의 링 폰툰(2)은 정사각형 형상의 링 폰툰(2)인,
    반 잠수식 부유 플랫폼(1).
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