KR20120014657A

KR20120014657A - 풍력발전장치용 부유식 기초

Info

Publication number: KR20120014657A
Application number: KR1020100076755A
Authority: KR
Inventors: 최병권; 전석구; 이성태
Original assignee: 현대엔지니어링 주식회사
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-20
Also published as: KR101192659B1

Abstract

본 발명은 풍력발전장치용 부유식 기초에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 해수면의 높이가 변화하더라도 움직임이 작은 풍력발전장치용 부유식 기초에 관한 것이다. 본 발명은 풍력발전장치용 부유식 기초에 있어서, 해수면에 수직 방향으로 배치되며, 적어도 일부분이 해수면 아래로 잠기는 주상형 부력체; 상기 풍력발전장치를 지지하도록 상기 주상형 부력체 위에 설치되는 플랫폼; 상기 주상형 부력체의 흘수를 조절하기 위해 상기 주상형 부력체의 하부에 배치되는 밸러스트(ballast); 상기 주상형 부력체의 둘레에 설치되는 플랜지; 상기 주상형 부력체의 위치를 유지하도록, 상기 주상형 부력체를 해저면에 계류시키는 계류삭(mooring cable); 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서, 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하 이동하는 승강장치; 및 상기 승강장치의 외주면에 결합하여 상기 승강장치와 함께 상하로 이동하는 밸런싱 부력체(balancing buoy)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초를 제공한다. 본 발명에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초는 해수면의 높이 변화에 따라서 부력체의 높이를 조절하여 부력을 조절한다. 따라서 해수면의 높이가 변화하더라도 부유식 기초의 움직임이 작다는 장점이 있다.

Description

풍력발전장치용 부유식 기초{floating support structure for an offshore wind turbine}

본 발명은 풍력발전장치용 부유식 기초에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 해수면의 높이가 변화하더라도 움직임이 작은 풍력발전장치용 부유식 기초에 관한 것이다.

풍력발전은 바람의 힘에 의해서 회전하는 풍차의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로, 환경오염이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

풍력발전은 크게 육상풍력발전과 해상풍력발전이 있다. 해상풍력발전을 위해서는 바다 위에 발전기를 설치하여야 하며, 전력망을 바다에 깔아야 할 뿐만 아니라 바다 위에 변전소도 지어야 한다. 따라서 육상풍력발전에 비해서 건설비가 많이 든다는 문제가 있다. 그러나 해수면의 형상이 일정하므로 주변 지형의 영향을 받는 육상풍력발전에 비해서 풍력감소가 적고, 설치 부지 및 규모의 제한이 적다는 장점이 있다.

해상풍력발전은 크게 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해저지반에 기초공사를 하고 그 위에 구조물 및 발전설비를 설치하는 방식이다. 고정식 풍력발전에 사용되는 기초는 크게 콘크리트 자중 기초, 모노파일 기초, 멀티파일 기초 3가지로 분류된다.

부유식은 해상에 떠있는 부유체 위에 발전설비를 고정 시키고, 부유체의 운동을 계류 시스템으로 제어하는 방식이다. 부유식은 해안에서 멀리 떨어져서 설치할 수 있기 때문에 주변 환경에 미치는 소음과 전자기 등의 영향이 작다. 부유식은 수심 40 ~ 50m 이상인 해상에 설치될 때 고려할 수 있는 방식이다. 부유식은 해상에 떠 있기 때문에 파도, 바람 등의 주위 환경의 영향을 많이 받아 고정식에 비해서 움직임이 크기 때문에 움직임이 될 수 있으면 작도록 설계하는 것이 최대 관건이다.

부유식 구조물은 부력체가 외력을 받은 경우에 이에 대항하여 자세를 유지하는 복원력의 발생 메커니즘에 따라 폰툰형, 주상형, 인장 계류형으로 분류할 수 있다. 폰툰형은 부력체가 기울어지면 기울어진 쪽의 부력이 증가하고 반대쪽의 부력이 감소하여 복원 모멘트가 생기는 것을 이용한다. 폰툰형은 부력체가 수면 위에 떠 있기 때문에 파의 영향을 많이 받으므로 정온한 해역에 적합하다. 폰툰형 중에서 파의 영향을 작게 받기 위하여 고안된 대표적인 형식 중의 하나로 반잠수식이 있다. 반잠수식은 플랫폼을 수면 하부의 부력체와 수개의 기둥으로 연결한 방식으로 일반 폰툰형에 비해서 수선면적이 작으므로 운동의 고유주기가 길어져 파랑과의 공진을 피할 수 있다는 장점이 있다.

주상형은 실린더 형태의 부력체 위에 플랫폼이 설치된 형태로서 부력 중심 밑에 중력중심을 둠으로써 안정성을 얻으며, 위치유지를 위하여 유연계류장치나 긴장계장치가 설치된다.

인장 계류형은 플랫폼이 정적평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 끌어당겨서 수개의 쇠줄이나 쇠파이프로 해저면에 연결하여, 쇠줄이나 쇠파이프에 잉여부력에 의한 인장력이 걸리도록 하여 복원력을 발생시키는 방식이다.

우리나라 해상풍력의 최적지로 평가되는 서해안과 남해안은 조석간만의 차이가 매우 크며, 태풍의 주 진입로상에 있어 강풍에 의한 대형파가 발생한다. 따라서 종래의 부유식 기초를 사용할 경우 과도한 상하 운동 및 수평 운동으로 풍력발전장치의 안정성이 위협된다.

특히, 인장 계류삭 방식을 사용했을 경우에는 해수면이 과도하게 상승하면 부유식 기초에 과도한 부력이 발생하게 된다. 이에 의해 계류삭과 앵커에 무리한 인장력이 발생하여 계류삭이 끊어지거나, 앵커가 파손되어 부유식 기초가 제 역할을 못하게 되는 경우가 발생한다. 또한, 과도한 해수면의 하강에 의해 부유식 기초에 과소한 부력이 발생하여 부유식 기초가 제 역할을 못하게 되는 경우가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 해수면의 높이 변화에 따라 부력체를 상하 이동시켜 고도/과소 부력을 해소함으로써, 해수면의 높이가 변화하더라도 움직임이 작은 부유식 기초를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해서, 풍력발전장치용 부유식 기초에 있어서, 해수면에 수직 방향으로 배치되며, 적어도 일부분이 해수면 아래로 잠기는 주상형 부력체; 상기 풍력발전장치를 지지하도록 상기 주상형 부력체 위에 설치되는 플랫폼; 상기 주상형 부력체의 흘수를 조절하기 위해 상기 주상형 부력체의 하부에 배치되는 밸러스트(ballast); 상기 주상형 부력체의 둘레에 설치되는 플랜지; 상기 주상형 부력체의 위치를 유지하도록, 상기 주상형 부력체를 해저면에 계류시키는 계류삭(mooring cable); 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서, 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하 이동하는 승강장치; 및 상기 승강장치의 외주면에 결합하여 상기 승강장치와 함께 상하로 이동하는 밸런싱 부력체(balancing Buoy)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초를 제공한다.

또한, 상기 승강장치는, 상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트; 상기 밸런싱 부력체와 결합하며, 상기 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어; 및 상기 캐리어가 상기 플랫폼과 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초를 제공한다.

또한, 상기 승강장치는, 상기 플랫폼에 설치되는 서보모터(servo motor); 상기 서보모터의 회전축에 결합하며, 상기 플랜지 방향으로 연장되는 스크류; 및 상기 밸런싱 부력체와 결합하며, 상기 스크류와 나사결합하는 너트를 구비하여 상기 스크류가 회전하면 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초를 제공한다.

상기 승강장치는, 수위 센서를 더 포함하며, 상기 서보모터는 상기 수위 센서에서 송신된 신호에 의해서 작동하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 승강장치는, 상기 플랫폼에 설치되는 서보모터(servo motor); 상기 서보모터의 회전축에 결합하며, 상기 플랜지 방향으로 연장되는 스크류; 상기 스크류와 나사결합하는 너트를 구비하여 상기 스크류가 회전하면 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더; 상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트; 상기 플랫폼과 상기 슬라이더 사이에서 상하로 이동하는 제1평판부와 상기 제1평판부와 마주보며 상기 슬라이더와 상기 플랜지 사이에서 상하로 이동하는 제2평판부와 상기 제1평판부와 제2평판부 사이를 연결하는 연장부를 구비하며, 상기 제1평판부와 제2평판부를 관통하는 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어; 및 상기 캐리어의 제2평판부와 상기 슬라이더 사이에 배치되어, 상기 캐리어의 제2평판부가 상기 슬라이더와 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초를 제공한다.

또한, 상기 밸런싱 부력체는, 해수면 아래에 잠기는 제1밸런싱 부력체와 적어도 일부분은 해수면 위로 노출되는 제2밸런싱 부력체를 포함하며, 상기 제2밸런싱 부력체는 수선면적을 줄이기 위해 상기 제1밸런싱 부력체에 비해서 단면적이 작은 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초가 제공된다.

상기 제2밸런싱 부력체는, 상기 제1밸런싱 부력체에서 해수면을 향해서 연장되는 기둥형태인 것이 바람직하다.

또한, 상기 밸런싱 부력체는, 부력중심을 위로 올리기 위해서 해수면 아래로 갈수록 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초가 제공된다.

본 발명에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초는 해수면의 높이 변화에 따라서 부력체의 높이를 조절하여 과대/과소 부력을 해소한다. 따라서 과대한 부력에 의에 계류삭과 앵커에 과도한 인장력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 과소한 부력에 의해서 부유식 기초가 제 역할을 못하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 조석간만의 차이가 큰 바다에 설치가 가능하며, 태풍에 의해 대형 파도가 발생하는 바다에도 설치가 가능하다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 만조시 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 간조시 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 저면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 만조시 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 간조시 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 평면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 일부 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 일부 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해서 상세하게 설명한다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 각 도면의 구성요소들 중 일부는 설명을 용이하게 하기 위해서 일부 단순화되거나 생략될 수 있다.

[제1실시예]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 만조시 상태를 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 간조시 상태를 나타내는 도면이다. 도 1과 2는 도 3에 표시된 선을 따라서, 밸런싱 부력체(70)의 일부를 절단하여 제거하고, 풍력발전장치용 부유식 기초를 바라본 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 평면도이며, 도 4는 도 1에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 저면도이다.

도 1 내지 4를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초는 주상형 부력체(10), 주상형 부력체(10) 위에 설치되는 플랫폼(20), 밸러스트(30)(ballast), 주상형 부력체(10)의 둘레에 설치되는 플랜지(40), 주상형 부력체(10)를 해저면에 계류시키는 계류삭(50)(mooring cable), 승강장치(60) 및 승강장치(60)와 함께 상하로 이동하는 밸런싱 부력체(70)를 포함한다.

주상형 부력체(10)는 내부에 공기가 차있는 실린더 형태의 구조물이다. 주상형 부력체(10)의 대부분은 해수면 아래에 잠겨있으며, 일부분은 해수면 위로 노출된다. 주상형 부력체(10)는 해수면에 대해서 수직 방향으로 서 있다. 주상형 부력체(10)는 풍력발전기를 지탱하는 부력을 제공한다.

플랫폼(20)은 주상형 부력체(10)의 위에 설치된다. 플랫폼(20)은 풍력발전기를 용이하게 설치하기 위한 것으로서 플랫폼(20)의 위에는 풍력발전기가 타워가 설치되며, 타워의 상부에는 바람에 의해서 회전하는 로터 블레이트가 설치된다.

밸러스트(30)는 주상형 부력체(10)의 물에 잠겨있는 부분의 깊이인 흘수를 조절하기 위한 것이다. 밸러스트(30)는 주상형 부력체(10)의 하부에 부착되는 추로서, 중력중심을 부력중심의 아래에 둠으로써 안정성을 얻는 역할을 한다.

플랜지(40)는 주상형 부력체(10)의 둘레에 설치된다. 플랜지(40)는 계류삭(50)과 승강장치를 지지하는 역할을 한다. 자세한 내용은 후술한다.

계류삭(50)은 주상형 부력체(10)의 위치를 유지시키기 위한 것이다. 계류삭(50)은 제1계류삭(52)과 제2계류삭(54) 각각 3개씩 총 6개가 설치된다. 제1계류삭(52)은 그 일단이 플랜지(40)와 결합하고, 타단이 앵커(56)에 의해서 해저면에 고정된다. 제2계류삭(54)은 그 일단이 밸러스트(30)에 결합하고, 타단이 앵커(56)에 의해서 해저면에 고정된다. 제1계류삭(52)들과 제2계류삭(54)들은 각각 120°간격 설치된다. 계류삭(50)은 쇠줄 또는 쇠파이프로 이루어진다.

계류삭(50)을 해저면에 고정하는 앵커의 종류로는 해저면의 암반을 굴착하고 매립함으로써 위치를 고정시킨 매립식 앵커와 앵커 자체의 자중에 의해서 해저면에 가라앉아 고정되는 중력식 앵커가 있다. 해저면이 암반인 경우에는 매립식 앵커가 효과적이며, 해저면이 모래나 뻘로 이루어진 경우에는 중력식 앵커가 적당하다. 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.

계류삭(50)을 설치할 때에는 주상형 부력체(10)가 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 계류삭(50)을 끌어당겨 설치함으로써 계류삭(50)에 잉여부력에 의한 인장력이 걸리도록 한다. 이렇게 함으로써 주상형 부력체(10)가 수평운동을 하더라도 복원력이 발생하여 원래의 위치도 돌아온다.

승강장치(60)는 조석간만의 차이, 태풍에 의한 큰 파도의 영향 등에 의해서 해수면의 높이가 변화함에 따라서 부유식 기초에 과도/과소한 부력이 생겨, 부유식 기초의 계류삭(50)이나 앵커(56)이 파손되거나, 부유식 기초의 움직임이 커지는 것을 부력조정을 통해 방지하는 역할을 한다.

승강장치(60)는 스토퍼(62), 가이드포스트(64)와 캐리어(66) 및 탄성수단(69)을 포함한다.

스토퍼(62)는 주상형 부력체(10)의 둘레에 설치된다. 스토퍼는 플랫폼(20)과 플랜지(40)의 사이에 설치되며, 플랫폼(20) 및 플랜지(40)와 나란하다. 스토퍼(62)에는 120°간격으로 3개의 관통홀(미도시)이 형성되어 있다.

가이드포스트(64)는 캐리어(66)의 상하이동을 가이드하기 위한 것으로서 주상형 부력체(10)와 나란하게 플랫폼(20)과 플랜지(40) 사이에 설치된다. 가이드포스트(64)는 주상형 부력체(10)의 둘레에 120°간격으로 3개가 설치된다. 가이드포스트(64)는 스토퍼(62)의 관통홀을 통과한다.

캐리어(66)는 가이드포스트(64)를 따라서 상하로 이동하는 것으로서, 가이드포스트(64)가 관통하는 관통홀(미도시)이 형성되어 있으며, 서로 마주보는 한 쌍의 평판부(67)들과 평판부(67)들의 중심부를 연결하는 연장부(68)를 구비한다. 연장부(68)는 주상형 부력체(10)와 나란하고, 평판부(67)들은 플랫폼(20), 플랜지(40), 스토퍼(62)와 나란하다. 상부 평판부(67)는 스토퍼(62)와 플랫폼(20) 사이에 위치하며, 하부 평판부(67)는 스토퍼(62)와 플랜지(40) 사이에 위치한다.

탄성수단(69)은 코일스프링(69)으로서 캐리어(66)가 플랫폼(20)으로부터 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공한다. 코일스프링(69)은 스토퍼(62)와 하부 평판부 (67)사이에 설치된다. 캐리어(66)가 상승하면 코일스프링(69)은 스토퍼(62)와 하부 평판부(67) 사이에서 압축되고, 캐리어(66)를 플랜지(40) 방향으로 민다.

밸런싱 부력체(70)는 도넛 형태로서 캐리어(66)의 평판부(67)들 사이에 끼워지는 제1밸런싱 부력체(72)와 제1밸런싱 부력체(72)의 상면에서 해수면 방향으로 연장된 기둥형태의 제2밸런싱 부력체(74)를 포함한다. 제2밸런싱 부력체(74)는 60°간격으로 6개가 설치된다. 제2밸런싱 부력체(74)를 사용함으로써 수선면적을 줄일 수 있다. 밸런싱 부력체(70)는 부유식 기초의 좌우 움직임을 감소시키는 기능을 한다. 또한, 승강장치(60)와 결합하여 상하로 이동함으로써, 부력을 조절하는 역할을 한다.

이하, 도 1과 2를 참고하여, 상술한 풍력발전장치용 부유식 기초의 작용에 대해서 설명한다.

간만의 차이에 의해서 해수면의 높이가 변화하는 경우를 기준으로 설명한다.

만조시가 되어 해수면이 높아지면, 주상형 부력체(10)와 밸런싱 부력체(70)의 상부가 해수면 아래로 잠기게 된다. 따라서 해수면 아래에 잠긴 부피만큼 주상형 부력체(10)와 밸런싱 부력체(70)에 의한 부력이 각각 증가하고, 계류삭(50)에 걸리는 인장력이 증가한다. 밸런싱 부력체(70)에 의한 부력이 코일스프링(69)의 탄성력 이상으로 증가하면 코일스프링(69)은 압축되고, 밸런싱 부력체(70)가 상승한다. 밸런싱 부력체(70)가 상승하면, 밸런싱 부력체(70)의 상부는 다시 해수면 위로 노출되고 부력이 감소하게 된다. 결국, 도 1에 도시된 바와 같이, 밸런싱 부력체(70)에 의한 부력과 코일스프링(69)의 탄성력이 같아지는 지점에서 밸런싱 부력체(70)가 정지하게 되며, 계류삭(50)에 걸리는 과도한 인장력이 해소된다.

종래의 부유식 기초는 해수면의 높이 변화에 따른 부력의 변화에 대응할 수 없었기 때문에 해수면이 높아져서 부력이 증가하면, 계류삭(50)에 과도한 인장력이 걸려서 계류삭(50)이 끊어지거나 앵커(56)가 파손될 위험이 있었다. 계류삭(50)이 끊어지거나 앵커(56)가 파손되면, 풍력발전장치가 전복되거나 표류할 위험이 있었다.

반대로 간조시가 되어 해수면이 낮아지면, 밸런싱 부력체(70)의 상부가 해수면 위로 노출된다. 따라서 밸런싱 부력체(70)에 의한 부력이 감소하고, 코일스프링(69)의 탄성력에 의해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 밸런싱 부력체(70)의 상부가 해수면 아래로 잠기게 된다. 밸런싱 부력체(70)의 상부가 해수면 아래로 잠기면 다시 부력이 상승하고, 평형에 이르게 된다.

종래의 부유식 기초는 해수면의 높이가 낮아지면, 부력이 감소하고, 그 결과 계류삭(50)의 인장력이 약해진다. 계류삭(50)의 인장력이 약해지면, 주상형 부력체(10)의 수평이동에 대한 복원력이 약해져서 부유식 기초의 움직임이 커지고, 풍력발전장치가 전복될 위험이 있었다.

[제2실시예]

제2실시예는 승강장치(80)와 밸런싱 부력체(76) 이외에는 제1실시예와 동일하므로, 승강장치(80)와 밸런싱 부력체(76)에 대해서만 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 만조시 상태를 나타내는 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 간조시 상태를 나타내는 단면도이다.

도 5와 6을 참고하면, 본 실시예에 있어서, 승강장치는 플랫폼(20)에 설치되는 서보모터(81)(servo motor), 서보모터(81)의 회전축에 결합하는 스크류(83) 및 주상형 부력체(10)의 외주면을 따라서 플랫폼(20)과 플랜지(40) 사이를 상하로 이동하는 슬라이더(82), 슬라이더(82)를 가이드 하는 가이드 포스트(84) 및 슬라이더에 결합하는 캐리어(86)를 포함한다.

도 7을 참고하면, 서보모터(81)는 플랫폼(20)에 120°간격으로 세 개가 설치된다. 서보모터(81)의 회전축은 플랫폼(20)으로부터 플랜지(40)를 향해서 연장되어 있는 스크류(83)와 결합한다. 스크류(83)의 사이사이에는 가이드 포스트(84)가 설치된다.

슬라이더(82)는 주상형 부력체(10)를 중심부에 형성된 관통홀에 수용하고 있는 원판 형태이다. 슬라이더(82)에는 스크류(83)에 대응하는 너트(미도시)가 형성되어 있어, 스크류(83)가 회전하면 슬라이더(82)가 상하로 이동한다. 슬라이더(82)에는 너트 사이사이에 가이드 포스트(84)가 삽입되는 관통홀(미도시)이 형성되어 있어, 가이드 포스트(84)에 의해 지지가 된 상태로 상하로 이동한다.

슬라이더(82)에는 캐리어(86)가 결합되어 있어, 슬라이더(82)가 상하로 이동하면 캐리어(86)도 상하로 이동한다. 캐리어(86)는 슬라이더(82)에 용접되거나, 볼트와 너트에 의해서 결합한다. 캐리어(86)에는 밸런싱 부력체(76)가 결합되어 있다.

밸런싱 부력체(76)는 3단으로 이루어져 있으며, 아래로 내려갈수록 단면적이 감소한다. 부력 중심을 위로 올리기 위함이다.

본 실시예의 작용에 대해서 설명한다. 만조시가 되어 해수면이 높아지면, 밸런싱 부력체(76)의 상부가 해수면 아래로 잠기게 된다. 따라서 해수면 아래에 잠긴 밸런싱 부력체(76)의 부피만큼 밸런싱 부력체(76)에 의한 부력이 증가한다. 본 실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초는 만조시가 되어 해수면이 높아지면, 이를 수위센서(미도시)를 통해서 측정하여, 서보모터(81)에 신호를 보낸다. 신호를 받은 서보모터(81)는 회전하여, 슬라이더(82)를 상승시킨다. 슬라이더(82)는 밸런싱 부력체(76)를 함께 상승시키고, 결국, 부력을 감소시켜, 계류삭(50)의 인장력은 감소시킨다.

간조시가 되어 해수면이 낮아지면, 밸런싱 부력체(76)의 상부가 해수면 위로 노출된다. 따라서 밸런싱 부력체(76)에 의한 부력이 감소한다. 수위센서를 통해서 수위가 낮아진 것이 확인되면, 서보모터(81)는 반대 방향으로 회전하여, 슬라이더(82)를 하강시켜, 부력을 증가시켜, 계류삭(50)의 인장력을 증가시켜 주상형 부력체(10)의 수평이동에 대한 복원력을 회복시킨다.

[제3실시예]

제3실시예는 승강장치(90) 이외에는 제1실시예와 동일하므로, 승강장치(90)에 대해서만 상세히 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 단면도이며, 도 9는 도 8에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 평면도이며, 도 10은 도 8에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 일부 사시도이다.

본 실시예에 있어서, 승강장치는 제1실시예의 승강장치와 제2실시예의 승강장치를 조합한 것으로서, 두 장치의 장점을 모두 가진다.

본 실시예의 승강장치는 서보모터(91), 스크류(93), 슬라이더(92), 가이드포스트(94), 캐리어(96) 및 코일스프링(99)을 구비한다.

서보모터(91)는 플랫폼(20)에 120°간격으로 세 개가 설치된다. 서보모터(91)의 회전축은 플랫폼(20)으로부터 플랜지(40)를 향해서 연장되어 있는 스크류(93)와 결합한다.

슬라이더(92)는 중심부에 주상형 부력체(10)를 수용할 수 있는 관통홀이 형성되어 있는 원판 형상으로서 스크류(93)에 대응하는 너트가 형성되어 있어, 스크류(93)가 회전하면 상하로 이동한다.

가이드포스트(94)는 주상형 부력체(10)와 나란하게 플랫폼(20)과 플랜지(40) 사이에 설치된다. 가이드포스트(94)는 스크류(93) 사이사이에 3개가 설치된다. 가이드포스트(94)는 슬라이더(92)를 관통한다.

캐리어(96)는 가이드포스트(94)를 따라서 상하로 이동하는 것으로서, 가이드포스트(94)가 관통하는 관통홀이 형성되어 있으며, 서로 마주보는 한 쌍의 평판부(97)들과 평판부(97)들의 중심부를 연결하는 연장부(98)를 구비한다. 연장부(98)는 주상형 부력체(10)와 나란하고, 평판부(97)들은 플랫폼(20), 플랜지(40), 스토퍼와 나란하다. 상부 평판부(97)는 슬라이더(92)와 플랫폼(20) 사이에 위치하며, 하부 평판부(97)는 슬라이더(92)와 플랜지(40) 사이에 위치한다. 캐리어(96)의 상부 평판부(97)는 슬라이더(92)와 겹치므로 슬라이더(92)가 상승하면, 캐리어(96)의 상부 평판부(97)의 하면과 슬라이더(92)의 상면이 접하고, 슬라이더(92)가 상승하면, 캐리어(96)도 함께 상승한다.

코일스프링(99)은 캐리어(96)가 플랫폼(20)으로부터 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공한다. 코일스프링(99)은 슬라이더(92)와 하부 평판부(97) 사이에 설치된다. 캐리어(96)가 상승하면 코일스프링(99)은 슬라이더(92)와 하부 평판부(97) 사이에서 압축되고, 캐리어를 플랜지(40) 방향으로 민다.

본 실시예의 작용에 대해서 설명한다. 본 실시예의 풍력발전장치용 부유식 기초는 우선, 제2실시예와 마찬가지로 서보모터(91)에 의해 슬라이더(92)를 상하로 이동시킴으로써, 밸런싱 부력체(70)를 상하로 이동시켜 부력을 조절한다. 슬라이더(92)가 상승하면, 슬라이더(92)의 상면에 접하는 캐리어(96)의 상부 평판부(97)를 밀어서 상승시킨다. 그 결과 밸런싱 부력체(70)가 상승하여 부력이 감소한다. 반대로 슬라이더(92)가 하강하면, 일단 코일스프링(99)이 압축된다. 그리고 코일스프링(99)이 어느 정도 압축되어 탄성력이 커지면, 코일스프링(99)이 캐리어(96)의 하부 평판부(97)를 밀어서 캐리어(96)를 하강시킨다. 캐리어(96)가 하강하면 밸런싱 부력체(70)가 하강하며 부력이 증가한다.

상술한 서보모터(91)에 의한 슬라이더(92)의 이동은 급격한 해수면 상승에 대응하기 어렵다는 문제가 있다. 급격한 해수면 상승에 의한 부력의 변화는 캐리어(96)의 이동에 의해서 보상이 가능하다. 만약, 해수면의 상승 속도가 슬라이더(92)의 이동속도에 비해서 빠른 경우 캐리어(96)는 밸런싱 부력체(70)에 의한 부력에 의해서 코일스프링(99)을 압축하면서 상승할 수 있다.

본 실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초는 시간이나 계절의 변화에 따른 수위변화에 대응하기 위해서 슬라이더(92)를 주기적으로 상하 이동시키는 동시에 캐리어(96)의 상하이동을 통해서 급격한 해수면의 변화에 대응하는 방법으로 동작할 수 있다.

[제4실시예]

제4실시예는 승강장치(100) 이외에는 제3실시예와 동일하므로, 승강장치(100)에 대해서만 상세히 설명한다. 도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초의 단면도이며, 도 12는 도 11에 도시된 풍력발전장치용 부유식 기초의 일부 사시도이다.

본 실시예의 승강장치는 전동모터(101), 래크바(103), 슬라이더(102), 가이드포스트(104), 캐리어(106) 및 코일스프링(109)을 구비한다. 본 실시예의 승강장치는 슬라이더(102)를 상승 및 하강시키는 수단으로서 전동모터(10)와 래크바(103)를 이용한다는 점에서 제3실시예와 차이가 있다.

전동모터(101)의 구동축에는 피니언기어(111)가 결합되어 있어, 전동모터의 구동력이 피니언기어(111)에 전달된다. 피니언기어(111)는 랙크바(103)와 이맞물림되어 전동모터(101)가 구동하면, 피니언기어(111)가 회전하고, 피니언기어(111)의 회전에 따라 랙크바(103)가 상하로 이동한다.

래크바(103)의 일단에는 슬라이더(102)가 결합되어 있어, 래크바(103)가 상하로 이동하면, 슬라이더(102)가 상하로 이동한다.

본 실시예의 작용은 제3실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.

이상, 본 발명의 일실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.

예를 들어, 밸러스트(30)를 주상형 부력체(10)의 하부에 부착하는 것으로 설명하였으나, 주상형 부력체(10)의 내부에 밸러스트를 채워넣을 수도 있다. 밸러스트로는 모래, 자갈, 코크 등 고체 밸러스트를 사용할 수 있으며, 밸러스트 탱크를 설치한 후 해수를 넣는 물밸러스트를 사용할 수도 있다.

또한, 해수면의 높이 변화를 수위센서를 이용하여 측정하여 서보모터를 작동시키는 것으로 설명하였으나, 계류삭에 인장센서를 설치하여, 인장력의 변화를 감지하여 서보모터를 작동시키는 것도 가능하다. 또한, 미리 측정된 데이터를 바탕으로 작성된 프로그램에 의해서 작동할 수도 있다.

10: 주상형 부력체 20: 플랫폼
30: 밸러스트 40: 플랜지
50: 계류삭 60, 80, 90, 100: 승강장치
70, 76: 밸런싱 부력체

Claims

풍력발전장치용 부유식 기초에 있어서,
해수면에 수직 방향으로 배치되며, 적어도 일부분이 해수면 아래로 잠기는 주상형 부력체;
상기 풍력발전장치를 지지하도록 상기 주상형 부력체 위에 설치되는 플랫폼;
상기 주상형 부력체의 흘수를 조절하기 위해 상기 주상형 부력체의 하부에 배치되는 밸러스트(ballast);
상기 주상형 부력체의 둘레에 설치되는 플랜지;
상기 주상형 부력체의 위치를 유지하도록, 상기 주상형 부력체를 해저면에 계류시키는 계류삭(mooring cable);
상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서, 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하 이동하는 승강장치; 및
상기 승강장치의 외주면에 결합하여 상기 승강장치와 함께 상하로 이동하는 밸런싱 부력체(balancing Buoy)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 승강장치는,
상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트;
상기 밸런싱 부력체와 결합하며, 상기 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어; 및
상기 캐리어가 상기 플랫폼과 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 승강장치는,
상기 플랫폼에 설치되며 피니언기어에 회전구동력을 전달하는 구동장치;
상기 피니언기어와 맞물려 피니언기어가 회전하면, 상승 또는 하강하는 래크바; 및
상기 래크바와 결합하여 상기 래크바가 상하로 이동함에 따라 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 승강장치는,
상기 플랫폼에 설치되는 서보모터(servo motor);
상기 서보모터의 회전축에 결합하며, 상기 플랜지 방향으로 연장되는 스크류; 및
상기 밸런싱 부력체와 결합하며, 상기 스크류와 나사결합하는 너트를 구비하여 상기 스크류가 회전하면 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
수위 센서를 더 포함하며,
상기 승강장치는 상기 수위 센서에서 송신된 신호에 의해서 작동하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
계류삭에 걸리는 인장력을 측정하는 인장 센서를 더 포함하며,
상기 승강장치는 상기 인장 센서에서 송신된 신호에 의해서 작동하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 승강장치는,
상기 플랫폼에 설치되며 피니언기어에 회전구동력을 전달하는 구동장치;
상기 피니언기어와 맞물려 피니언기어가 회전하면, 상승 또는 하강하는 래크바; 및
상기 래크바와 결합하여 상기 래크바가 상하로 이동함에 따라 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더;
상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트;
상기 플랫폼과 상기 슬라이더 사이에서 상하로 이동하는 제1평판부와 상기 제1평판부와 마주보며 상기 슬라이더와 상기 플랜지 사이에서 상하로 이동하는 제2평판부와 상기 제1평판부와 제2평판부 사이를 연결하는 연장부를 구비하며, 상기 제1평판부와 제2평판부를 관통하는 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어; 및
상기 캐리어의 제2평판부와 상기 슬라이더 사이에 배치되어, 상기 캐리어의 제2평판부가 상기 슬라이더와 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 승강장치는,
상기 플랫폼에 설치되는 서보모터(servo motor);
상기 서보모터의 회전축에 결합하며, 상기 플랜지 방향으로 연장되는 스크류;
상기 스크류와 나사결합하는 너트를 구비하여 상기 스크류가 회전하면 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라서 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하로 이동하는 슬라이더;
상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트;
상기 플랫폼과 상기 슬라이더 사이에서 상하로 이동하는 제1평판부와 상기 제1평판부와 마주보며 상기 슬라이더와 상기 플랜지 사이에서 상하로 이동하는 제2평판부와 상기 제1평판부와 제2평판부 사이를 연결하는 연장부를 구비하며, 상기 제1평판부와 제2평판부를 관통하는 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어; 및
상기 캐리어의 제2평판부와 상기 슬라이더 사이에 배치되어, 상기 캐리어의 제2평판부가 상기 슬라이더와 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 부력체는,
해수면 아래에 잠기는 제1밸런싱 부력체와 적어도 일부분은 해수면 위로 노출되는 제2밸런싱 부력체를 포함하며, 상기 제2밸런싱 부력체는 수선면적을 줄이기 위해 상기 제1밸런싱 부력체에 비해서 단면적이 작은 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제9항에 있어서,
상기 제2밸런싱 부력체는,
상기 제1밸런싱 부력체에서 해수면을 향해서 연장되는 기둥형태인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱 부력체는,
부력중심을 위로 올리기 위해서 해수면 아래로 갈수록 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 부유식 기초.