KR20090028972A - 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는, 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥(11)과, 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징(13), 및 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들(12)을 포함하는 풍차발전기(10); 풍차발전기(10)의 기둥(11) 주위를 둘러싸는 형태로 배치된 외곽 프레임(33), 및 외곽프레임(33)의 복수 개의 지점들로부터 기둥(10)까지 연장된 복수 개의 내부 지지부재들(34)로 구성된 외곽 분산형 부유구조물(30); 외곽 분산형 부유구조물(30)에 결합된 복수 개의 부력재(浮力材)들(32); 및 외곽 분산형 부유구조물(30)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함한다. 본 발명은 파도에 의한 부양력을 넓은 범위로 분산시킬 수 있는 분산형 부유구조물을 구비함으로써 파도에 의해 풍차의 기둥이 기울어지는 것을 방지하며 기둥과 부유구조물을 효과적으로 지지하여 수심이 깊은 해상에서도 강풍과 파도에 크게 영항받지 않고 안전하게 해상부유 풍력발전 설비를 유지 가동시킬 수 있는 장점이 있다.

해상, 부유, 풍력, 해상부유, 풍력발전, 육상풍력, 부력재, 부유구조물, 발전기, 기둥, 분산형, 부양력, 부력, 파도, 강풍, 외곽분산형, 방사분산형

Description

넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치{Sea floating wind turbine apparatus for generating electricity with a widely distributed floating structure}

본 발명은 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 특히 풍차발전기를 지지하는 부유구조물이 가능한 한 넓은 면적에 걸쳐 부력을 받도록 하고 풍차발전기의 기둥이 부유구조물에 효과적으로 지지되도록 함으로써 바람과 파도에 의한 충격을 최대한 고르게 분산시켜 해상에 설치된 풍력발전설비를 안전하게 가동할 수 있도록 하는 해상 부유 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

풍력은 지구상에 자연적으로 발생하는 무공해 에너지원으로서, 20세기 이래 전세계적인 산업화의 영향으로 석탄, 석유 등 화석연료가 점차 고갈되고 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 심각해지면서 최근 무공해 대체에너지인 풍력을 이용한 발전방식이 더욱 각광을 받고 있다.

풍력발전은 바람의 힘에 의해 회전하는 풍차의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존 의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열 공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 환경오염의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.

종래부터 풍력발전을 위하여 육상과 해상에 지지구조물을 설치하고 이 지지구조물에 풍차발전기를 설치하여 발전하는 기술은 이미 실용화되어 있는 형편이다. 그러나, 종래의 풍력발전 방식들은 다음과 같은 여러 가지 제약요소들을 가지고 있어 널리 활용되기가 어려웠다.

가. 육상 풍력 발전의 문제점

(1) 풍력 발전설비는 설비비가 비싸므로 풍력을 효과적으로 사용하기 위해 설비간의 이격 거리가 필요한데, 육상 풍력 발전에 있어서는 설비간의 이격거리를 확보하기 위해서 필요한 점유 부지가 넓어진다. 그 결과 육상 풍력 발전은 부지의 구입이나 임대 비용이 많이 발생하게 되고, 부지확보 과정에서 인근 주민의 동의를 얻기가 어려우며 주민동의를 위한 협상과정에서도 적지 않은 비용이 수반된다.

(2) 또한 육상풍력발전의 건설비 중에서 상당 부분을 차지하는 송전설비의 비용을 줄이기 위해서는 여러 대의 풍력 발전 설비들을 집중하여 대단위로 건설하는 것이 좋지만, 우리나라와 같이 평야지대가 많지 않은 현실에서는 부지확보에 제한을 받는다는 문제점이 있다.

(3) 뿐만 아니라 육상풍력은 지형의 영향을 많이 받기 때문에, 해상 풍력발전 설비에 비하여 일반적으로 풍황이 좋지 못하며 위치에 제한을 받는다는 문제점이 있다. 그리고 육상풍력 발전설비는 그 설치 지점의 지반에 따라 기초 공사가 달라져야 한다. 더욱이 육상 풍력에서 풍황이 좋은 곳은 대체적으로 산간 오지의 산 마루 지점이어서 기자재 수송 및 설치공사와 관리를 위해 도로와 송전선을 건설해야 하는 등의 비용이 많이 소요되고 실제로도 설치 공사와 유지관리가 어려운 단점이 있다.

나. 해상 풍력 발전의 문제점

(1) 종류: 해상 풍력 발전은 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식(浮游式)으로 나눌 수 있는데, 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해수면 이하의 수중에 기초공사를 하고 그 기초공사 위에 구조물을 설치한 후 풍차를 비롯한 발전설비를 설치하는 방식이고, 부유식은 해수면 위에 부유물(浮游物)을 띄우고 그 부유물 위에 발전설비를 설치하는 방식이다. 현재까지 실용화되어있는 해상 풍력 발전방식은 주로 고정식으로서 해안 근처의 수중에 지지구조물을 설치하고 그 위에 발전설비를 설치하고 있다.

(2) 해상풍력발전의 장점: 해상풍력은 공유수면인 바다에 풍력발전설비를 설치하므로 육상풍력에서 문제가 되었던 부지 문제나 설치 규모의 제한 또는 주민 동의 문제가 비교적 적게 발생하고, 해수면의 형상이 일정하므로 주변 지형의 영향을 작게 받아 바람의 상황도 육상풍력에 비하여 좋은 장점이 있다.

(2) 고정식 해상풍력발전의 단점: 해상풍력방식 중 고정식 해상풍력발전방식은 수중에 기초를 해야 하므로 공사비가 많이 든다는 점에서 육상풍력에 비해 불리한 점이 있다. 즉, 풍력발전설비를 설치하는 곳이 육지에서 멀어지면 멀어질수록 육지 지형의 영향을 작게 받아 풍황이 좋아지는 장점은 있지만, 이러한 장점에 반비례하여 수심이 깊어짐으로 인해 건설비가 증가하게 되는 것이다.

또한 고정식 육상 풍력 발전 방식에서 특히 문제가 되었던 기초공사의 문제도 해수면 이하의 지질이 일정하지 않아 지반에 따라 기초공사가 달라져야 한다는 점에서 더욱 문제가 된다. 여기에 더하여, 육지에서 멀지 않은 수심이 얕은 해안은 대개 어장으로 활용되고 있으므로, 풍력 발전 설비 고유의 문제점인 소음이 인근 마을까지 영향을 미쳐 민원이 발생할 소지가 있다. 그나마 민원을 극복하고 설치하는 경우에도 해안의 설치가능 면적이 제한됨으로 인해 결국 설치 가능 용량과 대수에 제한을 받게 되는 문제점이 있다.

(3) 해상 부유 풍력 발전의 장단점: 해상 부유 풍력 발전 방식은 기초 공사를 할 필요없이 해수면 위에 풍력 발전 설비를 부유(浮游)시켜 발전하므로, 상술한 고정식 해상 풍력 발전 방식이 갖는 문제점들, 특히 수면 이하의 기초 공사와 구조물 제작에 드는 비용 및 육지로부터의 거리가 멀어짐으로 인해 수심에 따른 공사비가 증가되는 문제를 해소할 수 있다. 그리고, 해상 부유 풍력 발전은 해저 지반의 차이에 따르는 기초공사 및 수면 이하 구조물 설치의 문제를 해결해 준다.

다만, 해상 부유 풍력 발전 방식은 태풍과 같이 강한 바람이 불면 풍차의 날개에 가해지는 힘이 커서 전체의 구조물의 안전에 큰 문제가 생긴다. 그러나, 풍속이 일정 이상이면 발전을 정지하고 날개의 각도를 바람의 방향과 나란하게 하는 기능을 갖추면 해상 돌출물의 바람에 대한 강도와 부유물의 부유 능력과 강도만 고려해서 설계해도 설치와 운용이 가능하다.

도1은 종래의 단일 부유구조물을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1')의 개략 도이다. 최근에는 해상 부유 풍력을 개발하려는 움직임이 많으며, 현재 실험 단계에 있는 방법은 도1에 도시된 바와 같이 해상에 단일 부력재(浮力材)를 갖는 부유 풍력 발전장치를 설치하는 것이다. 이 방법은 해저 지반에 기초를 설치하고 앵커(23)를 고정시킨 다음 단일 부력재(20)를 이용하여 풍차발전기(10) 및 그 지지구조물을 해수면(2)에 부유시키는 방법으로서, 해수면 위에 떠 있는 단일 부력재(20)가 바람과 파도의 영향으로 흔들리기는 하지만 단일 부력재(20)가 해저면(3)에 고정된 앵커(23)와 로프(21)로 연결되어 있으므로 설치 위치를 크게 벗어나지는 않는다.

단일 부력재(20)는 바지(barge)선과 같은 형태로 제작될 수 있으며, 주로 철판이나 합성수지 혹은 콘크리트로 만든다.

도1에서 풍차발전기(10)는 바람에 의해 회전가능하게 설치된 날개들(12), 단일 부력재(20)위에 설치된 기둥(11) 및 상기 기둥(11)의 상부에 설치되어 상기 날개들(12)의 회전축과 발전기가 내장된 발전기 하우징(13)으로 구성된다.

도1에서 도면부호 23은 해저면(3) 밑의 해저지반 속으로 매립되어 고정된 매립식 앵커를 가리키며, 도면부호 22는 자체 중량에 의해 해저면(3)에 가라앉은 중력식 앵커를 가리킨다.

도1에 도시된 바와 같은 종래의 단일 부력재를 이용한 해상 부유 풍력 발전 장치(1')는 단일 부력재(20)의 제작이 간단하고 해수면(2) 이하의 지지 구조물의 건설비용이 절감되는 효과가 있으나, 바람의 풍속이 높을 경우 풍차발전기(10)를 지지하는 수직 구조물인 기둥(11)이 기울어져 발전 능력을 떨어뜨리고 특히 파고가 높을 경우 풍력 발전설비의 수직운동이 많아져서 발전설비나 지지 구조물의 수명에 문제가 발생하는 단점이 있었다.

일반적으로 바람은 수평적으로 불게 되므로 풍차의 회전축이 바람의 방향과 나란하지 않으면 바람을 이용하는 동력 발생이 작고 바람이 심하면 풍차의 날개가 수면에 닿아 파손되는 경우도 있다.

따라서 이러한 문제를 보완하여 풍차의 회전축이 항상 수평을 유지하도록 하는 장치를 부착한 경우도 알려져 있으나, 이와 같이 풍차의 회전축을 수평으로 유지하는 장치를 도1의 종래의 단일 부력재를 이용한 해상 부유 풍력 발전 장치(1')에 적용한다 하더라도, 강풍이 불면 풍차의 기둥(11)이 풍차의 회전축과 이루는 각도가 작아지고 풍차의 날개(12)가 기둥(11)과 접촉하게 되어 날개(12)가 파손되므로 수평 유지 장치의 기능도 한계가 있게 된다.

결국 해상부유 풍력발전장치에 있어서, 풍차의 회전축이 항상 수평을 유지하도록 하는 방법은, 처음부터 풍차의 기둥(11)이 많이 기울어지지 않도록 하는 방법에 비하여 근본적으로 효용성이 떨어진다고 할 수 있다.

상술한 내용을 정리하면, 종래의 육상풍력발전은 부지 문제, 발전설비 설치 가능 대수의 제한성, 설치와 기자재 수송의 어려움, 산간 오지에 소규모로 설치되어 관리가 어렵다는 점 등의 문제점들이 있었으며, 종래의 해상풍력발전 중 고정식 해상 풍력발전방식은 해상 구조물 시공상의 어려움과 많은 비용의 소요, 그리고 설치 대상 지역이 다양하여 지반 구조가 달라진다는 점으로 인한 설계의 다양성과 어려움이 있고, 이에 더하여 육상으로부터 멀리 떨어지면 수심이 깊어져 기초부분 설 치비용이 증가하고 수심이 깊지 않은 수면은 대개 어장으로 활용됨으로 인해 지역 주민과 마찰이 생길 우려가 높으며 수심이 깊지 않은 해안 면적이 제한되어 설치 대수가 제한된다는 점 등 여러 가지 문제가 있었다. 그리고 종래의 단일 부유 구조물을 이용한 해상 부유 풍력 발전 방식은 파도와 바람에 의한 영향을 많이 받을 수 밖에 없어서 안정적인 가동을 보장하기 어려운 단점이 있었다.

상기 문제들을 해결하기 위하여 본 발명은 부력의 분산에 뛰어난 효과가 있는 새로운 타입의 부유구조물을 이용해 풍차발전기를 효과적으로 지지하도록 함으로써 해상의 강한 바람과 파도로부터 풍차발전기가 받는 영향을 최소화하여 안전성과 발전효율을 향상시킨 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래의 육상 및 해상풍력발전설비가 갖고 있는 문제점들을 해소하여 무공해 청정에너지인 풍력의 활용을 촉진하고 발전원가를 낮출 수 있는 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는, 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥(11)과, 상기 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징(13), 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들(12)을 포함하는 풍차발전기(10); 상기 풍차발전기(10)의 기둥(11) 주위를 둘러싸는 형태로 배치된 외곽 프레임(33), 및 상기 외곽프레임(33)의 복수 개의 지점들로부터 상기 기둥(10)까지 연장된 복수 개의 내부 지지부재들(34)로 구성된 외곽 분산형 부유구조물(30); 상기 외곽 분산형 부유구조물(30)에 결합된 복수 개의 부력재(浮力材)들(32); 및 상기 외곽 분산 형 부유구조물(30)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는, 풍차발전기(10); 상기 풍차발전기(10)의 기둥(11)을 중심으로 방사형으로 배치된 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)을 가진 방사분산형 부유구조물(30a); 상기 방사분산형 부유구조물(30a)에 결합된 복수 개의 부력재들(32); 및 상기 방사분산형 부유구조물(30a)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는, 풍차발전기(10); 상기 풍차발전기(10)의 기둥(11)의 하부에 결합되며 물에 뜨는 재질로 형성된 단일부력재(20a); 상기 단일부력재(20a)를 중심으로 방사형으로 배치된 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)을 가진 방사분산형 부유구조물(300); 상기 방사분산형 부유구조물(300)에 결합된 복수 개의 부력재들(32); 및 상기 방사분산형 부유구조물(300)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는 부력의 분산에 적합한 형태로 부유구조물을 배치하고 풍차의 기둥을 부유구조물에 효과적으로 지지시킴으로써 해상의 바람과 파도로부터 풍력발전설비를 안전하게 유 지하고 보다 많은 발전량을 얻을 수 있도록 하는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 해상 부유 풍력 발전 장치는 기존의 육상 풍력과 해상 풍력이 갖는 제반 문제점들을 해소하고 설비비를 값싸게 하며 설치 대수에 제한받지 않아 결과적으로 풍력 등 대체에너지의 이용을 높이고 발전원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치의 구성 및 작용 효과에 대해 상세히 설명한다.

일반적으로 어떤 구조물을 수면 위에 띄우기 위해 사용하는 부력재의 구성은, ① 단일 부력재, ② 분산 부력재 및 ③ 단일 부력재와 분산 부력재를 혼합한 복합 부력재로 구분될 수 있다. 이 중에서 단일 부력재는 도1에 도시된 종래의 해상 부유 풍력 발전 장치에 사용된 것과 같으며, 철판, 합성수지, 콘크리트 등을 이용하여 제작한다. 다음으로 분산부력재는 다수의 부력재를 비교적 넓은 면적에 걸쳐 연결하여 설치함으로써 부력이 한 군데에 집중되지 않고 전체 면적에 골고루 분산될 수 있도록 한 것으로서, 큰 파도나 강한 바람에 의한 흔들림을 최소화하는데 효과적이며, 부력재는 내부를 보강한 합성수지 관이나 합성수지 드럼, 철판, 콘크리트, 고무 튜브 등을 이용하여 만든다. 그리고, 복합부력재는 상기 단일 부력재와 분산부력재를 적절히 조합한 것을 가리킨다.

본 발명에서는 분산부력재를 이용한 해상 부유 풍력 발전 장치들을 제1 및 제2실시예로서 도2 내지 8에서 설명하고, 복합부력재를 이용한 해상 부유 풍력 발 전 장치를 제3실시예로서 도9 및 도10에서 설명한다.

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 외곽분산형 부유구조물(30)을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1)의 개략도이고, 도3 및 4는 도2에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1)의 사시도 및 평면도이다.

도2 내지 도4를 참고하면, 해상 부유 풍력 발전 장치(1)는 해수면 위에 외곽분산형 부유구조물(30)이 떠 있고, 상기 외곽 분산형 부유구조물(30)에 의해 풍차발전기(10)가 지지되는 구조를 취하고 있다. 도2 및 도3을 참고하면, 외곽 분산형 부유구조물(30)은 풍차발전기(10)의 기둥(11) 주위를 둘러싸는 형태로 배치된 사각형 등 다각형 형태의 외곽 프레임(33)을 포함하며, 상기 외곽프레임(33)의 안쪽으로부터 풍차발전기(10)의 기둥(11)까지 복수 개의 내부 지지부재들(34)이 연결되어 있다. 그리고 외곽 분산형 부유구조물(30)에는 외곽 프레임 자체(33)가 부력재로서의 역할을 하거나 혹은 복수 개의 부력재들(32)이 외곽프레임(33)에 추가로 결합되어 있어서, 외곽분산형 부유구조물(30)이 쉽게 물 위에 뜰 수 있다. 도3 및 도4에 해상 부유풍력발전장치(1)의 외곽 프레임(33)의 형태가 사각형으로 된 것을 도시하였으나, 이는 본 발명을 구현하는 일예에 불과하며, 그 밖에도 오각형, 육각형 등의 다양한 다각형 형태들로 외곽프레임(33)을 제작할 수 있다.

상기 외곽 분산형 부유구조물(30)을 구성하는 외곽 프레임(33) 및 내부 지지부재들(34)은 사각 형태 또는 파이프 형태로 강성과 부력을 많이 받을 수 있도록 제작될 수 있으며, 재질은 강도와 내식성을 고려하여 경제적인 금속 혹은 합성수지등 다양한 재질로써 제작될 수 있다.

도2 내지 도4에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1)의 부유구조물(30)을 "외곽분산형 부유구조물"이라고 하는 이유는 풍차발전기(10)를 중심으로 하여 풍차발전기(10)로부터 일정거리 만큼 떨어진 외곽에 다각형의 외곽프레임(33)이 설치되고 그 외곽프레임(33)에 부력재들(32)이 결합됨으로써 외곽프레임(33)의 모양대로 부력이 분산되어 작용하기 때문이다.

상기 풍차발전기(10)의 기둥(11)은 내부 지지부재들(34)에 의해 외곽프레임(33)과 결합되며, 그 결과 외곽프레임(33)을 포함한 외곽 분산형 부유구조물(30)의 전체는 풍차발전기(10)와 일체형으로 연결된다.

바다에 파도가 없을 수 없지만 파도의 크기는 제한되어 있으므로, 파도의 크기보다 외곽분산형 부유구조물(30)의 길이가 크면, 외곽 분산형 부유구조물(30)의 일부는 물속에 잠기고 일부는 물위에 떠 있게 되어 전체적으로 수평을 이루게 되므로 기둥(11)의 기울어짐을 작게 할 수 있다.

한편, 바람과 파도의 영향에 의해 기둥(11)은 굽힘 응력을 받게 되며, 특히 외곽 분산형 부유구조물(30)과 기둥(11)이 연결되는 부분에 응력 집중이 일어난다. 이러한 응력집중을 줄이고 외곽분산형 부유구조물(30)의 내구성 및 경제성을 높이기 위하여, 본 발명에서는 교량의 사장교에 적용하는 방법과 같이 제1로프들(31) 및 제2로프들(35)로 기둥(11)과 외곽 분산형 부유구조물(30)의 중간 중간을 서로 연결하여 기둥(11)의 강성을 보강해 준다. 즉, 로프는 인장 응력에 강한 소재이므로, 복수 개의 로프들(31,35)로 외곽프레임(33)의 각 부분들과 기둥(11)을 연결하여 기둥(11)을 입체적으로 지지하면 강한 바람과 파도에 의해 외곽 분산형 부유구 조물(30)과 기둥(11)사이에 작용하는 굽힘응력을 상쇄할 수 있는 것이다.

그리고 기둥(11)을 외곽 분산형 부유구조물(30)에 보다 효과적으로 지지하기 위하여 기둥(11)의 위 부분과 아래 부분을 각각 로프들로써 외곽 분산형 부유구조물(30)에 연결시키는 것이 바람직하다. 즉, 기둥(11) 중 수면위로 노출되는 부분은 제1로프들(31)에 의해 외곽 분산형 부유구조물(30)의 각 부에 연결하고, 기둥(11) 중 수면 아래로 잠기는 부분은 제2로프들(35)에 의해 외곽 분산형 부유구조물(30)의 각 부에 연결하는 것이다. 이와 같이 로프들(31,35)을 이용하여 외곽 분산형 부유구조물(30)과 기둥(11)을 연결함으로써 비용을 줄이면서 외곽 분산형 부유구조물(30)의 강성을 높일 수 있게 된다.

본 발명에서는 일단 도2 내지 도4에 외곽 분산형 부유구조물(30) 중의 외곽프레임(33)만이 로프들(31,35)에 의해 기둥(11)과 연결된 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없으며 그밖에도 외곽 프레임(33) 안쪽의 내부 지지부재들(34)의 중간 중간을 기둥(11)과 연결시키는 것도 가능하다.

한편, 도2 내지 도4의 외곽 분산형 부유구조물(30)은 파도에 의한 상하 운동뿐만 아니라 수평 운동도 하므로 외곽 분산형 부유구조물(30)에 결합된 각각의 부력재(32)와 부력재(32) 사이를 로프(미도시)로 연결하여 일정 간격을 유지하도록 함으로써 부력재들(32)과 외곽 분산형 부유구조물(30)간의 연결부에 작용하는 응력을 줄이도록 하는 것이 바람직하다.

상기 외곽 분산형 부유구조물(30)에 결합된 부력재들(32)은 각형이나 원통형으로 형성하는 것이 바람직하며, 도2 내지 도4에는 외곽프레임(33)에만 부력재(32) 가 결합된 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정되지 않고 내부 지지부재들(34)에도 부력재(32)를 결합시키는 것이 가능하다.

도2를 참고하면, 본 발명의 해상 부유 풍력 발전 장치(1)가 조류나 바람, 풍랑에 의해 밀려가지 않도록 한 곳에 고정시켜 두기 위한 계류장치로서 앵커들(22,23)을 이용한 것이 도시되어 있다.

외곽 분산형 부유구조물(30)은 로프(21)에 의해 연결된 앵커들(22,23)에 의해 해저면(3)에 지지된다. 앵커의 종류로는, 해저면(3)의 암반을 굴착하고 매립함으로써 위치를 고정시킨 매립식 앵커(23)와 앵커 자체의 자중(自重)에 의해 해저면에 가라앉아 고정되는 중력식 앵커(22)가 있다.

해상 부유 풍력 발전 장치의 계류(anchoring)는 해상 부유 풍력의 중요한 부분으로서, 어떤 종류의 앵커를 사용할 것인가는 해저면(3)의 조건에 의하여 결정된다. 해저면(3)이 암반인 경우에는 암반을 굴착하여 앵커(23)를 심고 로프(21)로 외곽 분산형 부유구조물(30)과 연결시키는 방법이 효과적이며, 해저면(3)이 모래나 뻘로 이루어진 경우에는 중량물의 중력에 의해 가라앉는 중력식 앵커(21)가 적당하다.

그러나 중력식 앵커를 충분히 무겁게 제작하기 위해서는 제작비용이 많이 소요되므로, 일단 작은 무게의 중력식 앵커를 해저에 던져 넣은 다음 전기도금의 원리를 이용하여 바닷물 속에 녹아 있는 고형물들이 중력식 앵커에 엉겨 붙도록 함으로써 중량을 증가시키는 것이 바람직하다. 즉, 해저면에 절연이 되지 않은 전선을 포설하고 전류를 흘려주면 전기 도금의 원리에 의하여 바닷물에 녹아있는 고형물이 전선에 엉겨 붙어 중량이 증가하게 되는 것이다.

이와 같이 전류에 의한 계류장치의 중량 증대 방안은 전류의 크기에 비례하여 고형물의 석출되므로 일정한 시간이 소요된다. 그러나, 통상의 경우 풍력 발전설비를 발주한 시점으로부터 설비가 현장에 도착하는 시점까지는 상당한 시일이 걸리게 되므로, 풍력 발전설비를 발주한 후 수중에 중력식 앵커를 설치하고 전선을 포설하여 계속적으로 전류를 통해주면 해상풍력발전설비가 현장에 설치될 시점에는 계류장치의 중량이 충분히 증가되어 있게 된다.

다만 계류장치의 중량이 형성된 이후에도 형성된 중량의 유지와 전선이 해수에 의해 부식되는 것을 방지하기 위하여 소량의 전류를 계속하여 공급해 줄 필요가 있다.

또한, 여러 대의 해상 부유 풍력 발전 장치들(1)을 설치할 경우 각각의 풍력발전장치들이 각각 간격을 유지하면서 서로 엮여 파도에 의한 영향을 적게 받도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 도2 내지 도4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 해상 부유 풍력 발전 장치(1)는 외곽분산형 부유구조물(30)이 받는 부력을 넓은 면적으로 골고루 분산시킬 수 있어서 풍차를 지지하는 기둥이 큰 파도나 강한 바람에 의해 기울어지는 것을 최소화할 수 있으며, 그 결과 풍차의 축을 바람의 방향과 최대한 나란하게 유지할 수 있어서 발전량을 증대시킬 수 있게 된다.

도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 방사분산형 부유구조물(30a)을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1a)의 개략도이고, 도6은 도5에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1a)의 평면도이다. 도5 및 도6에 도시된 본 발명의 제2실시예는 제1실시예와 비교하여 풍차발전기(10)의 기둥(11)을 지지하는 분산형 부유구조물이 기둥(11)을 중심으로 방사형으로 뻗은 형태로 되어 있다는 점에서 차이가 난다.

도6을 참고하면 본 발명의 제2실시예에서의 방사분산형 부유구조물(30a)의 구조를 잘 알 수 있다. 방사분산형 부유구조물(30a)은 풍차의 기둥(11)을 중심으로 방사형으로 배치된 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)로 구성되는데, 상기 각 방사형 프레임 부재들(36)의 일단은 기둥(11)에 고정되고, 타단은 바깥쪽을 향하여 위치한 상태에서 인접한 방사형 프레임 부재의 타단과 제3로프(37)를 통해 서로 연결된다. 그리고 상기 방사형 프레임 부재들(36)은 복수 개의 부력재들(32)이 결합되어 있어서 해수면 위로 떠오르게 된다.

상기 각 방사형 프레임 부재(36)는 하나의 긴 관으로 전체를 형성하는 것보다는 일정길이의 강관들 혹은 합성수지관들을 그 플랜지들을 서로 맞대어 결합하는 방식으로 직선형으로 쭉 연결하여 만드는 것이 바람직하며, 관의 굽힘 응력에 대한 내력을 보강하기 위하여 관의 내부에 보강구조물을 삽입한다(도7 및 도8 참조).

또한, 제2실시예의 해상 부유 풍력 발전 장치(1a)에 있어서도 제1실시예의 경우와 마찬가지로, 방사분산형 부유구조물(30a)이 받는 굽힘 응력을 줄여주기 위하여 제1로프들(31) 및 제2로프들(35)로 방사형 프레임 부재들(36)과 풍차의 기둥을 서로 연결해 준다.

도7 및 도8은 도6에 도시된 방사형 프레임 부재(36)의 내부 구조도들로서, 도7은 도6에서 A-A선을 따라 절단한 상태를 도시하며, 도8은 도6에서 B-B선을 따라 절단한 상태를 도시한다.

도7을 참고하면, 방사형 프레임 부재(36)를 구성하는 관(管, 360)또는 사각관들은 그 플랜지들(361)을 서로 맞댄 상태에서 플랜지들을 볼트에 의해 결합시키거나 혹은 용접 등의 방법에 의해 서로 결합시킨다. 도7에서 오른쪽에 위치하는 관(360)은 그 내부 구조를 보여주기 위하여 측단면도로서 도시하였다. 관(360)의 내부에는 금속 혹은 특수 플라스틱과 같이 좋은 강성을 발휘할 수 있는 소재로 만들어진 보강구조물(362)이 삽입되는데, 이 보강구조물(362)은 관(360)의 내부 벽면과 접촉하고 있어서 관(360)이 휘어지는 것을 막아주는 뼈대와 같은 역할을 수행한다.

도7 및 도8을 참고하면 관(360)의 내부에 삽입된 보강구조물(362)은 관(360)의 길이방향을 따라 뻗은 4개의 직선 보강재들(363) 및 상기 4개의 직선 보강재들(363)의 사이를 서로 지그재그 식으로 연결하여 트러스(truss) 형태의 보강구조를 형성하는 제1보강재들(364)과 제2보강재들(365)로 구성된다. 도7 및 도8에서 제1보강재들(364)은 상하로 위치한 직선보강재들(363)을 세로 방향으로 지그재그 연결하며, 제2보강재들(365)은 좌우로 위치한 직성보강재들(363)을 가로 방향으로 지그재그 연결한다.

도8에 도시된 바와 같이 보강구조물(362)이 관(360)의 내부면에 접촉하여 관(360)을 지지함으로써 방사형 프레임 부재들(36)이 파도에 의해 굴절되는 것을 방지할 수 있다.

도9는 본 발명의 제3실시예에 따른 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)의 개략도 이고, 도10은 도9에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)의 평면도이다. 도9 및 도10에 도시된 본 발명의 제3실시예는 단일 부력재(20a)와 방사분산형 부유구조물(300)을 결합시켜 복합형 부유구조물(30b)을 구성한다는 점에서 상술한 제1실시예 및 제2실시예와 차이가 있다.

본 발명의 제3실시예에서 복합형 부유구조물(30b)의 일부를 이루는 단일 부력재(20a)는 실질적으로 종래의 단일 부력재(20, 도1 참조)와 동일한 것이며, 마찬가지로 복합형 부유구조물(30b)의 나머지를 이루는 방사분산형 부유구조물(300)은 제2실시예의 방사분산형 부유구조물(30a)과 실질적으로 동일한 것이다.

도9 및 도10을 참고하면, 단일 부력재(20a)의 위에 풍차발전기(10)의 기둥(11)이 설치되며, 상기 단일 부력재(20a)에는 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)이 방사 형태로 설치된다. 상기 각 방사형 프레임 부재들(36)의 일단은 단일 부력재(20a)에 고정되며, 그 타단은 바깥쪽을 향해 위치하고 인접한 방사형 프레임 부재의 타단과 제3로프(37)로써 서로 연결된다. 그리고 방사형 프레임 부재들(36)에는 복수 개의 부력재들(32)이 결합되어 있어서 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)가 충분히 해수면 위로 떠오를 수 있게 된다.

도9 및 도10에 도시된 복합형 부유구조물(30b)에 있어서도 단일 부력재(20a)와 방사분산형 부유구조물(300)의 연결부에 많은 응력이 작용하는 것을 줄이기 위해 각 구조물들을 로프로 각각 연결한다. 즉, 단일 부력재(20a)와 방사형 프레임 부재들(36)을 로프들(31,35)을 이용해 서로 연결하고, 방사형 프레임 부재들(36)과 기둥(11)을 로프들(31,35)로써 서로 연결하는 한편, 방사형 프레임 부재들(36)의 상호간도 로프로 서로 연결하여, 부유구조물의 각 연결부분에 걸리는 응력을 줄여주는 것이 바람직하다.

또한 앞서 제2실시예에서 설명한 바와 같이, 제3실시예의 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)의 경우에도 방사분산형 부유구조물(300)을 구성하는 각 방사형 프레임 부재들(36)은 복수 개의 강관들 혹은 합성수지관들이 그 플랜지들을 서로 맞댄 상태로 쭉 연결되어 만들어지며, 각 방사형 프레임 부재(36)를 구성하는 관들의 내부에는 보강구조물이 삽입되어 관의 굽힘 응력을 줄여준다.

도9 및 도10에 도시된 복합형 부유구조물(30b)에 있어서 단일 부력재(20a) 및 부력재들(32)은 여러 개의 공기를 넣은 고무 튜브나 스티로폼, 합성수지 공드럼과 같이 내구성이 좋고 부력이 큰 부력재로 구성될 수 있으며, 혹은 속이 비어있거나 스티로폼과 같이 충진재를 채운 각형 혹은 원통형의 부유체로서 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치는 해상에 풍력 발전 설비를 부유시켜 설치할 수 있어서 육상풍력발전에 비하여 바람의 장애물이 없어 풍속이 빠르며 고르며, 인근 주민이 없으므로 민원이 없고 부지 구입비용이 필요하지 않는 등 여러 가지 장점이 있다. 또한 본 발명의 해상 부유 풍력 발전 장치는 파도에 의한 부양력이 넓은 범위에 걸쳐서 분산되도록 하고 풍차발전기를 지지하는 기둥의 기울어짐을 최소화함으로써 해상부유 풍력발전설비를 안전하게 유지 가동시킬 수 있는 장점이 있다.

도1은 종래의 단일 부유구조물을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1')의 개략도이다.

도2는 본 발명의 제1실시예에 따른 외곽분산형 부유구조물(30)을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1)의 개략도이다.

도3 및 4는 도2에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1)의 개략적인 사시도 및 평면도이다.

도5는 본 발명의 제2실시예에 따른 방사분산형 부유구조물(30a)을 갖는 해상 부유 풍력 발전 장치(1a)의 개략도이다.

도6은 도5에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1a)의 평면도이다.

도7 및 도8은 도6에 도시된 방사형 프레임 부재(36)의 내부 구조도들로서, 도7은 도6에서 A-A선을 따라 절단한 상태를 도시하며, 도8은 도6에서 B-B선을 따라 절단한 상태를 도시한다.

도9는 본 발명의 제3실시예에 따른 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)의 개략도이다.

도10은 도9에 도시된 해상 부유 풍력 발전 장치(1b)의 평면도이다.

*도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1',1,1a,1b: 해상부유풍력발전장치 2: 해수면

3: 해저면 10: 풍차발전기

11: 기둥 12: 날개

13: 발전기 하우징 20,20a: 단일부력재

21: 로프 22: 중력식 앵커

23: 매립식 앵커 30: 외곽분산형 부유구조물

30a: 방사분산형 부유구조물 30b: 복합형 부유구조물

31,35,37: 로프 32: 부력재

33: 외곽 프레임 34: 내부 지지부재

36: 방사형 프레임 부재 300: 방사분산형 부유구조물

360: 관(管) 361: 플랜지(flange)

362: 보강구조물 363: 직선 보강재

364: 제1보강재 365: 제2보강재

Claims (7)

1. 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥(11)과, 상기 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징(13), 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들(12)을 포함하는 풍차발전기(10);

   상기 풍차발전기(10)의 기둥(11) 주위를 둘러싸는 형태로 배치된 외곽 프레임(33), 및 상기 외곽프레임(33)의 복수 개의 지점들로부터 상기 기둥(10)까지 연장된 복수 개의 내부 지지부재들(34)로 구성된 외곽 분산형 부유구조물(30);

   상기 외곽 분산형 부유구조물(30)에 결합된 복수 개의 부력재(浮力材)들(32); 및

   상기 외곽 분산형 부유구조물(30)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
2. 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥(11)과, 상기 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징(13), 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들(12)을 포함하는 풍차발전기(10);

   상기 풍차발전기(10)의 기둥(11)을 중심으로 방사형으로 배치된 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)을 가진 방사분산형 부유구조물(30a);

   상기 방사분산형 부유구조물(30a)에 결합된 복수 개의 부력재들(32); 및

   상기 방사분산형 부유구조물(30a)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
3. 해수면에 대해 대체적으로 수직방향으로 배치된 기둥(11)과, 상기 기둥의 상부에 설치된 발전기 하우징(13), 및 상기 발전기 하우징에 회전가능하게 설치된 복수 개의 날개들(12)을 포함하는 풍차발전기(10);

   상기 풍차발전기(10)의 기둥(11)의 하부에 결합되며 물에 뜨는 재질로 형성된 단일부력재(20a);

   상기 단일부력재(20a)를 중심으로 방사형으로 배치된 복수 개의 방사형 프레임 부재들(36)을 가진 방사분산형 부유구조물(300);

   상기 방사분산형 부유구조물(300)에 결합된 복수 개의 부력재들(32); 및

   상기 방사분산형 부유구조물(300)의 복수 개의 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 복수 개의 로프들;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 방사형 프레임 부재들을 서로 연결하는 복수 개의 로프들(37)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 방사형 프레임 부재들의 각각은 직선형으로 결합된 복수 개의 관(管)들(360)을 가지며, 상기 관들은 그 플랜지들(flanges, 361)이 서로 맞붙은 상태로 연결되고, 상기 관들(360)의 내부에는 관의 내벽면과 접촉되는 보강구조물(362)이 삽입된 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부유구조물의 각 지점들과 상기 기둥(11)을 연결하는 로프들은, 상기 부유구조물의 복수 개의 지점들과 상기 기둥 중의 해수면 위로 노출되는 부분을 연결하는 복수 개의 제1로프들(31), 및 상기 방사분산형 부유구조물의 복수 개의 지점들과 상기 기둥 중의 해수면 아래로 잠기는 부분을 연결하는 복수 개의 제2로프들(35), 그리고 상기 부유구조물의 각 부분들을 상호간 연결하는 제3로프들;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 로프(21)에 의해 상기 부유구조물에 연결되고 자중(自重)에 의해 해저면에 고정되는 중력식 앵커(22)를 더 포함하며, 상기 중력식 앵커(22)는 해저에서 절연되지 않은 전선과 연결되고, 상기 전선을 통해 흐르는 전류에 의해 해수 중의 고형물이 상기 전선의 주변에 석출되어 부착됨으로써 상기 중력식 앵커의 중량이 증가하는 것을 특징으로 하는, 넓은 분산 부유 구조물을 가진 해상 부유 풍력 발전 장치.

Images