KR102464312B1 - 부유식 풍력발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 부력에 의해 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유하는 부유 구조물; 상기 부유 구조물의 위에 위치하는 풍력발전유닛; 상기 부유 구조물의 위에서 상기 풍력발전유닛을 지지하는 타워부; 및 상기 타워부를 상기 부유 구조물에 대해 이동시키는 타워 이송 유닛을 포함하며, 상기 풍력발전유닛은 수평방향으로 연장되어서 회전축선을 중심으로 축회전하는 회전 샤프트와, 상기 회전 샤프트에 결합된 복수개의 블레이드들을 구비하며, 상기 타워부는 상기 부유 구조물에 대해 높이방향을 따라서 연장되는 선회축선을 중심으로 축회전이 가능하며, 상기 부유 구조물은 상기 타워부를 아래에서 지지하는 타워 지지 모듈을 구비하며, 상기 타워 지지 모듈은 상기 선회축선을 중심으로 하는 원형의 링 형상의 레일부를 구비하며, 풍향과 상기 회전축선을 일치시키기 위한 대부분의 동력은 상기 수직 날개에 가해지는 바람의 힘을 이용하고 상기 타워 이송 유닛이 상기 레일부를 따라서 이동함으로써 상기 타워부가 상기 부유 구조물에 대해 상기 선회축선을 중심으로 축회전하는, 부유식 풍력발전 시스템이 제공된다.

Description

부유식 풍력발전 시스템 {FLOATING TYPE WIND POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 풍력발전에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부유식 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
전기를 생산하는 대표적인 발전 형태로는 화석연료를 에너지원으로 사용하는 화력발전과 핵분열을 이용하는 원자력발전이 있는데, 화력발전은 화석연료의 연소에 의해 발생하는 에너지를 이용하기 때문에 공해유발 및 막대한 건설비의 문제가 있고, 원자력발전은 방사능 누출의 위험 및 폐기물 처리의 문제가 있다. 그에 따라, 최근에는 기존의 화력발전이나 원자력발전에서 탈피하여 풍력, 조력, 수력, 태양광 등과 같은 자연 에너지를 에너지원으로 이용하는 발전 형태에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 발명과 관련된 선행특허문헌인 등록특허 제10-1257425호에는 풍력발전부를 탑재한 상부 타워와, 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물과, 하부구조물을 계류(Mooring)하기 위한 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류선(Mooring line)을 포함하고, 상부타워는 하부구조물에 회전가능하게 설치되고, 일측에 바람의 방향에 따라 상부타워를 회동시키기 위한 방향판을 포함한 회동부를 구비하는 구조의 부유식 해상 풍력발전설비가 개시되어 있다. 하지만, 이러한 종래의 부유식 해상 풍력발전설비에서는 방향판에 의해 수동으로 풍력발전부가 바람을 향하기 때문에, 풍향에 따른 정밀한 방향 제어에 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1257425호 "부유식 해상 풍력발전설비" (2013.04.23.)
본 발명의 목적은 효율을 높이기 위해 풍력발전유닛의 방향을 풍향에 대응하도록 바람의 힘을 이용하여 에너지를 저감하고 추가적인 동력을 사용하여 정밀하게 제어할 수 있는 부유식 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 부력에 의해 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유하는 부유 구조물; 상기 부유 구조물의 위에 위치하는 풍력발전유닛; 상기 부유 구조물의 위에서 상기 풍력발전유닛을 지지하는 타워부; 및 상기 타워부를 상기 부유 구조물에 대해 이동시키는 타워 이송 유닛을 포함하며, 상기 풍력발전유닛은 수평방향으로 연장되어서 회전축선을 중심으로 축회전하는 회전 샤프트와, 상기 회전 샤프트에 결합된 복수개의 블레이드들을 구비하며, 상기 타워부는 상기 부유 구조물에 대해 높이방향을 따라서 연장되는 선회축선을 중심으로 축회전이 가능하며, 상기 부유 구조물은 상기 타워부를 아래에서 지지하는 타워 지지 모듈을 구비하며, 상기 타워 지지 모듈은 상기 선회축선을 중심으로 하는 원형의 링 형상의 레일부를 구비하며, 상기 타워 이송 유닛이 상기 레일부를 따라서 이동함으로써 상기 타워부가 상기 부유 구조물에 대해 상기 선회축선을 중심으로 축회전하는, 부유식 풍력발전 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 풍력발전유닛이 고정된 타워부를 부유 구조물에 대해 능동적으로 선회시키는 타워 이송 유닛을 구비하므로, 풍력발전유닛의 방향을 풍향에 대응하여 바람의 힘을 이용하여 풍력발전유닛과 타워부를 선회시키는 에너지를 크게 저감하고 동력을 받은 타워 이송 유닛은 풍력발전유닛과 타워부의 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 바람의 힘과 파도 등의 외력에 의해 부유 구조물이 수면에서 흔들려서 기울어지면 타워 이송 유닛의 차륜이 레일과 분리되어서 타워 이송 유닛에 의한 균형잡힌 선회가 어려워지는데, 본 발명에 따른 타워 이송 유닛은 부유 구조물이 흔들리더라도 풍력발전유닛과 타워부의 선회에 필요한 힘이 균형있게 전달되도록 부유 구조물에 구비되는 레일부의 랙 기어에 맞물려 상호작용하는 피니언 기어를 구비하고, 피니언 기어의 회전에 의해 타워 이송 유닛이 레일부를 따라 이동하므로 정밀하고 안정적인 선회가 이루어진다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 풍력발전 시스템의 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 부유식 풍력발전 시스템의 측면도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 부유식 풍력발전 시스템의 정면도이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 부유식 풍력발전 시스템의 배면도이다.
도 6 및 도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 부유식 풍력발전 시스템에서 레일부를 타워 이송 유닛의 일부 구성과 함께 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 풍력발전 시스템의 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 풍력발전 시스템(1000)은, 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유하는 부유 구조물(1100)과, 부유 구조물(1100)에 연결되는 복수개의 계류 로프(1200)들과, 수면(S) 위에 위치하여 풍력에 의한 전기를 발생시키는 풍력발전유닛(1300)과, 부유 구조물(1100)과 풍력발전유닛(1300)을 연결하는 타워부(1400)와, 풍력발전유닛(1300)이 부유 구조물(1100)에 대해 연직방향을 따라 연장되는 선회축선(X)을 중심으로 선회하도록 타워부(1400)를 이송시키는 타워 이송 유닛(1500)과, 타워 이송 유닛(1500)을 제어하는 선회 제어부(미도시)를 포함한다. 본 실시예에서 부유식 풍력발전 시스템(1000)은 바다에 설치되어는 것으로 설명하는데, 이와는 달리 호수 등에 설치될 수도 있다.
부유 구조물(1100)은 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유한다. 부유 구조물(1100)은 부력을 제공하는 복수개의 부유체(1110)들과, 타워부(1400)를 지지하는 타워 지지 모듈(1130)과, 복수개의 부유체(1110)들과 타워 지지 모듈(1130)을 일체로 연결하는 복수개의 부유체 연결대(1120)들과, 부유 구조물(1100)의 상하동요를 감쇠시키는 복수개의 감쇠판(1140)들을 구비한다.
복수개의 부유체(1110)들은 수중에 일부가 잠기도록 부력을 제공한다. 본 실시예에서 부유체(1110)는 3개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 4개 이상일 수도 있다. 복수개의 부유체(1110)들은 선회축선(X)을 중심으로 원주방향을 따라서 등간격으로 이격되어서 배치된다. 복수개의 부유체(1110)들 각각은 선회축선(X)과 평행하게 연장되는 기둥 형상으로서, 부력 조절을 의한 밸러스트 탱크를 구비할 수 있다. 복수개의 부유체(1110)들에는 복수개의 부유체 연결대(1120)들과 타워 지지 모듈(1130)이 결합된다. 복수개의 부유체(1110)들 각각에는 감쇠판(1140)들이 설치된다.
복수개의 부유체 연결대(1120)들은 복수개의 부유체(1100)들을 일체로 연결한다. 본 실시예에서 부유체 연결대(1120)는 3개이며, 3개의 부유체 연결대(1120)들 각각은 3개의 부유체(1100)들 중 이웃하는 두 부유체(1100)들을 연결하는 것으로 설명하고, 필요에 따라 타워 지지 모듈(1130)과 복수개의 부유체(1100)들을 연결한다.
타워 지지 모듈(1130)은 복수개의 부유체(1110)들과 일체로 연결되고 타워부(1400)를 지지한다. 타워부(1400)는 제1 기둥(1410), 제2 기둥(1420), 제3 기둥(1430), 수직 날개(1440), 제1 지지대(1450)와 제2 지지대(1460)들을 안정적으로 고정하는 타워 보조 연결대(1470)들로 연결된다. 타워 지지 모듈(1130)은 시스템 선회축선(X)을 중심으로 하는 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)의 원 형상은 유지하되, 타워 지지 모듈(1130)의 제작 단가를 낮추기 위한 다각형 형태 또는 원형의 링 형상으로서, 복수개의 부유체(1110)들 각각의 상단에 결합되어서, 수면(S) 위에 위치한다.
타워 지지 모듈(1130)은 타워부(1400)의 회전을 가이드하는 레일부(1131)를 구비한다. 레일부(1131)는 타워 지지 모듈(1130)의 상면(1132)에 형성된다. 레일부(1131)는 타워 지지 모듈(1130)의 형상에 대응하여 선회축선(X)을 중심으로 하는 원형의 링 형상이다. 도 6과 도 7에는 레일부(1131)의 구체적으로 도시되어 있다. 도 6과 도 7을 참조하면, 레일부(1131)는 제1 레일(1133)과, 제1 레일(1133)의 반경방향 바깥쪽에 위치하는 제2 레일(1136)과, 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)의 사이에 위치하는 랙(rack) 기어(1139)를 구비한다. 레일부(1131)를 따라서 타워 이송 유닛(1500)이 이동하여 선회축선(X)을 중심으로 선회한다.
바람의 힘과 파도 등의 외력에 의해 부유 구조물(1100)이 해수면에서 흔들리면 타워 지지 모듈(1130)에 경사를 발생시켜서, 타워 이송 유닛(1500)이 레일(1133, 1136)과 차륜(1523, 1525)으로부터 떨어져 동력전달이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 타워 이송 유닛(1500)은 부유 구조물(1100)이 흔들리더라도 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)의 선회에 필요한 동력이 균형있게 전달되도록 하여 이러한 문제를 효과적으로 해결한다.
제1 레일(1133)은 선회축선(X)을 중심으로 하는 원을 형성하도록 원주방향을 따라서 연장된다. 제1 레일(1133)은 제2 레일(1136)보다 반경방향 안쪽에 위치한다.
제2 레일(1136)은 선회축선(X)을 중심으로 하는 원을 형성하도록 원주방향을 따라서 연장된다. 제2 레일(1136)은 제1 레일(1133)의 반경방향 바깥쪽에 이격되어서 위치한다. 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)은 동심원을 형성한다.
랙 기어(1139)는 선회축선(X)을 중심으로 하는 원을 형성하도록 원주방향을 따라서 연장된다. 랙 기어(1139)는 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)의 사이 중앙부를 지나가도록 위치한다.
복수개의 감쇠판(1140)들은 부유 구조물(1100)의 상하동요를 감쇠시킨다. 복수개의 감쇠판(1140)들 각각은 복수개의 부유체(1110)들 각각의 하단에 설치된다. 감쇠판(1140)은 부유체(1110)보다 바깥으로 확장되도록 넓게 형성된다.
복수개의 계류(mooring) 로프(1200)들은 부유 구조물(1100)에 연결되어서 부유식 풍력발전 시스템(1000)이 해류에 의해 떠내려가거나 현 위치에서 크게 벗어나지 않도록 위치를 유지시킨다. 본 실시예에서 계류 로프(1200)는 3개 이상으로 구성되며, 각각이 감쇠판(1140)과 결합되는 것으로 설명한다.
풍력발전유닛(1300)은 부유 구조물(1100)에 대해 선회축선(X)을 따라 상부에 위치한다. 풍력발전유닛(1300)은 수면(S)에서 발생하는 바람을 이용하여 전력을 생산한다. 풍력발전유닛(1300)은 타워부(1400)에 의해 지지되어서 수면(S) 위 일정 높이에 위치한다. 풍력발전유닛(1300)은 나셀(nacelle)(1310)과, 나셀(1310)과 수평방향으로 이격되어서 위치하는 로터 지지부(1320)와, 나셀(1310)과 로터 지지부(1320)에 회전 가능하게 결합되는 로터 유닛(1330)을 구비한다.
나셀(1310)은 내부에 설치된 발전기(1311)를 구비한다. 나셀(1310)에 로터 유닛(1330)이 회전 가능하게 결합된다. 로터 지지부(1320)와 나셀(1310)에 설치된 발전기(1311)는 로터 유닛(1330)의 회전을 이용하여 전력을 생산한다. 발전기(1311)에서 생산된 전기는 전력 케이블(1900)을 통해 외부로 송전된다. 나셀(1310)은 풍력발전 기술분야에서 사용되는 통상적인 구성을 포함한다.
로터 지지부(1320)는 나셀(1310)과 수평방향으로 이격되어서 위치한다. 로터 지지부(1320)와 나셀(1310)은 선회축선(X)을 중심으로 서로 반대편에 위치한다. 로터 지지부(1320)에 로터 유닛(1330)이 회전 가능하게 결합된다. 도시되지는 않았으나, 로터 지지부(1320)에도 로터 유닛(1330)의 회전을 이용하여 전력을 생산하는 발전기가 설치될 수 있다.
로터 유닛(1330)은 수평방향을 따라서 연장되는 회전 샤프트(1331)와, 회전 샤프트(1331)에 결합되는 복수개의 블레이드(1333)들과, 복수개의 블레이드(1333)들을 지지하는 복수개의 블레이드 보조 지지대(1337)들을 구비한다.
회전 샤프트(1331)는 수평방향을 따라서 연장되고 선회축선(X)을 지나도록 배치된다. 회전 샤프트(1331)의 연장방향이 회전축선(Y)이 되며, 회전 샤프트(1331)는 회전축선(Y)을 중심으로 축회전한다. 선회축선(X)과 회전축선(Y)은 직각을 이루면서 교차한다. 회전 샤프트(1331)의 양단은 나셀(1310) 및 로터 지지부(1320)에 회전 가능하게 결합된다. 회전 샤프트(1331)는 복수개의 블레이드(1333)에 가해지는 풍속에 의한 바람의 힘에 의해 회전하며, 회전 샤프트(1331)의 회전은 나셀(1310)에 설치된 발전기(1311)로 전달된다.
복수개의 블레이드(1333)들은 회전 샤프트(1331)를 중심으로 회전축선(Y)에 대한 원주방향을 따라서 등간격으로 이격되어서 배치된다. 복수개의 블레이드(1333)들 각각은 회전 샤프트(1331)로부터 회전축선(Y)에 대한 반경방향을 따라서 연장되어서 형성된다. 복수개의 블레이드(1333)에 가해지는 풍압에 의해 회전 샤프트(1331)가 회전한다. 복수개의 블레이드(1333)들 각각은 고정 블레이드부(1334)와 가변 블레이드부(1335)를 구비한다. 고정 블레이드부(1334)는 가변 블레이드부(1334)보다 회전축선(Y)에 대해 반경방향 안쪽에 위치한다. 고정 블레이드부(1334)의 피치는 고정된다. 가변 블레이드부(1335)는 고정 블레이드부(1334)보다 회전축선(Y)에 대해 반경방향 바깥쪽에 위치한다. 가변 블레이드(1335)는 풍속에 따라서 피치가 조절되도록 제어된다. 블레이드(1333)의 구체적인 구성은 풍력발전기에서 통상적으로 사용되는 구성의 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
복수개의 블레이드 보조 지지대(1337)들은 복수개의 블레이드(1333)들을 지지한다. 블레이드 보조 지지대(1337)들 각각의 양단은 회전 샤프트(1331)와 고정 블레이드부(1334)에 각각 고정된다. 본 실시예에서는 하나의 고정 블레이드부(1334)에 3개의 블레이드 보조 지지대(1337)가 결합되는 것으로 설명한다.
본 발명은 풍력발전유닛(1300)을 위에서 설명한 실시예의 구성으로 제한하지 않는다. 본 발명의 풍력발전유닛은 통상적인 수평형 풍력발전 방식의 구성을 모두 포함한다.
타워부(1400)는 부유 구조물(1200)의 위에 위치하는 풍력발전유닛(1300)을 부유 구조물(1200)과 연결한다. 타워부(1400)는 전체적으로 선회축선(X)을 따라서 높이방향으로 연장되는 구조물로서, 풍력발전유닛(1300)을 부유 구조물(1200)에 대해 일정 높이 위에 위치시킨다. 타워부(1400)는 풍력발전유닛(1300)에는 고정되고 부유 구조물(1200)과는 선회축선(X)을 중심으로 회전이 가능하게 결합된다.
타워부(1400)는 나셀(1310)에 고정되는 제1, 제2 기둥(1410, 1420)과, 로터 지지부(1320)에 고정되는 제3 기둥(1430)과, 제3 기둥(1430)에 설치되는 수직 날개(1440)와, 제3 기둥(1430)을 지지하는 제1, 제2 지지대(1450, 1460)와, 복수개의 타워 보조 연결대(1470)들을 구비한다.
타워부(1400)에 고정된 풍력발전유닛(1300)의 일체가 풍향에 따라 움직일 수 있도록 수직 날개(1440)가 설치되며 이것은 바람의 힘을 이용하므로 타워부(1400)에 고정된 풍력발전유닛(1300)이 선회축선(X)을 중심으로 선회에 필요로 하는 운동에너지를 크게 저감시킨다.
제1 기둥(1410)과 제2 기둥(1420)은 나셀(1310)과 타워 지지 모듈(1130)의 사이에 연장된다. 제1 기둥(1410)의 상단과 제2 기둥(1420)의 상단은 나셀(1310)에 고정되고 제1 기둥(1410)의 하단과 제2 기둥(1420)의 하단은 타워 지지 모듈(1130)에 레일부(1131)를 따라 이동이 가능하게 결합된다. 제1 기둥(1410)과 제2 기둥(1420)은 나셀(1310)과 결합되는 상단으로부터 아래로 갈수록 서로 멀어지도록 벌어진다.
제3 기둥(1430)은 로터 지지부(1320)와 타워 지지 모듈(1130)의 사이에 연장된다. 제3 기둥(1430)의 상단은 로터 지지부(1320)에 고정되고 제3 기둥(1430)의 하단은 타워 지지 모듈(1130)에 레일부(1131)를 따라 이동이 가능하게 결합된다.
수직 날개(1440)는 연직방향으로 세워진 판상의 형태로서 제3 기둥(1430)에 고정되어서 설치된다. 수직 날개(1440)는 회전축선(Y)을 따라 배향되어서 회전축선(Y)이 바람이 불어오는 방향을 따라 배치되도록 하는 힘을 제공한다.
제1 지지대(1450)와 제2 지지대(1460)는 제3 기둥(1430)과 타워 지지 모듈(1130)의 사이에 연장된다. 제1 지지대(1450)의 상단과 제2 지지대(1460)의 상단은 제3 기둥(1430)에 고정되고 제1 지지대(1450)의 하단과 제2 지지대(1460)의 하단은 타워 지지 모듈(1130)에 레일부(1131)를 따라 이동이 가능하게 결합된다. 제1 지지대(1450)와 제2 지지대(1460)는 제3 기둥(1430)을 사이에 두고 아래로 갈수록 서로 멀어지도록 벌어진다.
복수개의 타워 보조 연결대(1470)들은 타워부(1400)의 하부에서 제1, 제2, 제3 기둥(1410, 1420, 1430)과 제1, 제2 지지대(1450, 1460)를 서로 연결하여 구조적으로 결합시킨다. 전력 케이블(1900)은 복수개의 타워 보조 연결대(170)들 중 선회축선(X)을 통과하는 하나의 타워 보조 연결대를 통해 외부로 노출되어서 선회축선(X)을 따라서 아래로 연장된다.
풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)는 부유 구조물(1100)에 대해 함께 선회하는 선회 구조물을 형성한다.
타워 이송 유닛(1500)은 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)를 구비하는 선회 구조물이 부유 구조물(1100)에 대해 선회축선(X)을 중심으로 선회하도록 타워부(1400)를 이송시킨다. 본 실시예에서는 타워 이송 유닛(1500)이 제1 지지대(1450)의 하단과 제2 지지대(1460)의 하단에 설치되는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 타워 이송 유닛(1500)은 타워부(1400)가 부유 구조물(1100)의 레일부(1131)와 이동 가능하게 결합되는 제1 기둥(1410), 제2 기둥(1420), 제3 기둥(1430), 제1 지지대(1450) 및 제2 지지대(1460) 중 어느 하나 이상에 설치될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 타워 이송 유닛(1500)이 둘 이상 설치되는 경우, 둘 이상의 타워 이송 유닛(1500)들은 선회축선(X)을 중심으로 한 원주방향으로 배치된다.
도 6을 참조하면, 타워 이송 유닛(1500)은 몸체부(1510)와, 몸체부(1510)에 결합된 제1 차륜 유닛(1520)과, 몸체부(1510)에 결합된 제2 차륜 유닛(1530)과, 몸체부(1510)에 회전 가능하게 결합되는 구동 샤프트(1540)와, 구동 샤프트(1540)와 함께 회전하는 피니언(pinion) 기어(1550)와, 구동 샤프트(1540)를 축회전시키는 구동 모터(1560)를 구비한다.
몸체부(1510)는 타워부(1400)에 고정되며, 몸체부(1510)에 제1 차륜 유닛(1520), 제2 차륜 유닛(1530), 구동 샤프트(1540) 및 구동 모터(1560)가 결합된다.
제1 차륜 유닛(1520)은 제1 차륜 샤프트(1521)과, 제1 차륜 샤프트(1521)에 결합되는 제1 내륜(1523)과, 제1 차륜 샤프트(1521)에 결합되는 제1 외륜(1525)을 구비한다.
제1 차륜 샤프트(1521)는 선회축선(X)에 대한 반경방향을 따라서 연장되어서 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)을 가로지르고 몸체부(1510)에 자유롭게 축회전이 가능하게 결합된다. 제1 차륜 샤프트(1521)에 제1 내륜(1523)과 제1 외륜(1525)이 결합되어서 함께 회전한다.
제1 내륜(1523)은 제1 차륜 샤프트(1521)에 결합되어서 제1 차륜 샤프트(1521)와 함께 축회전한다. 제1 내륜(1523)의 외주면은 제1 레일(1133)의 상면과 접한다.
제1 외륜(1525)은 제1 차륜 샤프트(1521)에 결합되어서 제1 차륜 샤프트(1521)와 함께 축회전한다. 제1 외륜(1525)의 외주면은 제2 레일(1136)의 상면과 접한다. 반경이 큰 제2 레일(1136)의 원주 길이가 반경이 작은 제1 레일(1133)의 원주 길이보다 큰 것을 고려하여, 제2 레일(1136) 상에서 구르는 제1 외륜(1525)의 직경이 제1 레일(1133) 상에서 구르는 제1 내륜(1523)의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
제2 차륜 유닛(1530)은 레일부(1131)의 길이방향인 선회축선(X)에 대한 원주방향 상에서 제1 차륜 유닛(1520)과 이격되어서 위치한다. 제2 차륜 유닛(1530)은 제2 차륜 샤프트(1531)과, 제2 차륜 샤프트(1531)에 결합되는 제2 내륜(1533)과, 제2 차륜 샤프트(1531)에 결합되는 제2 외륜(1535)을 구비한다.
제2 차륜 샤프트(1531)는 선회축선(X)에 대한 반경방향을 따라서 연장되어서 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)을 가로지르고 몸체부(1510)에 자유롭게 축회전이 가능하게 결합된다. 제2 차륜 샤프트(1531)에 제2 내륜(1533)과 제2 외륜(1535)이 결합되어서 함께 회전한다.
제2 내륜(1533)은 제2 차륜 샤프트(1531)에 결합되어서 제2 차륜 샤프트(1531)와 함께 축회전한다. 제2 내륜(1533)의 외주면은 제1 레일(1133)의 상면과 접한다.
제2 외륜(1535)은 제2 차륜 샤프트(1531)에 결합되어서 제2 차륜 샤프트(1531)와 함께 축회전한다. 제2 외륜(1535)의 외주면은 제2 레일(1136)의 상면과 접한다. 반경이 큰 제2 레일(1136)의 원주 길이가 반경이 작은 제1 레일(1133)의 원주 길이보다 큰 것을 고려하여, 제2 레일(1136) 상에서 구르는 제2 외륜(1535)의 직경이 제1 레일(1133) 상에서 구르는 제2 내륜(1533)의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
구동 샤프트(1540)는 레일부(1131)의 길이방향인 선회축선(X)에 대한 원주방향 상에서 제1 차륜 유닛(1520)과 제2 차륜 유닛(1530)의 사이에 위치한다. 구동 샤프트(1540)는 선회축선(X)에 대한 반경방향을 따라서 연장되어서 제1 레일(1133)과 제2 레일(1136)을 가로지르고 몸체부(1510)에 자유롭게 축회전이 가능하게 결합된다. 구동 샤프트(1540)에 피니언 기어(1550)가 결합되어서 함께 회전한다. 구동 샤프트(1540)는 구동 모터(1560)에 의해 구동되어서 축회전한다.
피니언 기어(1550)는 구동 샤프트(1540)에 결합되어서 구동 샤프트(1540)와 함께 축회전한다. 피니언 기어(1550)는 레일부(1131)의 랙 기어(1139)와 맞물려서 상호작용한다. 피니언 기어(1550)의 회전하면 타워 이송 유닛(1500)이 이동하여 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)가 선회축선(X)을 중심으로 회전하게 된다. 피니언 기어(1550)의 회전 방향에 따라 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)의 선회방향이 달라진다.
구동 모터(1560)는 전기 또는 유압을 에너지로 하는 회전모터로서, 몸체부(1510)에 결합되어서 구동 샤프트(1540)를 축회전시킨다. 구동 모터(1560)의 작동은 선회 제어부(1600)에 의해 제어된다.
선회 제어부(1600)는 타워 이송 유닛(1500)의 구동 모터(1560)를 제어하여 타워 이송 유닛(1500)에 의한 풍력발전 유닛(1300)과 타워부(1400)의 선회를 제어한다. 선회 제어부(1600)는 구동 모터(1560)의 작동을 제어하는 제어기(1610)와, 풍향을 감지하고 감지된 풍향 정보를 제어기(1610)로 전송하는 풍향센서(1620)와, 풍력발전유닛(1300)의 선회 정보가 저장되고 저장된 선회 정보를 제어기(1610)로 제공하는 메모리 장치(1630)를 구비한다.
제어기(1610)는 구동 모터(1560)의 작동을 제어하는 전기적 신호를 생성하여 구동 모터(1560)의 작동을 제어한다. 제어기(1610)는 풍향센서(1620)로부터 전송된 풍향 정보와 메모리 장치(1630)로부터 제공되는 선회 정보를 기초로 구동 모터(1560)의 작동을 제어한다.
풍향센서(1620)는 풍향을 감지하고 감지된 풍향 정보를 제어기(1610)로 전송한다. 풍향센서(1620)에 의해 제어기(1610)로 전송된 풍향 정보는 구동 모터(1560)의 제어에 이용된다. 풍향센서(1620)로는 통상적인 구성의 것이 사용될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
메모리 장치(1630)에는 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)의 선회 정보가 기록되어 저장되며, 메모리 장치(1630)에 저장된 선회 정보는 제어기(1610)로 제공되어서 구동 모터(1560)의 제어에 이용된다.
선회 제어부(1600)에 의한 타워 이송 유닛(1500)의 작동 제어는 회전축선(Y)이 바람을 향하도록 하는 경우와 전력 케이블(1900)의 꼬임을 풀기 위한 경우에 이루어진다.
먼저, 회전축선(Y)이 바람을 향하도록 하는 경우를 설명하면, 우선 타워부(1400)가 부유 구조물(1100)에 대해 선회축선(X)을 중심으로 자유롭게 선회가 가능한 상태에서 수직 날개(1440)에 의한 수동 조절이 이루어진다. 수직 날개(1440)에 의한 수동 조절이 이루어진 후 선회 제어부(1600)는 풍향센서(1620)로부터 전송되는 풍향 정보를 이용하여 구동 모터(1560)의 작동을 제어하여 타워 이송 유닛(1500)을 이동시킴으로써 풍력발전유닛(1300)의 선회각도를 능동적으로 정밀하게 조절한다.
다음, 전력 케이블(1900)의 꼬임을 풀기 위한 경우를 설명하면, 제어기(1610)는 메모리 장치(1630)로부터 제공되는 풍력발전유닛(1300)과 타워부(1400)의 선회 정보를 이용하여 외부로 노출된 전력 케이블(1900)의 꼬인 횟수를 확인하여, 꼬인 횟수가 설정된 꼬임 횟수의 이상인 경우에 꼬임 방향의 반대방향으로 선회하도록 구동 모터(1560)를 작동시켜서 전력 케이블(1900)의 꼬임을 풀어준다. 본 실시예에서는 상기 설정된 꼬임 횟수가 4회인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 8에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 풍력발전 시스템이 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 풍력발전 시스템(2000)은, 부유 구조물(2100)과, 복수개의 계류 로프(1200)들과, 풍력발전유닛(1300)과, 타워부(1400)와, 타워 이송 유닛(1500)과, 선회 제어부(미도시)를 포함한다. 도 8에 도시된 부유식 풍력발전 시스템(2100)에서 부유 구조물(2100)을 제외한 나머지 구성들은 도 1에 도시된 실시예에서 대응하는 구성과 대체로 동일하므로, 여기서는 부유 구조물(2100)에 대해서만 설명한다.
부유 구조물(2100)은 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유한다. 부유 구조물(2100)은 부력을 제공하는 복수개의 부유체(2110)들과, 타워부(1400)를 지지하는 타워 지지 모듈(1130)과, 복수개의 부유체(1110)들과 타워 지지 모듈(1130)을 일체로 연결하는 복수개의 수직 주기둥(2120)들과, 복수개의 부유체(1110)들을 연결하는 복수개의 부유체 연결대(2150)들과, 타워 지지 모듈(1130)과 복수개의 부유 연결대(2150)들을 연결하는 복수개의 수직 보조기둥(2160)들을 구비한다.
복수개의 부유체(2110)들은 수중에 전체가 잠긴 상태로 부력을 제공한다. 복수개의 부유체(2110)들은 선회축선(X)을 중심으로 원주방향을 따라서 등간격으로 이격되어서 배치된다.
타워 지지 모듈(1130)의 구성 및 작용은 도 1에 도시된 실시예의 타워 지지 모듈(1130)과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
복수개의 수직 주기둥(2120)들 각각은 연직방향을 따라 길게 연장된다. 수직 주기둥(2120)의 상단 및 하단 각각에는 타워 지지 모듈(1130)과 부유체(1130)가 결합된다.
복수개의 부유체 연결대(2150)들 각각은 선회축선(X)을 중심으로 원주방향을 따라서 이어지도록 연결되며, 복수개의 부유체(1110)들과 결합된다.
복수개의 수직 보조기둥(2160)들 각각은 연직방향을 따라 길게 연장된다. 수직 보조 기둥(2160)의 상단 및 하단 각각에는 타워 지지 모듈(1130)과 부유체 연결대(2150)가 결합된다.
추가적으로 부유 구조물(2100)의 하부와 둘레에는 복수개의 연결 막대들이 형성된다.
도시되지는 않았으나, 부유 구조물(2100)의 하면과 둘레면에는 양식망이 설치된다. 그에 따라, 부유 구조물(2100)의 내부 공간(2190)에는 가두리 양식이 가능한 어장이 형성된다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
1000 : 부유식 풍력발전 시스템 1100 : 부유 구조물
1110 : 부유체 1120 : 부유체 연결대
1130 : 타워 지지 모듈 1131 : 레일부
1133 : 제1 레일 1136 : 제2 레일
1139 : 랙 기어 1140 : 감쇠판
1200 : 계류 로프 1300 : 풍력발전유닛
1310 : 나셀 1311 : 발전기
1320 : 로터 지지부 1330 : 로터 유닛
1331 : 회전 샤프트 1333 : 블레이드
1400 : 타워부 1410 : 제1 기둥
1420 : 제2 기둥 1430 : 제3 기둥
1440 : 수직 날개 1450 : 제1 지지대
1460 : 제2 지지대 1470 : 타워 보조 연결대
1500 : 타워 이송 유닛 1510 : 몸체부
1520 : 제1 차륜 유닛 1521 : 제1 차륜 샤프트
1523 : 제1 내륜 1525 : 제1 외륜
1530 : 제2 차륜 유닛 1531 : 제2 차륜 샤프트
1533 : 제2 내륜 1535 : 제2 외륜
1540 : 구동 샤프트 1550 : 피니언 기어
1560 : 구동 모터 1600 : 선회 제어부
1610 : 제어기 1620 : 풍향센서
1630 : 메모리 장치

Claims (12)

  1. 부력에 의해 수중에 일부가 잠긴 상태로 부유하는 부유 구조물;
    상기 부유 구조물의 위에 위치하는 풍력발전유닛;
    상기 부유 구조물의 위에서 상기 풍력발전유닛을 지지하는 타워부; 및
    상기 타워부를 상기 부유 구조물에 대해 이동시키는 타워 이송 유닛을 포함하며,
    상기 풍력발전유닛은 수평방향으로 연장되어서 회전축선을 중심으로 축회전하는 회전 샤프트와, 상기 회전 샤프트에 결합된 복수개의 블레이드들을 구비하며,
    상기 타워부는 상기 부유 구조물에 대해 높이방향을 따라서 연장되는 선회축선을 중심으로 축회전이 가능하며,
    상기 부유 구조물은 상기 타워부를 아래에서 지지하는 타워 지지 모듈을 구비하며,
    상기 타워 지지 모듈은 상기 선회축선을 중심으로 하는 원형의 레일부를 구비하며,
    상기 타워 이송 유닛이 상기 레일부를 따라서 이동함으로써 상기 타워부가 상기 부유 구조물에 대해 상기 선회축선을 중심으로 축회전하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레일부는 래크 기어를 구비하며,
    상기 타워 이송 유닛은 상기 래크 기어와 맞물리는 피니언 기어와, 상기 피니언 기어를 회전시키는 구동 모터를 구비하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레일부는 제1 레일과, 상기 제1 레일보다 반경방향 바깥에 위치하는 제2 레일을 구비하며,
    상기 타워 이송 유닛은 상기 제1 레일 상에서 구르는 내륜과, 상기 제2 레일 상에서 구르는 외륜과 상기 내륜과 상기 외륜을 연결하는 차륜 샤프트를 구비하는 차륜 유닛을 구비하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 차륜 유닛은 상기 레일부의 길이방향 상에서 차례대로 복수개가 배치되는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 레일부는 상기 제1 레일과 상기 제2 레일의 사이에 위치하는 래크 기어를 더 구비하며,
    상기 타워 이송 유닛은 상기 래크 기어와 맞물리는 피니언 기어와, 상기 피니언 기어를 회전시키는 구동 모터를 구비하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 타워 이송 유닛은 상기 레일부 상에서 원주방향을 따라서 복수개가 구비되는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 타워 이송 유닛의 작동을 제어하는 선회 제어부를 더 포함하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 타워 이송 유닛은 구동 모터를 구비하며,
    상기 선회 제어부는 상기 구동 모터를 제어하는 제어기와, 풍향을 감지하고 감지된 풍향 정보를 상기 제어기로 전송하는 풍향센서를 구비하며,
    상기 제어기는 상기 풍향 정보에 기초하여 상기 구동 모터를 제어하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 선회 제어부는 상기 타워부의 회전 정보가 저장된 메모리 장치를 더 구비하며,
    상기 제어기는 상기 회전 정보에 기초하여 상기 구동 모터를 제어하는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회전 정보를 이용하여 외부로 노출되는 전력 케이블의 꼬인 횟수를 확인하며,
    상기 꼬인 횟수가 설정된 횟수의 이상인 경우에 상기 전력 케이블이 꼬인 방향의 반대방향으로 상기 타워부가 회전하도록 상기 구동 모터를 작동시키는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 타워부에 고정되어서 설치되고 연직방향으로 세워진 판상의 수직 날개를 더 포함하며,
    상기 수직 날개는 상기 회전축선을 따라 배향되어서, 상기 수직 날개가 받는 바람의 힘에 의해 상기 회전 샤프트가 바람이 불어오는 방향을 따라 배치되도록 힘을 받는,
    부유식 풍력발전 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 타워 이송 유닛의 작동을 제어하는 선회 제어부를 더 포함하며,
    상기 풍력발전유닛의 방향은 상기 수직 날개에 의해 조절된 후 상기 선회 제어부에 의해 제어되는,
    부유식 풍력발전 시스템.
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