KR20090041616A - 부유식 멀티 풍력터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수개의 풍력터빈이 설치되어 해상에서 바람을 이용하여 전기를 생산하는 부유식 멀티 풍력터빈에 있어서, 하나의 부유식 지지대에 다수개의 풍력터빈을 설치하되, 상기 부유식 지지대가 균형을 유지하는 범위 내에서 일방의 풍력터빈의 타워의 길이를 타방의 풍력터빈의 타워의 길이와 상이하게 하여 일방의 풍력터빈에서 형성된 난류에 의한 타방의 풍력터빈의 간섭을 최소화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 멀티 풍력터빈을 제공한다.
본 발명에 따르면 일방의 풍력터빈에서 형성된 난류에 의한 타방의 풍력터빈의 간섭을 최소화하도록 일방의 풍력터빈의 타워 길이를 타방의 풍력터빈의 타워길이와 상이하게 함으로써 부유식 멀티 풍력터빈의 발전효율을 높일 수 있고 풍력터빈의 타워의 단면을 익형형상으로 형성함으로써 바람의 방향에 따라 풍력터빈의 방향이 자동으로 제어되기 때문에 별도의 방향제어장치의 설계가 불필요하여 풍력터빈을 지탱하는 타워의 제작시 구조물의 재료의 양을 줄임으로써 생산비용을 줄이고 중량을 줄일 수 있는 이점이 있다.
풍력터빈, 해상발전, 풍차

Description

부유식 멀티 풍력터빈{Floating multi wind-turbine}
본 발명은 다수개의 풍력터빈을 설치하여 육지에서 멀리 떨어진 해상에서 바람을 이용하여 전기를 생산하는 부유식 멀티 풍력터빈에 관한 것이다.
최근에 풍력터빈을 설치함에 있어서, 내륙이라는 설치공간을 벗어나 해상의 저난류, 고풍속등의 우수한 풍력자원을 이용하기 위해 대륙붕 연안과 수심이 30M이상에서 900M이내에 이르는 해상까지 풍력터빈을 설치하여 풍력발전의 영역을 확대해 나아가고 있다.
해상에서 발전을 위해 이용할 수 있는 바람은 내륙보다 에너지가 크고, 내륙에서 멀어질수록 난류의 특성이 작아지기 때문에 풍력터빈을 이용한 발전에 있어서 훨씬 효율적이다.
그리고 수심 30M이상에서 얻을 수 있는 풍력발전량이 내륙부근의 해상에서 얻은 풍력발전량보다 월등히 높다고 보고되고 있다.
이렇게 해안에서 멀리 떨어진 곳에서 얻을 수 있는 우수한 풍력자원을 활용 하기 위해 풍력터빈이 수중에서 지지될 수 있는 여러형태의 구조물들이 제안되고 있다.
그 중 하나로 미국특허 US7156586에서와 같이 부유체에 의해 수중에서 지지되는 풍력터빈이 제안되고 있다.
도 1은, 종래의 싱글형태의 부유식 풍력터빈의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 2는, 종래의 싱글형태의 부유식 풍력터빈의 부유식 지지대를 나타낸 사시도이다.
도 1및 도2에서 도시한 종래의 싱글형태의 부유식 풍력터빈은 미국특허 US7156586에서 제안된 것이다.
도 1에서 도시된 부유식 풍력터빈은 하나의 풍력터빈(10)이 부유식 지지대(20)에 설치되는 싱글형태의 구조물이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 일반적인 풍력터빈(10)은 바람을 회전에너지로 바꾸는 블레이드(11)와 블레이드(11)의 회전에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전기(미도시)가 포함된 나셀(nacelle)(12)과 상기 나셀(12)에 설치되어 상기 블레이드(11)를 지면으로부터 일정높이에 위치시키기 위한 타워(13)를 포함하여 구성된다.
위와 같은 일반적인 구성을 갖는 풍력터빈(10)을 해상에서 지지하기 위한 부유식 지지대가 마련되는데, 도2에서 도시한 바와 같이, 종래의 싱글 형태의 부유식 풍력터빈의 부유식 지지대(20)는 부유체(byoyancy bodies)(26)들이 연결부재(25)에 의하여 연결되어 삼각뿔 형태로 구성되는 형태도 있고 1개의 부유체로 제작된 경우 도 있다.
위와 같은 싱글 형태의 부유식 풍력터빈은 풍력터빈 하나마다 부유식 지지대를 비롯한 제반 설비를 갖추어야 하지만 파랑하중에 대해 견딜 수 있는 추가적인 구조물이 필요하지 않기 때문에 현재 동일한 풍력터빈을 다수 지탱하는 멀티 부유식 풍력터빈에 비해서는 경제적으로 비용이 적게 드는 것으로 판단되고 있다. 그러나 수직의 높은 구조물을 해상에서 균형을 잡기에는 멀티 형태의 부유식 풍력터빈에 비해 덜 효과적이며 실제로 심한 폭풍 조건에서는 거의 균형을 잡기가 어려운 것으로 실제 적용을 통해 확인이 되기도 하였다.
도 3은, 종래의 멀티 형태의 부유식 풍력터빈의 구성을 나타낸 그림이다.
멀티 형태의 풍력터빈의 한 예로서 도 3에서 도시한 바와 같이, 원반형태의 1개의 부력식 지지대(40)위에 4개의 풍력터빈(30:31,32,33,34)이 설치된 풍력 터빈이 제안되고 있다.
앞서 언급하였듯이 싱글 형태에 비해 도 3의 멀티 형태의 부유식 풍력터빈은 해상에서 균형을 유지하기에는 유리하지만 구조물이 크기 때문에 파랑에 견딜 수 있는 추가적인 구조설계가 필요하여 제작비용은 더 드는 것으로 검토되고 있다.
앞서 살펴본 싱글형태의 부유식 풍력터빈의 경우 제반설비를 갖추는데 비용은 적게 들지만 풍력터빈을 해상에서 균형을 잡는데 문제점이 있고 종래의 멀티형태의 부유식 풍력터빈의 경우는 해상에서 균형을 유지하기에는 유리하지만 풍력터빈간의 난류간섭효과를 최소화하기 위한 부유식 구조물의 제작에 비용이 많이 들기 때문에 현재 해상에서 풍력자원을 활용하기에는 경제적인 측면에서 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 해상에 다수개의 풍력터빈을 하나의 부유식 지지대 안에 설치하되, 다수의 풍력터빈 간의 난류의 간섭을 최소화함으로써 멀티 형태의 풍력터빈의 제작비용을 최소화하고, 싱글 형태의 부유식 풍력터빈이 확보하기 어려운 해상에서의 균형능력을 극대화하며, 바람의 방향에 따라 풍력터빈의 방향이 제어될 수 있도록 타워의 형태를 제작함으로써 타워제작에 들어가는 비용을 줄이고 중량도 줄임으로써 해상에서의 풍력터빈의 운용의 효율을 극대화하는 부유식 멀티 풍력터빈을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 과제는 다수개의 풍력터빈이 설치되어 해상에서 바람을 이용하여 전기를 생산하는 부유식 멀티 풍력터빈에 있어서, 하나의 부유식 지지대에 다수개의 풍력터빈을 설치하되, 상기 부유식 지지대가 균형을 유지하는 범위 내에서 일 방의 풍력터빈의 타워의 길이를 타방의 풍력터빈의 타워의 길이와 상이하게 하여 일방의 풍력터빈에서 형성된 난류에 의한 타방의 풍력터빈의 간섭을 최소화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 멀티 풍력터빈에 의해 실현된다.
바람직하게는 상기 부유식 지지대는 풍력터빈이 설치되는 3개의 부유체로 구성되되, 상기 3개의 부유체는 다수개의 프레임으로 연결되어 삼각형 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 풍력터빈의 타워의 단면을 익형형상으로 제작하여 부유식 멀티 풍력터빈의 최적설계를 구현한다.
본 발명에 따른 부유식 멀티 풍력터빈은 일방의 풍력터빈에서 형성된 난류에 의한 타방의 풍력터빈의 간섭을 최소화하도록 일방의 풍력터빈의 타워 길이를 타방의 풍력터빈의 타워길이와 상이하게 함으로써 부유식 멀티 풍력터빈의 발전효율을 높일 수 있고 풍력터빈의 타워의 단면을 익형형상으로 형성함으로써 바람의 방향에 따라 풍력터빈의 방향이 자동으로 제어되기 때문에 별도의 방향제어장치의 설계가 불필요하여 풍력터빈을 지탱하는 타워의 제작시 구조물의 재료의 양을 줄임으로써 생산비용을 줄이고 중량을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는, 본 발명에 따른 부유식 멀티 풍력터빈의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는, 도 4에서 도시된 부유식 멀티 풍력터빈의 측면을 나타낸 측면도이다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 일 실시예의 부유식 지지대는 3개의 부유체(200)가 3개의 프레임(300)으로 연결되어 삼각형 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 각 부유체(200)에는 각각의 풍력터빈(100A,100B)의 타워(110A,110B)가 고정설치된다. 이중 후방에 위치한 풍력터빈(100B)의 타워(110B)는 전방에 위치한 나머지 2개의 풍력터빈(100A)의 타워(100A)보다 길이가 길게 형성된다.
이는 삼각형 형태의 좁은 공간에 배치되어 있는 상기 3개의 풍력터빈에서 발생하는 난류가 서로 다른 풍력터빈에 영향을 끼쳐 풍력터빈의 회전에너지를 감소시키는 것을 방지하기 위함이다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 후방에 위치한 부유체(200)에 고정설치된 풍력터빈(100B)의 타워길이(L2)는 전방에 위치한 2개의 풍력터빈(100A)의 타워길이(L1)보다 크게 형성됨을 알 수 있다. 그 길이의 차이(L2-L1)는 전체 부유식 멀티 풍력터빈의 균형이 유지되는 범위 내에서 풍력터빈들 사이의 거리 및 풍력터빈의 크기 등을 고려하여 다양하게 형성될 수 있다.
위와 같은 구성으로 후방에 위치한 풍력터빈(100B)은 그 상대적 높이로 인하여 앞서 있는 풍력터빈(100A)의 후방에서 발생하는 난류의 영향을 훨씬 덜 받게 된다.
또한, 삼각형 구조를 이루는 부유식 풍력터빈은 3개의 풍력터빈이 좁은 공간에서 안정된 구조를 갖은 상태로 설치됨으로써 싱글 형태의 풍력터빈구조보다 해상 상에서 훨씬 더 균형성능을 높여 극한 해상조건에서도 견딜 수 있기 때문에 유용한 풍력자원을 최대한 활용할 수 있으며, 복구비용을 최소화할 수 있는 것이 특징이다.
그리고 이러한 삼각형 형태의 부유식 멀티 풍력터빈은 바람의 방향에 따라 부유식 풍력터빈 전체가 회전하기에 유리한 구조를 갖는다.
도 6은, 도 5에서 도시된 A-A’및 B-B’의 단면의 형상을 나타낸 단면도이다.
일 실시예의 경우, 도 6에서 도시한 바와 같이 풍력터빈의 타원단면(A-A’,B-B’)을 익형(airfoil)형태로 형성하여 바람의 방향에 따라 움직일 수 있는 제어력을 얻을 수 있도록 하였다.
따라서 육상에서는 풍력터빈의 타워가 땅에 고정되기 때문에 임의의 방향에 대해서 풍력터빈의 하중을 최소화하기 위하여 원형 단면구조를 가져야 하지만 해상에서는 풍력터빈의 타워를 원형 단면구조로 할 필요가 없어짐으로 해서 원형 단면으로 제작될 때보다 구조적으로 더 튼튼하면서 가볍고 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이는 풍력터빈의 타워가 고정되어 있는 경우에는 임의의 바람의 방향에 대해 타워에 작용하는 바람의 힘을 최소화할 수 있는 단면이 원형이기 때문에 풍력터빈의 타워의 단면을 원형으로 제작하는 것이 이상적이지만, 해상환경에서와 같이 풍력터빈이 부유식 지지대에 설치된 경우에는 바람의 방향에 따라 저항이 최소화되는 방향으로 풍력터빈의 타워가 돌아가기 때문에 익형으로 제작할 수 있기 때문이다.
위와 같은 익형단면의 경우, 단면적에 대해서 원형 단면에 비해 저항계수가 훨씬 작기 때문에 결국 측면으로 작용하는 힘을 덜 받기 때문에 풍력터빈의 타워제작에 들어가는 구조물의 재료의 양을 줄일 수 있으면서도 굽힘 모멘트에 더 강한 구조로 제작이 가능하고 또한 이를 통해 간접적으로 부유물이 지탱해야 하는 중량도 줄일 수 있기 때문에 부유식 멀티 풍력터빈의 제작비용을 줄일 수 있다.
이렇게 풍력터빈의 타워의 단면을 익형으로 제작하여 최적설계를 할 경우 현재 싱글 형태의 부유식 풍력터빈의 제작비보다 비싼 것으로 판단되는 멀티 형태의 부유식 풍력터빈의 제작비용을 줄일 수 있다.
또한, 싱글 형태의 부유식 풍력터빈에서 문제되는 균형유지에 대하여 멀티형태의 부유식 풍력터빈은 큰 이점이 있기 때문에 일 실시예는 제작비용의 부담없이 향후 해양에서 사용되는 부유식 멀티 풍력터빈를 제작하는데 있어서 큰 기여를 할 것이라고 판단된다.
이상에서 본 발명에 따른 부유식 멀티 풍력터빈의 바람직한 일 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술 분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
도 1은, 종래의 싱글형태의 부유식 풍력터빈의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 2는, 종래의 싱글형태의 부유식 풍력터빈의 부유식 지지대를 나타낸 사시도이다.
도 3은, 종래의 멀티형태의 부유식 풍력터빈의 구성을 나타낸 그림이다.
도 4는, 본 발명에 따른 부유식 멀티 풍력터빈의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는, 도 4에서 도시된 부유식 멀티 풍력터빈의 측면을 나타낸 측면도이다.
도 6은, 도 4및 도 5에서 도시된 A-A’및 B-B’의 단면의 형상을 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100A,100B : 풍력터빈 110A,110B : 풍력터빈의 타워
200 : 부유체

Claims (3)

  1. 다수개의 풍력터빈이 설치되어 해상에서 바람을 이용하여 전기를 생산하는 부유식 멀티 풍력터빈에 있어서,
    하나의 부유식 지지대에 다수개의 풍력터빈을 설치하되,
    상기 부유식 지지대가 균형을 유지하는 범위 내에서 일방의 풍력터빈의 타워의 길이를 타방의 풍력터빈의 타워의 길이와 상이하게 하여 일방의 풍력터빈에서 형성된 난류에 의한 타방의 풍력터빈의 간섭을 최소화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 멀티 풍력터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부유식 지지대는 풍력터빈이 설치되는 3개의 부유체로 구성되되,
    상기 3개의 부유체는 다수개의 프레임으로 연결되어 삼각형 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 부유식 멀티 풍력터빈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력터빈의 타워의 단면은 익형형상을 갖는 것을 특징으로 하는 부유식 멀티 풍력터빈.
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