KR20110059613A

KR20110059613A - 해안 윈드 터빈을 견인하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20110059613A
Application number: KR1020117005859A
Authority: KR
Inventors: 프른 구너 니엘센
Original assignee: 스타토일 에이에스에이
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-06-02
Also published as: HK1161330A1; BRPI0917983B1; KR101478397B1; GB2462602A; BRPI0917983A2; GB0814648D0; WO2010018359A3; US20110179986A1; CN102171446B; JP2011530676A; CA2733700A1; EP2318701A2; ES2534241T3; GB2462602B; PT2318701E; US8770126B2; EP2318701B1; JP5468072B2; CA2733700C; CN102171446A

Abstract

본 발명은 수역에 대해 플로팅 윈드 터빈(1)을 이동시키는 방법으로서, 플로팅 윈드 터빈(1)은 상단부에 나셀이 있는 부양체를 구비하고, 상기 방법은, 플로팅 윈드 터빈(1)을 수역에서 부동(浮動)시키는 것과, 부양체를 경사진 자세로 유지하여 나셀을 물이 닿지 않게 유지하면서 플로팅 윈드 터빈(1)을 견인하는 것을 포함한다. 윈드 터빈(1)이 경사진 자세로 유지되기 때문에, 윈드 터빈이 수직 자세인 경우보다 더 얕은 물의 지역을 통과하여 견인될 수 있다.

Description

해안 윈드 터빈을 견인하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TOWING OFFSHORE WIND TURBINES}

본 발명은 플로팅 윈드 터빈의 분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 해안 플로팅 윈드 터빈을 이동시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

여기에 사용되는 바와 같이, "플로팅 윈드 터빈(floating wind turbine)"이라는 용어는 사용 중에 수역에서 부동(浮動)하도록 설계된 종류의 윈드 터빈 구조를 의미한다. 종래의 플로팅 윈드 터빈은 전기 발전기와 기타 구성요소들을 수용하는 나셀을 상단부에 갖는 부양체와, 로터를 포함한다. 부양체는 일반적으로 길고 형태가 대략 원통형이다.

해안 플로팅 윈드 터빈은 매우 큰 구조체이어서, 부양체는 통상적으로 길이가 100-200 미터이고 로터 블레이드의 길이는 40-70 미터 범위이다. 윈드 터빈은 육지에서 또는 보호된 물에서 조립되어, 윈드 터빈을 바닷가의 원하는 지점으로 이동시키는 것은 상당한 도전 과제이다.

한가지 방안은 윈드 터빈이 사용되는 것과 동일한 거의 수직의 자세로 부동시키면서 윈드 터빈을 물을 통해 설치 장소로 견인하는 것이 있다. 이는 발전기가 물 아래에 침수되거나 물이 튀기는 것을 방지하는데, 이는 그 구성요소들을 손상시킬 수 있다.

이 방법의 경우, 윈드 터빈의 설치 장소와 이 장소까지의 가능한 경로의 선택이 윈드 터빈이 통과해야 하는 수심에 의해 제한된다. 어느 지역의 물이 얕으면, 플로팅 윈드 터빈은 그 지역을 통해 견인될 수 없어 일부 설치 장소에 도달할 수 없게 하거나, 오직 더 긴 우회 경로를 통해서만 도달할 수 있다.

별법으로서, 실질적으로 수평 자세로 윈드 터빈을 운반하는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이들 방법은 정교한 로터 및 발전기 구성요소들을 물에서 멀어지게 하도록 윈드 터빈이 지지되는 대형 용기를 필요로 한다. 예컨대, 영국 특허 제2423108호는 소켓 보강재를 이용하는 해안 윈드 터빈 등의 장착 구조체를 개시하고 있다. 장착 구조체는 선내의 다른 용기에 실질적으로 수평(눕힌) 자세에서 소켓으로 운반된다. 다른 예에서, 영국 특허 제2344843호는 해안 발전 설비용 중력 고정 시스템을 개시하고 있다. 발전 설비는 다시 선내의 다른 용기에 실질적으로 수평(눕힌) 자세에서 설치 장소로 견인된다. 그러한 용기들의 사용은 윈드 터빈의 운반 비용을 증가시키고 그 크기는 또한 경로 또는 설치 지점의 선택을 제한할 수 있다는 것을 알 것이다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 제거 및 경감하는 것이다.

본 발명에 따르면, 수역에 대해 플로팅 윈드 터빈을 이동시키는 방법으로서, 플로팅 윈드 터빈은 상단부에 나셀이 있는 부양체를 구비하고, 상기 방법은, 플로팅 윈드 터빈을 수역에서 부동(浮動)시키는 것과, 부양체를 경사진 자세로 유지하여 나셀을 물이 닿지 않게 유지하면서 플로팅 윈드 터빈을 견인하는 것을 포함하는 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법이 제공된다.

따라서, 본 발명자들은 나셀 내의 정교한 구성요소들을 물이 닿지 않게 유지하면서 그 견인량이 상당히 감소되도록 윈드 터빈이 운반되는 동안에 윈드 터빈을 부동시키는 것이 가능하다는 것을 알았다. 사용전에는 종래의 수직 형태로 배치될 수 있다. 이 방식으로, 윈드 터빈은 수직 자세로 견인되는 경우보다 더 얕은 물을 통과할 수 있어, 가능한 설치 장소의 개수가 증가된다. 동시에, 전체 윈드 터빈을 운반하기에 충분히 큰 용기에 대한 필요성이 회피된다.

수면에 대한 경사 각도는 유용한 견인량 감소를 제공하는 데에 중요하다. (수면으로부터) 정확한 경사 각도는 환경에 따라 변경될 수 있고 20 내지 60°의 범위일 수 있다. 일반적으로, 터빈을 물이 닿지 않게 유지하면서 유용한 견인량 감소를 달성하기 위하여 30 내지 50°가 적절하다. 이들 각도는 평균 각도를 나타낸다. 파도와 바람의 영향으로 인해 평균에 가까운 진동 정도가 몇몇 존재한다.

윈드 터빈의 본체는 그 지지 구조체를 형성한다. 지지 구조체는 통상적으로 설치될 때에 대체로 대부분 침수되는 하부 지지 구조체와, 설치될 때에 대체로 홀수선 위에 있는 타워를 포함한다.

본 발명에서, 플로팅 윈드 터빈을 경사진 자세로 배치하기 위하여, 부동 부재가 하부 지지 구조체에 부착될 수 있다. 부동 부재는 하부 지지 구조체에 상방의 힘을 가함으로써 윈드 터빈 시스템이 경사진 자세로 위치 및 유지되게 할 수 있다. 부동 부재는 임의의 적절한 부양 구조체, 예컨대 부양 탱크일 수 있다. 윈드 터빈이 설치 장소에 도달하면, 부동 부재가 제거되고 윈드 터빈은 작동에 적절한 실질적인 수직 자세를 취할 수 있다. 이에 따라, 부동 부재는 바람직하게는 착탈 가능하지만, 적소에 유지되고 예컨대 물을 가득차게 함으로써 밸러스트될 수 있다.

플로팅 윈드 터빈이 경사진 동안에, 윈드 터빈을 정역학적 평형 상태로 유지하도록 부동 부재로부터의 힘이 조절될 수 있는 것이 바람직하다. 이 힘은 부동 부재를 예컨대 물로 밸러스트함으로써 조절될 수 있다.

부동 부재에 추가로 또는 대안적으로, 타워에 하방의 힘을 가함으로써 원하는 경사진 자세로 윈드 터빈 시스템의 위치 결정 및 유지를 더 가능하게 하도록 웨이트가 부착될 수 있다. 웨이트가 부착되면, 바람직하게는 웨이트는 지지 구조체에 가해지는 벤딩 모멘트를 최소하하도록 홀수선 바로 위에서 타워에 부착되는데, 벤딩 모멘트는 초과되면 구조적 손상의 원인이 될 수 있다. 그러나, 윈드 터빈 시스템이 너무 침수되는 것을 피하기 위하여, 그러한 웨이트가 추가되지 않는 것이 가장 바람직한데, 너무 침수되면 윈드 터빈 발전기에 대한 손상 우려가 있다. 웨이트가 추가되면, 부동 부재에 관한 전술한 이유로, 웨이트는 탈착 가능한 것이 바람직하다.

부동 부재는 라인, 예컨대 와이어, 체인 또는 케이블에 의해 지지 구조체에 부착될 수 있다. 윈드 터빈을 수직 자세에서 경사진 자세로 이동시키기 위하여, 라인의 길이는, 예컨대 라인을 부동 부재 또는 지지 구조체로 감아올림으로써 감소될 수 있다.

또한, 중간 경사 각도에 배치되는 동안에 윈드 터빈의 복원 모멘트를 극복하기 위하여 한쌍의 거의 수평력(즉, 결합력)이 시스템에 가해질 수 있다. 그러한 거의 수평력은 예컨대 예인선에 의해, 또는 (해안에 가까운 경우에) 와이어가 육지에 고정된 윈치에 의해 가해질 수 있다. 이 논의에서, "거의 수평력"은 그 수직 성분보다 상당히 큰 수평 성분을 갖는 힘을 의미한다.

전술한 바와 같이, 윈드 터빈 발전기는 통상적으로 나셀과 로터를 포함한다. 이들 성분의 결합된 중력 중심은 대체로 지지 구조체의 종축으로부터 오프셋된다. 지지 구조체의 중력 중심과 부양 중심이 지지 구조체의 종축에 가깝게 배치되기 때문에, 경사진 윈드 터빈이 불안정한 평형 상태에 있어 지지 구조체의 종축을 중심으로 회전하는 경향이 있을 수 있다. 이는 손상을 피하기 위해 윈드 터빈 발전기를 물 밖에 유지하는 것이 중요하기 때문에 문제일 수 있다.

이 문제를 처리하기 위하여, 라인을 부동 부재로부터 지지 구조체에 부착하도록 라인의 "크로우풋" 또는 "계류삭(bridle)" 구조가 사용될 수 있다. 이 구조는 라인의 Y형 구조를 형성하기 위하여 지지 구조체의 어느 한쪽을 부동 부재로부터 라인에 연결하는 2개의 라인, 예컨대 와이어 또는 케이블의 길이로 형성될 수 있다. 이는 지지 구조체의 종축을 중심으로 한 시스템의 회전 안정성을 보장하는 데에 일조한다.

윈드 터빈 시스템의 견인 중에, 파도가 시스템을 여기시켜 시스템을 진동시킬 수 있다. 발전기에 대한 물 손상을 방지하기 위하여 시스템의 임의의 여기를 최소화 또는 제거하는 것이 바람직하다.

가장 강력한 파도는 대체로 약 5 내지 20초의 주기를 갖는다. 따라서, 히브(시스템의 거의 순수한 수직 변위)로 인한 시스템의 여기를 감소 또는 제거하기 위하여, 경사진 시스템의 자연적인 진동 주기는 바람직하게는 대략 5 내지 20초 범위 밖에 있어야 하고, 즉 가장 강력한 파도의 주기와 동일하지 않아야 한다. 바람직하게는, 시스템의 자연적인 주기는 20초보다 커야 한다. 그러나, 시스템의 강성이 이를 위해 실제 선택되기에 너무 큰 경우와 같이 몇몇의 경우에, 시스템의 자연적인 주기들 중 일부는 5초보다 작을 수 있다.

그러한 시스템의 자연적 주기를 달성하고 히브와 피치 운동 간에 동역학적 상호 작용을 최소화하기 위하여, 중력 중심으로부터 지지 구조체 둘레의 홀수선까지의 거리는 이상적으로는 중력 중심으로부터 부양 탱크의 부착점까지의 거리와 대략 동일해야 한다.

피치(그 중력 중심을 중심으로 한 시스템의 회전)로 인한 시스템의 여기를 감소 또는 제거하기 위하여, 시스템의 부양 중심은 이상적으로는 중력 중심에 가까워야 한다.

따라서, 본 발명은 광범위한 관점에서 플로팅 윈드 터빈을 경사진 자세로 제공하는 것에 관한 것으로, 이에 의해 나셀이 물이 닿지 않게 유지되면서 플로팅 윈드 터빈이 사용되는 수직 형태에 있는 경우보다 더 낮은 견인량으로 윈드 터빈이 물을 통해 견인될 수 있다.

본 발명은 또한 그러한 형태의 플로팅 윈드 터빈 및 하나 이상의 플로트 및 선택적으로 하나 이상의 웨이트의 제공에 의해 그러한 형태로 유지되도록 된 플로팅 윈드 터빈에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 해안 플로팅 윈드 터빈을 구성하고, 윈드 터빈을 전술한 방법에 따라 설치 장소로 운반하며, 플로팅 윈드 터빈을 그 수직 형태로 배치하여 설치하는 것을 포함하는, 해안 플로팅 윈드 터빈의 설치 방법에 관한 것이다. 마지막 단계는 일반적으로 구조체를 해저에 매어 두거나 정박시키는 것을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 오직 예로서 이하의 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따르면, 윈드 터빈이 경사진 자세로 유지되기 때문에, 윈드 터빈이 수직 자세인 경우보다 더 얕은 물의 지역을 통과하여 견인될 수 있다.

도 1은 경사진 자세에서 플로팅 윈드 터빈의 바람직한 실시예에 작용하는 힘을 도시하고,
도 2는 플로팅 부재가 부착된 플로팅 윈드 터빈의 바람직한 실시예에 작용하는 힘을 도시하며,
도 3은 플로팅 부재가 부착되는 플로팅 윈드 터빈의 바람직한 실시예에 작용하는 힘을 도시하는데 거의 수평력이 시스템에 가해지고,
도 4는 타워의 길이방향 수직 단면에서 시스템의 중력 중심 지점을 도시하며,
도 5는 도 4에 도시된 것과 직교하는 평면에서 크로우풋(crow foot) 장치가 부착된 타워의 다른 수직 단면도이다.

도 1은 경사진 자세에서 플로팅 윈드 터빈(이하 "윈드 터빈")(1)의 바람직한 실시예에 작용하는 힘을 도시하고 있다. 윈드 터빈(1)은 지지 구조체(2)와 윈드 터빈 발전기(3)를 포함한다. 지지 구조체(2)는 하부 지지 구조체(4)와 타워(5)를 포함한다. 윈드 터빈 발전기(3)는 나셀(10)과 로터(11)를 포함한다. F_G는 윈드 터빈(1)의 중량이다. F_B는 윈드 터빈(1)의 부양력이다.

윈드 터빈(1)을 경사진 자세로 유지하기 위하여, 상방을 향하는 힘(F₁)이필요하다. 도 1에 도시된 바와 같이, F₁은 윈드 터빈(1)의 중력 중심 아래에 있는 하부 지지 구조체(4)의 위치로부터 작용해야 한다. 선택적으로, 부양 중심 위에 작용하는 하방을 향하는 힘(F2)이 또한 윈드 터빈(1)에 가해질 수 있다.

윈드 터빈(1)의 경사진 부동 자세는 안정적이어야 한다. 이는 지지 구조체(2)의 종축을 통과하는 수직 평면에서 힘과 모멘트의 안정적인 평형을 필요로 한다. 도 1에 지시된 힘을 고려하면, 이는 수학식 1과 2를 의미한다.

여기서, F_B, F₁, F_G 및 F₂는 상기 및 도 1에서 정의되고, x₁, x_G, x_B 및 x₂는 힘(F_B, F₁, F_G 및 F₂)이 각각 윈드 터빈(1)에 작용하는 수평 좌표이다.

힘(F₁, F₂)은 예컨대 도 2에 도시되는 바와 같이 하부 지지 구조체(4)에 부착된 부양 탱크(6) 및 홀수선(12)에 가깝게 타워(5)에 부착된 클럼프 웨이트(도시 생략) 각각에 의해 윈드 터빈(1)에 가해질 수 있다. 클럼프 웨이트가 타워(5) 위로 더 높이 부착되면, 윈드 터빈을 경사지게 하는 것과 관련하여 보다 효율적으로 기여하지만 타워(5)에 큰 벤딩 모멘트를 도입할 수 있고, 이는 타워(5)의 구조를 벤딩 또는 손상시킬 수 있다.

외력(F₂)을 윈드 터빈(1)에 가하는 것과 관련한 추가 문제점은, (부양에 대한 추가 수정이 이루어지지 않으면) 윈드 터빈(1)의 바람직하지 않은 더 큰 침수를 초래할 수 있다는 것이다. 따라서, 대부분의 경우에, F₂는 0으로 설정되어야 하고 클럼프 웨이트 또는 유사물이 부착되지 않는 것이 바람직하다.

이상적으로, 윈드 터빈(1)은 (작동 부분을 위해) 실제로 가능한 한 그 중력 중심(G)이 부양 중심(G)에 가깝게 있도록 설계되어야 한다(도 2 참조). G와 B를 가능한 한 함께 가깝게 위치 결정함으로써, 이는 필요한 F₁의 크기를 감소시킨다. 필요한 F₁의 크기는 또한 도 1에 도시된 바와 같이 F₁을 가능한 한 하부 지지 구조체(4)의 먼 아래쪽에서 윈드 터빈(1)에 작용하게 함으로써 감소될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 부양 탱크(6)는 물 등의 밸러스트(7)를 수용할 수 있다. 부양 탱크(6) 내에서 밸러스트(7)의 양을 변경함으로써, 힘(F₁)의 크기가 조절될 수 있다. 이는 또한 도 2에 도시된 라인(8)의 길이(L₁) 를조절함으로써 달성될 수 있다.

부양 탱크(6)는 라인(8)을 통해 하부 지지 구조체(2)에 연결된다. 라인(8)의 길이는 부양 탱크(6) 또는 하부 지지 구조체(6) 중 어느 한쪽에 부착되는 윈치(도시 생략)에 의해 단축 또는 연장될 수 있다. 라인(8)을 감아 올리거나 내림으로써, 홀수선(12) 아래에서 하부 지지 구조체(2)의 단부의 깊이(L₁)가 변경될 수 있다.

윈드 터빈(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 윈드 터빈(1)이 원하는 경사 각도(α)를 가질 때까지 깊이(L₁)를 변경하도록 라인(8)의 길이를 조절함으로써 경사진 자세로 배치될 수 있다.

윈드 터빈(1)을 초기 수직 위치에서 견인을 위한 경사진 자세로 이동시키기 위하여, 라인(8)은 초기에 비교적 길게 된다. 깊이(L₁)는 라인(8)을 감아올림으로써 감소된다. 동시에, 도 3에 도시된 바와 같이, 한쌍의 거의 수평력(FH₁, FH₂)이윈드 터빈(1)에 가해져 중간 경사 각도에서 윈드 터빈(1)의 복원 모멘트를 극복하고, 윈드 터빈은 실질적으로 수직 자세에서 안정적인 경사진 자세로 이동된다.

한쌍의 거의 수평력(FH₁, FH₂)은 예컨대 육지에 고정된 와이어와 함께 예인선 또는 윈치를 이용함으로써 가해질 수 있다. 필요한 수평력(FH₁, FH₂)의 크기는 90도에서 실제 경사진 자세까지 모든 경사 각도에서 윈드 터빈(1)의 정역학적 평형을 고려함으로써 결정될 수 있다.

실제 경사 각도(α)는 윈드 터빈(1)이 견인될 수심, 홀수선(12) 아래에서 윈드 터빈(1)의 길이 및 홀수선(12) 위에서 윈드 터빈 발전기(3)의 나셀(10)과 로터(11)의 높이를 고려하여 선택된다. 이상적으로, 윈드 터빈(1)은 홀수선(12) 위에 나셀(10)과 로터(11)가 젖지 않도록 이들을 위한 충분한 여유와 충분한 견인량 감소가 동시에 존재하도록 경사진 자세로 있어야 한다.

경사진 윈드 터빈(1)은 이상적으로는 그 종축을 중심으로 한 회전에 대해 안정적이어야 한다.

윈드 터빈(1)이 도 1에 도시된 바와 같이 경사진 자세로 견인되면, 대부분의 경우에 나셀(10)과 로터(11)의 결합된 중력 중심이 지지 구조체(2)의 종축(13) 위에 배치된다. 지지 구조체(2)의 중력 중심은 일반적으로 종축(13)에 가깝게 배치된다. 지지 구조체(2)의 부양 중심은 또한 일반적으로 종축(13)에 가깝게 배치된다. 그러나, 나셀(10)과 로터(11)의 결합된 중력 중심이 일반적으로 종축(13) 위에 배치되기 때문에, 이에 따라 전체 윈드 터빈(1)의 중력 중심(G)은 또한 도 4에 도시된 바와 같이 종축(13)의 약간 위에 배치된다. 따라서, 종축(13)을 중심으로 한 윈드 터빈(1)의 임의의 약간의 이동은 종축(13)을 중심으로 한 윈드 터빈(2)의 회전을 유발하는 경향이 있다. 이 불안정한 평형으로 인해, 윈드 터빈(1)은 종축(13) 아래에 이에 따라 홀수선(12)에 더 가깝게 배치되는 로터(11)에 의해 부동 자세를 종결하게 되고, 윈드 터빈은 파도가 더 쉽게 튀기거나, 어쩌면 심지어는 침수될 수도 있다.

이 현상을 피하기 위하여, 부양 탱크(6)는 종축(13)을 중심으로 한 윈드 터빈(1)의 중량 분배의 비대칭에 의해 도입되는 모멘트를 보상하기에 충분한 복원 모멘트를 도입하도록 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 윈드 터빈(1)의 부양 중심(B)은 대략 종축(13)에 배치되고 윈드 터빈(1)의 중력 중심(G)은 종축(13)으로부터 소정 거리(Y_G)에 배치된다. 지지 구조체(2)가 수평에 대해 각도(α)로 경사지는 경우, 종축(13)을 중심으로 윈드 터빈(1)의 중량으로부터 모멘트(M_G)가 존재하고, 이 모멘트는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, m은 윈드 터빈(1)의 질량이고, g는 중력으로 인한 가속도이며, θ는 종축(13)을 중심으로 한 회전 각도이다. θ는 안정성 이유로 작은 것으로 가정된다. 마이너스는 모멘트(M_G)가 불안정하다는 것을 지시한다.

모멘트(M_G)는 부양력(F1)[및 존재한다면 아마도 중력(F₂)]으로부터의 모멘트에 의해 보상될 수 있다. 부양 탱크(6)는 종축(13)으로부터 거리(Y_F)에 단일 라인(8)에 의해 지지 구조체에 연결될 수 있다. 부양력(F₁)으로부터의 복원 모멘트(M_F1)는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

시스템을 종축(13)을 중심으로 한 회전에 대해 안정되게 하기 위하여, 이에 따라 수학식 5와 6이 필요하다.

대부분의 경우에, mg>>F₁이다. 따라서, 수학식 6에 따르면, 안정성을 보장하기 위하여 Y_F>>Y_G가 필요하다. YF가 충분히 크지 않으면, 도 5에 도시된 바와 같이 부양 탱크(6)와 지지 구조체(2) 사이에서 라인(8)의 단부에 크로우풋(9)을 이용함으로써 증가될 수 있다.

크로우풋(9)이 사용되는 경우, 부양력(F₁)으로부터 종축(13)을 중심으로 한 모멘트(MF₁)는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, r은 지지 구조체(2)의 종축(13)으로부터 크로우풋(9)의 상단점(14)까지의 수직 거리이다. r>Y_F이기 때문에, 종축(13)을 중심으로 한 시스템의 회전 안정성은 크로우풋(9)을 이용함으로써 증가된다.

수학식 7은

(작은 회전 각도 θ를 가정)일 때에 유효하고, 여기서, β는 도 5에 지시된 바와 같이 크로우풋(9)의 2개의 라인(15) 사이의 각도의 1/2이다. 회전 각도(θ)가 tanβ/cosα를 초과하면, 크로우풋(9)의 라인(15) 중 하나가 늘어져 크로우풋(9)의 효과가 사라지게 된다. 그러나, 회전 각도(θ)가 대체로 작기 때문에, 크로우풋(9)은 지지 구조체(2)의 종축(13)을 중심으로 한 회전에 관하여 필요한 안정성을 달성하는 데에 효과적인 수단일 수 있다.

안정성은 또한 지지 구조체(2) 내에 수용된 내부 밸러스트의 위치를 조절함으로써 달성 또는 개선될 수 있다. 이 방식으로, YG<0[즉, 중력 중심이 지지 구조체(2)의 종축(13) 아래에 배치됨]가 얻어질 수 있다.

시스템의 정역학적 안정성 뿐만 아니라 그 동역학적 안정성을 고려하는 것이 또한 중요하다. 파도는 윈드 터빈(1)의 견인 중에 동역학적 여기의 가장 중요한 소스일 수 있다. 윈드 터빈(1)의 동역학적 반응은 이상적으로는 나셀(10)과 로터(11)의 가능한 습윤을 피하고 타워(5) 및 하부 지지 구조체(4)에 대해 가능한 동역학적 하중을 제한하기 위하여 가능한 한 크게 제한되어야 한다.

파도에 의해 유발되는 시스템에 대한 동역학적 하중의 전체 평가는 결합 동역학적 분석을 필요로 하고, 윈드 터빈(1) 자체, 부양 탱크(6) 및 가능한 클럼프 웨이트의 효과 뿐만 아니라 견인 와이어를 비롯한 모든 와이어 배열이 분석에 포함된다. 파도의 힘, 유체 역학적 질량 및 감쇠를 또한 고려해야 한다.

그러나, 일반적으로, 시스템의 자연적 주기가 가장 강력한 파도의 주기 범위, 즉 대략 5 내지 20초 범위 밖에 있는 것이 중요하다.

시스템의 자연적 주기의 초기 추산은 결합되지 않은 시스템을 고려함으로써 얻어질 수 있다. 부양 탱크(6) 및 그 위치의 파라미터는 정역학적 및 동역학적 평형 요건이 만족되도록 조절될 수 있다.

히브(heave) 운동이 시스템의 거의 전반적인 수직 변위이다. 그러한 진동에 포함되는 관성(M₃₃)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, M₃₃은 수직 히브 진동의 유효 질량이고, m은 [부양 탱크(6)와 가능한 클럼프 웨이트를 포함하는] 시스템의 전체 건조 질량이며, A33은 지지 구조체(2)의 히브에서 유체 역학적 질량이고, ρV는 변위된 물의 질량이다. 단순화를 위해, 부양 탱크와 가능한 클럼프 웨이트의 변위 및 추가된 질량은 윈드 터빈(1)의 대응하는 값보다 훨씬 작은 것으로 가정한다.

히브 방향에서 복원력 계수(C₃₃)는 경사진 지지 구조체(2)와 부양 탱크(6)의 수평면 영역으로부터 다음과 같이 결정될 수 있다.

여기서, R은 지지 구조체(2)의 반경(단순화를 위해, 원형 단면을 갖는 것으로 가정함)이고 A₁은 부양 탱크(6)의 수평면 영역이다.

순수한 감쇠되지 않은 히브 운동에 대해 시스템의 자연적인 주기(T₃)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

가장 강력한 파도(즉, 약 5 내지 20초로부터)의 주기 범위를 피하기 위하여, 이상적으로는 T₃은 약 20초보다 커야 한다.

히브와 피치 간에 너무 강한 결합을 피하기 위하여, C₃₃에 대한 수학식 9의 2개의 항목은 대략 동일해야 한다. 더욱이, 중력 중심(G)으로부터 지지 구조체(2)의 홀수선(12)까지의 거리는 중력 중심(G)으로부터 지지 구조체(2)에 대한 부양 탱크(6)의 부착점까지의 거리와 대략 동일해야 한다. 바꿔 말하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 중력 중심(G)은 지지 구조체(2)에 대한 부양 탱크(6)의 부착점과 지지 구조체(2)가 홀수선(12)을 통과하는 지점 간의 대략 중간이어야 한다.

또한, 피치를 고려하는 것이 중요하다. M₅₅는 윈드 터빈(1)의 중력 중심(G)을 중심으로 피치 회전으로 인한 시스템의 관성의 기여이고, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, I₅₅는 중력 중심(G)을 중심으로 한 윈드 터빈(1)의 관성 모멘트이고, A₅₅는 지지 구조체(2)의 침수된 부분의 유체 역학적 관성이다. 수학식 11의 제2 부분에 제공되는 대략적인 표현은 지지 구조체(2)가 일정한 반경을 갖는 길고 가는 실린더인 것으로 가정함으로써 얻어진다. 좌표(ξ)는 x=ξcosα가 되도록 지지 구조체(2)의 종축(13)을 따라 측정된다. L은 지지 구조체(2)의 침수된 부분의 길이이다.

유사한 방식으로, 피치 복원 계수(C₅₅)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, x_WL은 지지 구조체(2)의 수평면 영역의 중심의 x 좌표이다.

피치(T₅)에서 시스템의 자연적 주기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

시스템이 윈드 터빈(1)의 중력 중심(G)을 중심으로 대략 대칭적이지 않으면, 시스템의 결합된 히브-피치 등식을 풀어야 한다. 이는 형태 M₃₅ 및 C₃₅의 결합된 관성 및 복원 항목을 포함한다.

히브의 경우에서처럼, 동일한 이유를 위해, 이상적으로는 T₅>20초이다. 그러나, 예컨대 시스템의 강성이 특히 큰 특정한 경우에, T₅<5초가 보다 실용적인 선택이 된다.

수학식 12로부터, 수학식 14의 조건이 만족되면 시스템의 대칭이 개선된다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 수학식 11에서 관성 모멘트(I₅₅)는 중력 중심(G)에 가까운 최소값을 가져야 한다. 이 요건은 일반적으로 시스템의 건조 질량에 관한 기여를 위해 만족된다. 또한, 부양 중심(B)이 중력 중심(G)에 가까우면, 시스템의 유체 역학적 질량을 위해 대략 만족된다.

고려해야 하는 추가 운동 타입은 롤(roll)이다. 지지 구조체(2)의 종축(13)을 중심으로 한 롤은 대체로 다른 운동 모드(히브와 피치)에 대해 단지 약하게 결합된다. 롤의 관성은 대체로 유체 역학적 효과로부터 불충분한 기여만을 갖는다. 이는 롤 관성(M44)을 다음과 같이 나타낼 수 있다는 것을 의미한다.

롤에 대한 복원 효과는 전술한 바와 같이 가능한 클럼프 웨이트와 부양 탱크(6)로부터 나온다. 작은 롤 각도를 위해, 부양력(F₁)이 대략 일정하게 유지된다고 가정할 수 있다. (또한, F₂에 대해서도 동일하다.)

가능한 클럼프 웨이트는 제외하고 부양 탱크(6)만을 고려하면, 롤 복원력(C₄₄)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

롤(T₄)의 자연적 주기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Claims

수역에 대해 플로팅 윈드 터빈을 이동시키는 방법으로서, 플로팅 윈드 터빈은 상단부에 나셀이 있는 부양체를 구비하고, 상기 방법은,
플로팅 윈드 터빈을 수역에서 부동(浮動)시키는 것과,
부양체를 경사진 자세로 유지하여 나셀을 물이 닿지 않게 유지하면서 플로팅 윈드 터빈을 견인하는 것
을 포함하는 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제1항에 있어서, 시스템은 부동 부재에 의해 경사진 자세로 유지되는 것인 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제2항에 있어서, 시스템은 지지 구조체와 윈드 터빈 발전기를 포함하고, 부동 부재는 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제3항에 있어서, 상기 부동 부재는 라인에 의해 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제4항에 있어서, 라인을 부동 부재 또는 지지 구조체에 대해 감아올리거나 감아내리는 것을 더 포함하는 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 수평력 또는 거의 수평력을 시스템에 가하는 것을 더 포함하는 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제6항에 있어서, 상기 수평력 또는 거의 수평력은 육지에 고정된 와이어를 이용하여 예인선 또는 윈치에 의해 가해지는 것인 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제2항 내지 제5항, 또는 제6항, 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템을 정역학적 평행 상태로 유지하도록 부동 부재에 의해 가해지는 부양력을 조절하는 것을 더 포함하는 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
제8항에 있어서, 상기 부양력은 밸러스트를 부동 부재로 추가하거나 부동 부재로부터 제거함으로써 조절되는 것인 플로팅 윈드 터빈의 이동 방법.
플로팅 윈드 터빈 시스템으로서, 지지 구조체와, 윈드 터빈 발전기와, 플로팅 윈드 터빈 시스템이 견인되는 동안 경사진 자세로 유지되도록 배치되는 부동 부재를 포함하는 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항에 있어서, 상기 부동 부재는 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서, 웨이트를 더 포함하는 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제12항에 있어서, 상기 웨이트는 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조체는 하부 지지 구조체와 타워를 포함하는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제14항에 있어서, 상기 부동 부재는 하부 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 웨이트는 타워에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제16항에 있어서, 상기 웨이트는 홀수선에 가깝게 타워에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부동 부재는 부양 탱크인 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부동 부재는 라인에 의해 지지 구조체에 부착되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제19항에 있어서, 상기 라인은 부동 부재 또는 지지 구조체에 대해 감아 올리거나 감아내리게 되어 있는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 라인을 지지 구조체에 부착하도록 된 크로우풋(crow foot)을 더 포함하는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템 진동의 자연적 주기는 5 내지 20초 범위 밖에 있는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템 진동의 자연적 주기는 20초보다 큰 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템 진동의 자연적 주기는 5초 미만인 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템의 중력 중심으로부터 지지 구조체의 홀수선까지의 거리는 시스템의 중력 중심으로부터 부양 탱크의 부착점까지의 거리와 대략 동일한 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.
제10항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템의 중력 중심은 시스템의 부양 중심에 가깝게 배치되는 것인 플로팅 윈드 터빈 시스템.