KR20120022507A - 해상 풍력 발전 장치 - Google Patents

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도모히로 누마지리
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

간단하고 저렴한 구조로 편재되는 응력에 대응할 수 있고, 강도상의 신뢰성을 유지할 수 있는 해상 풍력 발전 장치를 제공한다. 로터 헤드(7)를 회전 가능하게 지지하는 너셀(5)과, 너셀(5)을 지지하고, 너셀(5)과 일체로 요 선회하는 타워부(3)가 구비되어 있는 해상 풍력 발전 장치(1)이며, 타워부(3)의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 타워부(3)의 연장 방향을 포함하는 평면 내에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도가, 타워부(3)의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도보다도 높아지도록 구성되어 있다.

Description

해상 풍력 발전 장치{OFFSHORE WIND GENERATOR}
본 발명은, 해상 풍력 발전 장치 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
해상 풍력 발전 장치에는, 예를 들어 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이, 수심이 깊은 해상에 뜬 상태로 설치되는 모노폴식이라 일컬어지는 것이 있다.
이것은, 풍차 날개가 장착된 로터 헤드가 너셀에 회전 가능하게 장착되어 있다. 이 너셀을 지지하는 타워부가 기초를 통해 해저에 고정된 것이 아니라, 계류 케이블에 의해 해저에 고정되어 원하는 해역에 뜬 상태로 되어 있다.
이러한 플로트식 해상 풍력 발전 장치에서는, 타워부가 고정되어 있지 않으므로, 풍향에 맞추어 풍차 날개의 회전면의 방향을 조정할 수 없다. 이로 인해, 풍향에 대응하기 쉬운 다운 윈드 형식이 널리 사용되고 있다.
또한, 풍향 조정을 할 수 없으므로, 일반적으로 너셀은 타워부에 회전하지 않도록 장착되어 있다. 이에 의해, 타워부는 풍차 날개의 회전면이 풍향에 맞추어 방향을 바꾸는 데 수반하여 자전하게 된다. 따라서, 타워부에 있어서의 풍차 날개의 회전 축선에 대응하는 부분에서, 풍차 날개와 반대측의 부분이 항상 바람이 불어오는 쪽을 향하고 있게 된다.
일본 특허 출원 공표 제2006-524778호 공보
플로트식 해상 풍력 발전 장치에서는, 풍차 날개가 바람을 받으면, 타워부는 상부가 바람이 불어 가는 측으로 기울려고 한다. 이에 의해, 타워부에는 바람이 불어오는 측으로 큰 인장력이, 바람이 불어 가는 측으로 큰 압축력이 작용하므로, 타워부의 바람이 불어오는 측의 부분 및 바람이 불어 가는 측의 부분에 큰 응력이 발생한다.
특허 문헌 1에 개시되는 것에서는, 타워의 강도를 담당하는 구조부는 중공의 원통 형상을 하고 있으므로, 단면으로 보면 어느 방향으로도 균일한 강도로 되어 있다. 이로 인해, 이 부분에 외측으로부터 장력을 가하는 텐션 레그를 설치하여, 이 편재되는 응력을 완화하도록 하고 있다.
이 텐션 레그로 한 경우, 텐션 레그가 신장되어 버려 응력의 완화에 유효로 되지 않거나, 혹은 반복되는 신축에 의한 장기 피로 강도에 의한 손상이 발생하는 등, 신뢰성이 낮다. 이로 인해, 텐션 레그는 빈번히 교환을 행하게 되는데, 그 작업은 대형 선박 및 크레인 등이 필요해지는 등, 큰 공사가 된다.
텐션 레그라고 하는 여분의 구조를 추가하는 제조 비용의 증가에 더하여, 운용 비용도 증가한다.
예를 들어, 원형 단면의 직경을 크게 하거나, 혹은 판 두께를 크게 하는 등에 의해 타워부의 강도를 강화하여 편재되는 응력의 증가에 대응하는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 타워부의 재료비, 기계 가공비 및 수송비가 증가한다.
본 발명은 상기의 과제에 비추어, 간단하고 저렴한 구조로 편재되는 응력에 대응할 수 있고, 강도상의 신뢰성을 유지할 수 있는 해상 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 일 형태는, 로터 헤드를 회전 가능하게 지지하는 너셀과, 상기 너셀을 지지하고, 상기 너셀과 일체로 요 선회하는 지지 기둥이 구비되어 있는 해상 풍력 발전 장치이며, 상기 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 내에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도가, 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도보다도 높아지도록 구성되어 있는 해상 풍력 발전 장치이다.
바람을 받으면 지지 기둥은 바람이 불어 가는 측으로 기울려고 한다. 이에 의해, 지지 기둥에 있어서의 풍차 날개의 회전 축선에 대응하는 위치에 있는 부분에서, 풍차 날개와 반대측, 즉 바람이 불어오는 측의 부분에 큰 인장 응력이, 풍차 날개와 동일한 측, 즉 바람이 불어 가는 측의 부분에 큰 압축 응력이 작용한다. 로터 헤드를 지지하는 너셀은, 지지 기둥과 일체로 요 선회하도록 장착되어 있으므로, 풍향이 바뀌어 로터 헤드에 장착된 풍차 날개가 지지 기둥의 축선 주위로 회전하면 지지 기둥도 그 축선 주위로 자전한다. 이에 의해, 지지 기둥에 있어서의 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면에 대응하는 위치에 있는 부분이 항상 풍향을 따라 위치하게 된다.
지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 내에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도보다도 높아지도록 구성되어 있으므로, 풍차 날개가 바람을 받음으로써 지지 기둥에 작용하는 큰 굽힘 응력은, 항상 구조부의 강도가 높은 부분에 의해 안정적으로 지지되게 된다.
이와 같이, 구조부 자체가 큰 인장 응력 및 압축 응력에 대응하므로, 텐션 레그 등의 추가를 필요로 하지 않는다. 강도면에서 신뢰성이 낮고, 대규모의 메인터넌스 작업을 필요로 하는 텐션 레그를 사용하지 않으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있고, 해상 풍력 발전 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도는, 거기에 가해지는 비교적 작은 응력에 대응한 두께, 재료, 단면 형상, 용접 등으로 할 수 있으므로, 여분의 재료 등의 낭비를 줄일 수 있어, 그만큼 저렴한 지지 기둥으로 할 수 있다.
바꾸어 말하면, 본 형태는 구조부에 사용하는 재료의 허용 응력에 대한 각 단면 위치의 응력비, 즉 국소적인 안전율을 대략 균일화할 수 있다.
상기 형태에서는, 상기 구조부는 금속제의 통 형상으로 되고, 상기 지지 기둥이 연장되는 방향과 직교하는 단면에 있어서, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 길이가, 상기 단면의 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있어도 좋다.
이와 같이, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면의 방향의 길이가 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있으므로, 동일한 재료이고 동일한 판 두께이면, 길이가 긴 방향으로 본 단면 계수는 길이가 짧은 방향으로 본 단면 계수보다도 커진다. 이로 인해, 길이가 긴 방향과 길이가 짧은 방향으로 동일한 하중이 가해진 경우, 길이가 긴 방향은 길이가 짧은 방향보다도 보다 큰 응력에 견딜 수 있다.
즉, 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
상기 형태에서는, 상기 구조부는 금속제의 통 형상으로 되는 동시에 주위 방향으로 분할된 복수의 분할 부재로 형성되고, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 교차하는 부분의 상기 분할 부재의 강도는, 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면과 교차하는 부분의 상기 분할 부재의 강도보다도 강하게 되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같이, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 교차하는 분할 부재의 강도는, 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면과 교차하는 부분의 분할 부재의 강도보다도 강하게 되어 있으므로, 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
상기 구성에서는, 상기 분할 부재의 강도는, 강도가 다른 재료를 사용하여 변화시켜도 좋다. 이와 같이 하면, 예를 들어 동일한 두께의 분할 부재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 분할 부재의 강도는 재료의 두께의 차이에 의해 변화시켜도 좋다.
또한, 상기 구성에서는, 상기 분할 부재의 강도는, 재료의 강도의 차이 및 두께의 차이를 조합하여 변화시키도록 해도 좋다.
상기 형태에서는, 상기 구조부의 내부 공간에는, 원판 형상 또는 도넛 형상이며 그 외주부가 상기 구조물의 내주부에 접합되는 보강 부재가, 적어도 1개 구비되어 있도록 해도 좋다.
이와 같이 하면, 보강 부재가 구조부의 좌굴(buckling) 강도를 증가시킬 수 있다. 보강 부재는, 상하 방향으로 간격을 두고 복수개 구비하도록 해도 좋다.
상기 형태에서는, 상기 구조부는, 적어도 일부는 콘크리트제로 되어 있어도 좋다.
콘크리트제라도, 두께, 철근의 밀도 등을 변화시켜, 상기한 내용의 강도 변화를 부여할 수 있다.
구조부는, 높이 방향의 일부를 콘크리트제로 하고, 다른 부분을 상술한 금속제의 중공의 기둥 형상으로 하여, 조합하여 형성해도 좋다.
상기 형태에서는, 상기 구조부는, 트러스 구조로 되고, 상기 지지 기둥이 연장되는 방향과 직교하는 단면에 있어서, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 길이가, 상기 단면의 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있어도 좋다.
이와 같이, 지지 기둥이 연장되는 방향과 직교하는 단면에 있어서, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 길이가, 단면의 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있으므로, 동일한 재료이고 동일한 구성이면, 그 방향의 길이가 긴 쪽의 단면 계수는 짧은 쪽의 단면 계수보다도 커진다.
이로 인해, 동일한 하중이 가해진 경우, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향으로 작용하는 응력은, 단면의 그 밖의 방향으로 작용하는 응력보다도 작아지므로, 보다 큰 응력에 견딜 수 있다.
즉, 지지 기둥의 강도를 담당하는 트러스 구조의 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
상기 형태에서는, 상기 구조부의 외표면 또는 내표면에, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 평행한 평면으로 연장되는 적어도 1개의 보강 부재가 구비되어 있어도 좋다.
이와 같이, 구조부의 외표면 또는 내표면에, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 평행한 평면으로 연장되는 적어도 1개의 보강 부재가 구비되어 있으므로, 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면의 방향의 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
본 발명에 따르면, 풍차 날개 및 너셀을 지지하는 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 로터 헤드의 회전 축선과 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 강도가 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있고, 해상 풍력 발전 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도는, 거기에 가해지는 비교적 작은 응력에 대응한 두께, 재료, 단면 형상, 용접 등으로 할 수 있으므로, 여분의 재료 등의 낭비를 줄일 수 있어, 그만큼 저렴한 지지 기둥으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 해상 풍력 발전 장치의 전체 개략 구성을 도시하는 측면도이다.
도 2는 도 1의 X-X 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 나타내는 것으로, 도 2와 동일한 부분을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 나타내는 것으로, 도 2와 동일한 부분을 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 도시하는 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 나타내는 것으로, 도 2와 동일한 부분을 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 나타내는 것으로, 도 2와 동일한 부분을 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 도시하는 부분 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 타워부의 다른 실시 형태를 도시하는 부분 측면도이다.
도 10은 도 9의 Y-Y 단면도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 관한 해상 풍력 발전 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 플로트식 해상 풍력 발전 장치(1)의 전체 개략 구성을 도시하는 측면도이다.
플로트식 해상 풍력 발전 장치(1)는 기초를 통해 해저에 고정되는 해상 풍력 발전 장치에 비해 비교적 수심이 깊은 장소에 뜬 상태로 설치되는 것이다.
해상 풍력 발전 장치(1)에는, 상하 방향(연장 방향)으로 연장되도록 설치된 타워부(지지 기둥, 구조부)(3)와, 타워부(3)의 상단부에 타워부(3)와 일체로 설치된 너셀(5)과, 너셀(5)의 단부에, 대략 수평한 회전 축선(L) 주위로 회전 가능하게 설치된 로터 헤드(7)와, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L) 주위로 방사상으로 장착된 복수매의 풍차 날개(9)와, 지지 기둥(3)의 하부에 장착된 추인 밸러스트(11)와, 밸러스트(11)를 해저(15)에 고정하는 복수의 케이블(13)이 구비되어 있다.
풍차 날개(9)에 바람이 닿으면, 풍차 날개(9)에 로터 헤드(7)를 회전 축선(L) 주위로 회전시키는 힘이 발생하여, 로터 헤드(7)가 회전 구동된다.
너셀(5)의 내부에는, 로터 헤드(7)의 회전을 이용하여 발전을 행하기 위해 도시하지 않은 증속 기구나 발전기 등의 기기류가 수납 설치되어 있다.
밸러스트(11)는 케이블(13)에 의해 해저에 고정되어 있고, 해상 풍력 발전 장치(1)는 타워부(3) 등의 부력에 의해 원하는 해역에 뜬 상태로 되어 있다.
타워부(3)는, 강도를 담당하는 구조부인 강제의 중공 원통(금속제의 통 형상)을 구비하고 있다. 또한, 타워부(3)는 구조부와는 별도로 풍차 날개(9)에 대한 바람의 흐름을 조정하는 정류 덮개를 장착하도록 해도 좋다.
도 2는, 도 1의 X-X 단면도이다. 타워부(3)는, 도 2에 도시되는 바와 같이, 주위 방향으로 복수로, 예를 들어 12로 분할된 판 부재(분할 부재)(17)를 용접에 의해 접합하여 형성되어 있다. 각 판 부재(17)는, 서로 다른 강도의 재료로 구성된 동일한 판 두께의 판재로, 각각 원주의 일부를 구성하도록 만곡되어 있다.
판 부재(17)의 재료의 강도의 차이는, 예를 들어 내력, 인장 강도, 그 밖의 기계적 성질로 규정된다. 또한, 용접의 강도를 고려한다.
복수의 판 부재(17)는, 복수의, 예를 들어 4종류의 강도가 다른 재료로 형성되어 있다. 즉, 강도가 높은 재료로 형성되어 있는 순으로 판 부재(17A), 판 부재(17B), 판 부재(17C), 판 부재(17D)로 한다.
도 2에 도시되는 바와 같이 가장 강도가 높은 판 부재(17A)는, 로터 헤드(7), 즉 풍차 날개(9)의 회전 축선(L)과 타워부(3)의 연장 방향인 상하 방향[도 2에 있어서의 지면(紙面)에 수직인 방향]을 포함하는 평면이 통과하는 위치에 배치되어 있다. 가장 강도가 낮은 판 부재(17D)는, 풍차 날개(9)의 회전 축선(L)과 타워부(3)의 연장 방향인 상하 방향을 포함하는 평면에 대해 대략 직교하는 타워부(3)의 선회 중심을 포함하여 상하 방향으로 연장되는 평면이 통과하는 위치에 배치되어 있다. 판 부재(17B)는 판 부재(17A)에 인접하고, 판 부재(17C)는 판 부재(17B) 및 판 부재(17D)에 끼워지도록 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 판 부재(17)는 횡단면에 있어서 회전 축선(L)에 대응하는 위치로부터 타워부(3)의 선회 중심을 지나 회전 축선(L)과 직교하는 위치를 향해 순차 강도가 낮아지도록 배치되어 있다.
이와 같이, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치, 회전 축선(L)과 타워부(3)의 연장 방향인 상하 방향을 포함하는 평면의 방향에 대응하는 위치의 판 부재(17A)의 강도는, 타워부(3)의 선회 중심을 포함하여 상하 방향으로 연장되는 평면 중, 회전 축선(L)을 포함하지 않는 위치에 배치되어 있는 판 부재(17B, 17C, 17D)의 강도보다도 높게 되어 있으므로, 타워부(3)는 로터 헤드(7)와 상하 방향을 포함하는 평면의 방향의 강도가 상하 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
타워부(3)에 관한 굽힘 응력은 높이의 중앙부(도 2에 있어서의 대략 해면부 근방)가 커지므로, 너셀(5)에 가까운 위치에서는 그다지 크지 않다. 이로 인해, 단면 내에서 강도를 변화시키는 위치는, 해면(19)으로부터 높이(HS)까지로 하고 있다. 높이(HS)는, 예를 들어 해면(19)으로부터 너셀(5)까지의 높이(H)의 50 내지 80％로 되어 있다. 또한, 해면 아래의 영역에 있어서도, 단면을 변화시킨 조합으로 하도록 해도 좋다. 이 경우, 단면 내에서 강도를 변화시키는 위치는, 해면(19)으로부터 깊이(DS)까지로 하고 있다. 깊이(DS)는, 예를 들어 해면(19)으로부터 밸러스트(11)까지의 깊이(D)의 50 내지 80％로 되어 있다.
본 실시 형태에서는, 복수의 판 부재(17)의 강도가, 그것을 형성하는 재료의 강도의 차이에 의해 변화되어 있지만, 이것은 예를 들어 도 3에 도시되는 바와 같이, 동일한 강도의 재료로 형성하고, 그 두께의 차이에 의해 강도를 변화시키도록 해도 좋다.
즉, 동일한 강도의 재료이면, 판 두께가 큰 쪽이 강도는 높아지므로, 가장 두꺼운 판 부재(17A)는 타워부(3)의 횡단면에서 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치에 배치되어 있다. 회전 축선(L)에 대응하는 위치로부터 타워부(3)의 선회 중심을 지나 회전 축선(L)과 직교하는 위치를 향해 순차 판 두께가 얇아지고, 즉 강도가 낮아지고, 가장 얇은 판 부재(17D)는 타워부(3)의 횡단면에서 회전 축선(L)에 대략 직교(교차)하는 위치에 배치되어 있다. 이 경우, 두께의 차이에 의한 단차는, 타워부(3)의 내주면측에 존재하도록 하고 있지만, 외주면에 존재하도록 해도 좋고, 양쪽에 존재하도록 해도 좋다.
또한, 도 3에서는 보기 쉽도록 판 두께차를 크게 기재하고 있지만, 실제로는 인접하는 판 부재(17)의 판 두께차는 용접에 의해 접합 가능한 범위 이내에 포함되어 있다.
또한, 복수의 판 부재(17)의 강도는, 형성하는 재료의 강도의 차이 및 두께의 차이를 조합하여 변화시키도록 해도 좋다.
다음에, 상기한 구성으로 이루어지는 해상 풍력 발전 장치(1)에 있어서의 발전 방법에 대해 그 개략을 설명한다.
해상 풍력 발전 장치(1)는, 뜬 상태이므로, 바람을 받으면 풍차 날개(9)가 바람이 불어 가는 쪽이 되도록 타워부(3)는 선회 중심 주위로 이동된다. 즉, 풍차 날개(9)는, 항상 타워부(3)에 대해 풍향(W)의 하류측에 위치한다.
풍차 날개(9)에 바람이 닿으면, 풍차 날개(9)에는 회전 축선(L) 주위로 이동시키는 힘이 작용하므로, 풍차 날개(9)가 장착된 로터 헤드(7)는 회전 축선(L) 주위로 회전한다.
이 로터 헤드(7)의 회전은, 너셀(5)에 설치된 증속 기구에 의해 증속되어 발전기에 전달되어, 전력이 발전된다.
또한, 증속기가 없는 타입의 경우에는, 로터 헤드(7)의 회전은, 직접 발전기에 전달되어, 전력이 발전된다.
이때, 바람을 받으면 풍차 날개(9)가 바람이 불어 가는 측으로 이동하여, 타워부(3)는 바람이 불어 가는 측으로 기울려고 한다. 이에 의해, 타워부(3)에 있어서의 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)을 지나 상하 방향으로 연장되는 평면에 대응하는 부분에서, 풍차 날개(9)와 반대측, 즉 바람이 불어오는 측의 부분에 큰 굽힘 모멘트가 작용하므로, 그 부분에 큰 응력이 발생한다.
로터 헤드(7)를 지지하는 너셀(5)은, 타워부(3)에 회전하지 않도록 장착되어 있으므로, 풍향이 바뀌면 풍차 날개(9)가 바람이 불어 가는 쪽이 되도록 타워부(3)는 축선 주위로 이동된다. 즉, 타워부(3)는 너셀(5)과 일체로 요 선회한다.
이에 의해, 타워부(3)에 있어서의 로터 헤드(7), 즉 회전하는 풍차 날개(9)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 대응하는 부분이 항상 풍향(W)과 일치하게 된다.
본 실시 형태에서는, 타워부(3)는 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 대응하는 위치의 판 부재(17A)의 강도가 가장 높아지도록(그 이외의 위치의 강도보다도 높아지도록) 구성되어 있으므로, 풍차 날개(9)가 바람을 받음으로써 타워부(3)에 작용하는 큰 굽힘 응력은, 항상 타워부(3)의 가장 강도가 높은 판 부재(17A)에 의해 안정적으로 지지되게 된다.
이와 같이, 타워부(3) 자체가 큰 굽힘 응력에 대응하므로, 텐션 레그 등의 추가 설비를 필요로 하지 않는다. 강도면에서 신뢰성이 낮고, 대규모의 메인터넌스 작업을 필요로 하는 텐션 레그를 사용하지 않으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있는 동시에 해상 풍력 발전 장치(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 타워부(3)에 있어서의 타워부(3)의 선회 중심을 포함하여 상하 방향으로 연장되는 평면 중, 타워부(3)의 선회 중심을 지나 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)을 포함하지 않는 평면에 대응하는 위치의 판 부재(17B, 17C, 17D)의 강도는, 거기에 가해지는 비교적 작은 응력에 대응한 두께, 재료 등으로 할 수 있으므로, 이 부분의 판 부재(17B, 17C, 17D)로서 저렴한 재료로 형성하거나, 혹은 작은 치수(즉, 저렴한)인 것을 사용할 수 있다.
따라서, 여분의 재료 등의 낭비를 줄일 수 있어, 그만큼 저렴한 타워부(3)로 할 수 있다.
각 판 부재(17A, 17B, 17C, 17D)는, 각각 원주의 일부를 구성하도록 만곡되어 있지만, 이것은 판 부재(1717A, 17B, 17C, 17D)를 만곡시키지 않고, 예를 들어 사다리꼴 단면으로 한 판 부재(17)를 조합하여 대략 원형을 형성하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 판 부재(17)를 만곡시키는 작업을 불필요하게 할 수 있으므로, 제조 비용을 보다 저렴하게 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 타워부(3)의 단면 형상이 원형, 즉 외형이 타워부(3)의 축선 중심으로부터 대략 균일한 길이로 되어 있다. 이것은, 예를 들어 도 4에 도시되는 바와 같이, 횡단면 형상이 타워부(3)의 축선 중심으로부터 길이가 다르도록 해도 좋다.
도 4에 도시되는 타워부(3)는, 강제의 중공의 대략 타원 단면 형상으로 되어 있다. 타원 단면의 긴 변(M)은, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치, 바꾸어 말하면 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치로 되어 있다. 타워부(3)는 대략 일정 강도의 재료를 사용하여, 대략 일정한 판 두께로 되어 있다.
이와 같이, 타원의 긴 변인 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치의 길이는, 다른 위치, 예를 들어 타워부(3)의 축선 중심을 지나 회전 축선(L)에 직교하는 짧은 변의 길이보다도 길기 때문에, 동일한 재료이고 동일한 판 두께이면, 그 방향의 단면 계수는 가장 커진다.
이로 인해, 동일한 하중이 가해진 경우, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치에 작용하는 응력은, 그 이외의 위치의 강도보다도 작아지므로, 보다 큰 응력에 견딜 수 있다.
즉, 타워부(3)는 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치의 강도가 그 이외의 위치의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
타워부(3)는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치의 강도가 가장 높아지도록 구성되어 있으므로, 풍차 날개(9)가 바람을 받음으로써 타워부(3)에 작용하는 큰 굽힘 응력은, 항상 타워부(3)의 강도가 높은 부분에 의해 안정적으로 지지되게 된다.
이와 같이, 타워부(3) 자체가 큰 굽힘 응력에 대응하므로, 텐션 레그 등의 추가 설비를 필요로 하지 않는다. 강도면에서 신뢰성이 낮고, 대규모의 메인터넌스 작업을 필요로 하는 텐션 레그를 사용하지 않으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있는 동시에 해상 풍력 발전 장치(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고 타워부(3)에 있어서의 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치에 대응하는 위치의 강도는, 단면 형상에 의해 높게 하고 있으므로, 그 부분의 강도를 높이기 위해 강도가 높은 재료 혹은 판 두께를 증가시키는 것을 불필요하게 할 수 있다.
또한, 타워부(3)의 단면 형상은, 타원에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 직사각 형상으로 하고, 그 긴 변이 로터 헤드(7)의 축선(L) 방향을 따르도록 해도 좋다. 또한, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치가 긴 다각 형상으로 해도 좋다.
또한, 최적의 강도 분포를 얻기 위해, 판 부재(17A 내지 17D)의 각각, 혹은 더욱 세분화한 탑체 단면 위치에 있어서의, 피로 하중, 좌굴 하중, 최대 하중을 고려하여, 안전율을 거의 동일하게 하는 대략 타원의 하중 최적 단면 형상으로 해도 좋다.
또한, 도 4와 같은 단면 형상으로 하고, 이것에 도 2 및 도 3에 도시되는 것과 같은 판 부재(17)를 사용하여, 그 강도 및 판 두께 혹은 그 어느 한쪽을 변화시키는 것으로 해도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 구조부로서의 타워부(3)는 중공 구조로 되어 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 5에 도시되는 바와 같이, 타워부(3)의 내부 공간에, 원판 형상을 한 보강 부재(18)를 구비하도록 해도 좋다.
보강 부재(18)는, 상하 방향으로 간격을 두고 복수개 구비하도록 해도 좋다.
이와 같이 하면, 보강 부재(18)가 타워부(3)의 좌굴 강도를 증가시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시되는 바와 같이, 타워부(3)의 내부 공간에, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면과 평행한 평면으로 연장되는 보강 부재(20)를 구비하도록 해도 좋다.
도 6에서는, 보강 부재(20)는 회전 축선(L)을 사이에 두고, 그것으로부터 대략 등거리의 위치에 2개 구비되어 있다. 보강 부재(20)는, 2개에 한정되지 않고, 1개 혹은 3개 이상 구비되어도 좋다. 보강 부재(20)는 회전 축선(L)을 중심으로 하여 선대칭의 위치에 설치하는 것이 바람직하지만, 회전 축선(L)을 중심으로 하여 선대칭의 위치에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 하면, 타워부(3)는 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면의 방향의 강도가 상하 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
또한, 보강 부재(20)는, 도 7에 도시되는 바와 같이, 타워부(3)의 외표면에 장착하도록 해도 좋다.
본 실시 형태에서는, 타워부(3)는 강제로 되어 있지만, 이것은 도 8에 도시되는 바와 같이 콘크리트제로 되어도 좋다.
타워부(3)는, 복수의 콘크리트제의 통형의 세그먼트(21)를 상하로 적층하여 일체화되어 형성되어 있다. 이때, 복수의 세그먼트(21)는 외력에 대한 내구성을 높이기 위해, 예를 들어 포스트 텐션 방식의 프리스트레스를 도입하여 일체화된다.
각 세그먼트(21)는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치로부터 그것과 직교하는 위치를 향해 순차 두께가 얇아지도록 형성되어 있다. 철근(23)은 대략 균일 밀도로 배치되어 있다. 이에 의해, 주위 방향에 있어서의 콘크리트의 강도는, 도 2와 마찬가지로 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치가 최강으로 되고, 그것과 직교하는 위치를 향해 순차 강도가 낮아지도록 되어 있다.
타워부(3)는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치의 강도가 가장 높아지도록(그 이외의 위치의 강도보다도 높아지도록) 구성되어 있으므로, 풍차 날개(9)가 바람을 받음으로써 타워부(3)에 작용하는 큰 굽힘 응력은, 항상 타워부(3)의 가장 강도가 높은 부분에 의해 안정적으로 지지되게 된다.
이와 같이, 타워부(3) 자체가 큰 굽힘 응력에 대응하므로, 텐션 레그 등의 추가 설비를 필요로 하지 않는다. 강도면에서 신뢰성이 낮고, 대규모의 메인터넌스 작업을 필요로 하는 텐션 레그를 사용하지 않으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있는 동시에 해상 풍력 발전 장치(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
여기서는 콘크리트의 두께를 변화시켜 주위 방향의 강도를 변화시키고 있지만, 예를 들어 콘크리트를 보강하는 철근(23)의 밀도 혹은 그 소재 등을 변화시켜 강도를 변화시켜도 좋다.
본 실시 형태에서는, 타워부(3)는 기둥 형상으로 되어 있지만, 이것은 도 9 및 도 10에 도시되는 것과 같은 트러스 구조로 되어도 좋다.
트러스 구조는, 예를 들어 도 9에 도시되는 바와 같이 4코너에 상하 방향으로 연장되도록 설치된 지지 기둥재(25)와, 상하 방향으로 간격을 두고 각 지지 기둥재(25) 사이를 보강하는 대략 수평으로 연장되도록 설정된 수평재(27)와, 각 지지 기둥재(25) 사이를 비스듬히 보강하는 브레이스재(29)로 구성되어 있다. 지지 기둥재(25), 수평재(27) 및 브레이스재(29)는, 강관, 형강 등으로 구성되고, 각각 인장력?압축력에 대향시키도록 배치되어 있다.
지지 기둥재(25)는, 상하 방향으로 복수로 분할되고, 도시하지 않은 조인트에 의해 접합되어 있다. 수평재(27) 및 브레이스재(29)는 접속용 브래킷에 의해 지지 기둥재(25)에 접속되어 있다.
또한, 공장에서 지지 기둥재(25)의 소정 길이 단위로 수평재(27) 및 브레이스재(29)를 장착한 블록을 형성하고, 그들을 건설 현장에 반입하여, 적층하여 타워부(3)를 형성하도록 해도 좋다.
이 트러스 구조는, 도 10에 도시되는 바와 같이, 그것을 평면에서 본 경우, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치, 바꾸어 말하면 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치의 길이가, 그것과 직교하는 방향에 대응하는 위치의 길이보다도 길어지도록 구성되어 있다.
또한, 평면에서 볼 때 도 10과 같은 직사각형 형상이 되는 예를 나타내고 있지만, 평면에서 볼 때의 형상은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 회전 축선(L)에 대응하는 위치의 길이가 가장 길어지는 임의의 다각 형상으로 되어도 좋다.
이와 같이, 타워부(3)를 구성하는 트러스 구조는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치의 길이가 그것과 직교하는 방향에 대응하는 위치의 길이보다도 길게 되어 있으므로, 동일한 재료이고 동일한 구성이면, 그 방향의 길이가 긴 쪽의 단면 계수는 짧은 쪽의 단면 계수보다도 커진다.
이로 인해, 동일한 하중이 가해진 경우, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)에 대응하는 위치에 작용하는 응력은, 그것과 직교하는 방향에 대응하는 위치의 응력보다도 작아지므로, 보다 큰 응력에 견딜 수 있다.
즉, 타워부(3)는 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치의 강도가 그것과 직교하는 방향에 대응하는 위치의 강도보다도 높아지도록 구성되어 있게 된다.
타워부(3)는, 타워부(3)는, 로터 헤드(7)의 회전 축선(L)과 상하 방향을 포함하는 평면에 포함되는 방향에 대응하는 위치의 강도가 가장 높아지도록 구성되어 있으므로, 풍차 날개(9)가 바람을 받음으로써 타워부(3)에 작용하는 큰 굽힘 응력은, 항상 타워부(3)의 강도가 높은 부분에 의해 안정적으로 지지할 수 있다.
이와 같이, 타워부(3) 자체가 큰 굽힘 응력에 대응하므로, 텐션 레그 등의 추가 설비를 필요로 하지 않는다. 강도면에서 신뢰성이 낮고, 대규모의 메인터넌스 작업을 필요로 하는 텐션 레그를 사용하지 않으므로, 제조 비용 및 운용 비용을 저감시킬 수 있는 동시에 해상 풍력 발전 장치(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.
1 : 해상 풍력 발전 장치
3 : 타워부
5 : 너셀
7 : 로터 헤드
9 : 풍차 날개
17 : 판 부재
18 : 보강 부재
20 : 보강 부재
L : 회전 축선

Claims (9)

  1. 로터 헤드를 회전 가능하게 지지하는 너셀과,
    상기 너셀을 지지하고, 상기 너셀과 일체로 요 선회하는 지지 기둥이 구비되어 있는 해상 풍력 발전 장치이며,
    상기 지지 기둥의 강도를 담당하는 구조부는, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 내에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도가, 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면에 포함되는 방향의 하중에 대한 강도보다도 높아지도록 구성되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조부는, 금속제의 통 형상으로 되고, 상기 지지 기둥이 연장되는 방향과 직교하는 단면에 있어서, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 길이가, 상기 단면의 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구조부는, 금속제의 통 형상으로 되는 동시에 주위 방향으로 분할된 복수의 분할 부재로 형성되고,
    상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 교차하는 부분의 상기 분할 부재의 강도는, 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 그 밖의 평면과 교차하는 부분의 상기 분할 부재의 강도보다도 강하게 되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분할 부재의 강도는, 강도가 다른 재료를 사용하여 변화시키는, 해상 풍력 발전 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 분할 부재의 강도는, 재료의 두께의 차이에 의해 변화시키는, 해상 풍력 발전 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조부의 내부 공간에는, 원판 형상 또는 도넛 형상이며 그 외주부가 상기 구조물의 내주부에 접합되는 보강 부재가, 적어도 1개 구비되어 있는, 해상 풍차 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조부는, 적어도 일부는 콘크리트제로 되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구조부는, 트러스 구조로 되고, 상기 지지 기둥이 연장되는 방향과 직교하는 단면에 있어서, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면 방향의 길이가, 상기 단면의 그 밖의 방향의 길이보다도 길게 되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 구조부의 외표면 또는 내표면에, 상기 로터 헤드의 회전 축선과 상기 지지 기둥의 연장 방향을 포함하는 평면과 평행한 평면으로 연장되는 적어도 1개의 보강 부재가 구비되어 있는, 해상 풍력 발전 장치.
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