KR20120034723A - 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초(1) 및 이 윈드 터빈 기초를 구성하는 방법에 관한 것이며, 윈드 터빈 기초는 하부 기초(5)와, 하부 기초(5) 상에 제공된 프레임워크 타워(10)로서, 적어도 3개의 평행한 관형 레그(12)와 레그(12)들 사이에 제공되고 레그(12)들에 연결되는 스트럿 노드(20) 및 레그 노드(21)를 가진 스트럿(16)들의 프레임워크 시스템(15)을 구비하는, 프레임워크 타워(10)와, 프레임워크 타워의 상부 영역에 제공되는 이행 구조물(25)을 포함하고, 프레임워크 타워(10)는 적어도 하나의 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)로 구성되고, 적어도 3개의 평행한 관형 레그(12)들 사이의 중심 거리가 일정하고, 레그(16)의 직경이 일정하며, 스트럿 노드(20)와 레그 노드(21)는 규격화된 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초 {WIND TURBINE FOUNDATION FOR VARIABLE WATER DEPTH}
본 발명은 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 해저에 고정되고 수면 위로 연장되는 해상 윈드 터빈을 위한 기초로서, 상부에 제공된 윈드 터빈을 갖는 수직 관형 타워를 지지하는 기초에 관한 것이다.
초기의 윈드 터빈은 대개 육상에서, 터빈을 포함하는 타워를 위한 안정된 지지를 제공하기 위해, 바위에 고정된 단순한 기초 상에 또는 충분한 중량을 갖는 주조된 기초 상에 위치된다.
최근에는 증가된 접근성 및 더 양호한 바람 조건을 얻기 위해 윈드 터빈을 해상에 위치시키는 것이 일반적이었다. 덴마크, 독일, 네델란드 및 영국에 설치된 윈드 파크의 많은 예들이 이미 존재한다.
첫 번째 해상 윈드 파크는 육상의 것과 유사하게 기초를 사용하여 얕은 물에 위치되어 있다. 무엇보다도 중량(중력)에 의해 안정적으로 서있는 콘크리트 기초가 사용되고, 윈드 터빈의 지지체에 충분한 안정성과 강성을 제공하기 위해 바닥 아래로 충분히 박히는 단일 중심 파일이 사용된다.
이들 방식은 약 20m 미만의 얕은 수심에, 그리고 약 2 내지 3MW까지의 터빈에 적합하다. 더 깊은 수심에서, 그리고 더 높은 타워를 갖는 더 무거운 터빈에서는, 얕은 수심을 위한 종래의 방법이 적합하지 않은데, 이는 터빈들이 대체로 너무 유연하고, 이것이 다시 높은 구조 진동수를 발생시키기 때문이다. 구조물 및 터빈에서 바람직하지 않은 진동수 및 하중을 피하기 위해 회전 사이클의 동안 그리고 회전 사이클의 1/3에 걸쳐서 소정 영역에서 1.0의 진동수를 얻는 것은 가혹한 요구일 것이다.
실험적으로 터빈들은 약 45m까지의 수심에 설치된다. 본원의 예들은 약 30m의 수심을 갖는 알파 벤투스(Alpha Ventus) 프로젝트 및 약 45m의 수심을 갖는 베아트리스(Beatrice)이다. 알파 벤투스에서는, 두 종류의 기초가 설치되는데, 하나는 소위 삼각대 방식이고 다른 하나는 오일 분야에서 "재킷(jacket)"으로 불리는 것에 대응하는 관형 프레임워크 방식이다. 두 개의 기초는 모두 해상 플랫폼에 사용되는 방법에 대응하게, 수중 해머로 박아넣은 강철 파일에 의해 바닥에 고정된다. 베아트리스에서는, 역시 파일을 이용하여 바닥에 고정되는 재킷 기초를 갖는 2개의 터빈이 설치된다. 강철 방식의 사용과 관련하여, 재킷 타입의 기초는 수심이 증가될 때, 즉 30 내지 60m의 영역에서 큰 이점을 갖는다는 것이 경험과 분석을 통해 나타난다. 재료의 양과 관련하여, 이 개념은 일반적으로 고강성을 포함하고, 깊은 수심에 대해서도 정확한 진동수가 간단하게 얻어진다.
이 방식은 또한 가느다란 구조 요소를 갖는 개방 구조로 인해 낮은 파력을 발생시킨다. 고강성과 작은 파력의 조합은, 구조물에서 파도에 의해 유발되는 움직임을 작게 발생시키고 따라서 파도로부터 타워 및 터빈으로의 동역학적 힘의 전달을 최소화하기 때문에 바람직하다. 이러한 특별한 환경에서는, 재킷 개념이 바다에 윈드 터빈의 기초를 구축하기 위한 기술적으로 바람직한 방식이라는 일반적인 이해가 성립된다. 깊은 수심에서 윈드 터빈과 관련된 가장 큰 문제는 비용이다. 일반적으로, 기초를 구축하는 비용은 크기, 복잡성 및 설치 작업의 포함 때문에 육상에서보다 크고, 수심이 증가할수록 증가한다.
해양 산업은 해상 설치 설비 등의 엔지니어링, 계획, 운영 및 사용 모두가, 단일 플랫폼 기초의 구성 및 설치가 단일 설치에만 관련되어 있다는 점에 기인하여, 극히 비싸다는 것을 경험하였다.
상술한 "삼각대 방식" 및 재킷 방식"은 이들이 설치될 실제 위치에 적합하게 구성되거나 또는 "맞춤(customize)"되어야 한다는 단점을 갖는다. 즉, 수심, 주위의 힘 등에 따라 상이한 구조 부품들이 형성되고 치수 결정(설계)되어야 하며, 이는 다양한 구조 부품들이 구조물 내의 어느 곳에 위치하는가에 따라서 다양한 형태, 치수, 두께 등을 갖는 결과를 낳는다. 이것은 그러한 구조물이 상당한 정도로 특정 장소에 맞춤되어야 하는 결과를 낳고, 따라서 대량 생산과 관련하여 융통성이 낮다. 결과적으로 다수의 유닛을 생산할 때 대량 생산과 비용 절감의 정도가 작다.
윈드 파크를 위한 다수의 윈드 터빈을 제조할 때, 이 방식이 간단하고 자동 작업 전략의 사용에 상당한 정도로 적합하다면, 많은 유닛에 단일 비용을 분산시키는 것이 가능하고, 또한 제작 효율을 증가시키는 것이 가능하다. 설치와 관련하여, 크레인 베셀, 바지(barge)와 같은 고가의 장비가 다수 회의 설치들에 효율적으로 사용될 것이고, 이것에 더하여 장기적으로 사용된다면 요율은 훨씬 더 양호해질 것이다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 가변적인 수심에 대해 규격화되고 기술적으로 바람직한 방식이며 가장 비용이 저렴한 윈드 터빈 기초를 개발하는 것이다. 이것은 최고의 방식이 기술과 경제성 사이의 절충이라는 것을 의미한다. 가장 중요한 비용 요소는 육상에서의 기초 제작 및 운반과 설치에 관련된 비용이다. 이들 비용은 또한 윈드 파크를 위한 큰 규모의 윈드 터빈이 생산될 때 제작 및 설치의 효율성을 개선하는 가능성과 관련될 것이다.
다른 목적은 윈드 터빈 기초가 타워의 높이를 변화시킴으로써 상이한 수심에 적합하게 구성될 수 있는 한편, 주요 치수 및 구조적 방식은 변화없이 유지되는 것이다. 윈드 터빈 기초는 수심과는 독립적으로 상당한 정도로 규격화되고, 그리하여 세부 기획 및 운용이 단순할 뿐만 아니라, 특별히 개발된 제조 설비 및 기술적 방식이 가능한 한 많은 유닛에 활용될 수 있다.
다른 목적은 윈드 터빈 기초가 양호한 강성 특징을 갖고, 그와 동시에 효과적이고 상당한 정도로 자동화된 제작에 적합하게 되는 것이다.
본 발명의 목적은 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초에 의해 달성되며, 이것은 하부 기초와, 하부 기초 상에 제공된 프레임워크 타워로서, 적어도 3개의 평행한 관형 레그와 레그들 사이에 제공되고 레그들에 연결되는 스트럿 노드 및 레그 노드를 가진 스트럿들의 프레임워크 시스템을 구비하는 프레임워크 타워와, 프레임워크 타워의 상부 영역에 제공되는 이행 구조물을 포함하고, 프레임워크 타워는 적어도 하나의 규격화된 프레임워크 타워 요소로 구성되고, 적어도 3개의 평행한 관형 레그들 사이의 중심 거리가 일정하고, 레그의 직경이 일정하며, 스트럿 노드와 레그 노드는 규격화된 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
윈드 터빈 기초의 바람직한 실시예들은 청구항 2 내지 7에서 더 규정된다.
본 발명의 목적은 또한 하부 기초, 스트럿 노드 및 레그 노드를 갖는 스트럿의 프레임워크 타워, 및 이행 구조물을 포함하는 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초를 구성하는 방법에 의해 달성되며, 프레임워크 타워는 하부 기초 상에 제공되고, 이행 구조물은 프레임워크 타워의 상부 영역 상에 제공되며, 프레임워크 타워가 적어도 규격화된 프레임워크 타워 요소로서 제공되고, 적어도 3개의 평행한 관형 레그들 사이의 중심 거리가 일정하게 유지되고, 스트럿의 직경이 일정하게 유지되며, 스트럿 노드와 레그 노드가 규격화된 형상으로서 제공되는 것을 특징으로 한다.
이 방법의 바람직한 실시예는 청구항 8에서 더 규정된다.
본 발명의 추가적인 특징들은 첨부된 도면을 참고하면 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 중력 기반 하부 기초를 갖는 윈드 터빈 기초의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 파일을 포함하는 하부 기초를 갖는 윈드 터빈 기초의 제2 실시예를 도시한다.
도 3은 프레임워크 시스템의 스트럿들을 연결하기 위한 노드를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 프레임워크 타워의 관형 레그에 스트럿들을 연결하기 위한 노드를 도시한다.
도 5는 프레임워크 타워가 2개의 규격화된 프레임워크 타워 요소들로 구성된 윈드 터빈 기초의 다른 실시예를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상부 타워에 제공된 윈드 터빈을 갖는 수직 관형 타워를 지지하는 윈드 터빈 기초(1)가 도시되어 있다. 윈드 터빈 기초(1)는 하부 기초(5), 하부 기초(5) 상에 제공된 프레임워크 타워(10) 및 프레임워크 타워의 상부 영역 상에 제공된 이행 구조물(25)을 포함한다.
도 1은 바람직하게는 콘크리트로 이루어지고, 가능하게는 자갈(gravel) 또는 암석의 형태인 추가의 바닥짐(ballast)를 갖는 중력 기반 기초(6)의 형태인 하부 기초(5)의 제1 실시예를 도시한다. 도 2는 해저에의 고정을 보장하기 위해 파일(7)들이 활용되는 하부 기초(5)의 제2 실시예를 도시한다. 제3 실시예에서, 하부 기초(5)는 각각의 코너에 깊은 원통형 강철 기초를 구비할 수 있고, 해저로의 충분한 관통을 달성하기 위해 시설의 중량(구체적으로는 중력)에 의해, 그리고 추가로 진공의 사용에 의해 부분적으로 아래로 더 박힌다. 하부 기초(5)의 선택은 주어진 바닥 조건 및 비용상의 중요성을 가질 수 있는 기타 조건에 따라 달라질 것이다.
도 1 및 도 2를 더 참조하면, 프레임워크 타워(10)는 인접한 레그들 사이에 동일한 중심 거리를 갖는 3개의 평행한 관형 레그(12)를 포함한다. 3개의 평행한 관형 레그(12)는 하부로부터 상부까지 일정한 직경을 갖는다. 스트럿(16)의 프레임워크 시스템(15)이 레그(12)들 사이에 제공되고, 레그들에 연결된다. 프레임워크 시스템의 모든 스트럿(16)들은 동일한 직경을 갖는다. 스트럿(16)들은 X-시스템으로 제공된다. 이것은 스트럿(16)들 간의 교차 및 레그(12), 스트럿 노드(20) 및 레그 노드(21)에 대한 스트럿들의 연결 모두에 있어서 동일한 치수를 갖는 규격화된 유형의 노드들이 각각 활용되는 결과를 가져온다. 이와 관련하여, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조한다. 스트럿(16)을 레그(12)에 연결하는 스트럿 노드(21)는 스트럿(16)들 사이의 X-노드의 절반을 구성하는 소위 K-노드이다. 가변적인 단면적을 요구하는 가능한 가변적인 강도 및 강성은 레그(12)와 스트럿(16)의 벽 두께를 변화시킴으로써 달성되는 한편, 모든 노드는 바람직하게는 이들의 제작을 용이하게 하기 위해 동일한 두께로 형성된다.
도 5를 참조하면, 윈드 터빈 기초(1)가 도시되어 있으며, 여기서 프레임워크 타워(10)는 제1 및 제2 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)로 각각 구성된다. 제2 프레임워크 타워 요소(14)는 제1 프레임워크 타워 요소(13)의 상부에 제공된다. 레벨(11)은 제1 규격화된 프레임워크 타워 요소(13)와 제2 규격화된 프레임워크 타워 요소(14) 사이의 연결 영역을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 이행 구조물(25)이 프레임워크 타워의 상부 영역 상에 제공되는 것으로 도시되어 있다. 프레임 레그 거리 및 레그 직경은, 가장 복잡한 구조 부품인 프레임워크 타워와 레그(12) 사이의 이행 구조물(25)이 수심에 관계없이 한 종류의 윈드 터빈을 위해 규격화될 수 있도록, 가변적인 수심에 사용되는 것으로 또한 추측된다.
스트럿(16), 스트럿 노드(20) 및 레그 노드(21)는 또한 상이한 수심에 대해 동일한 치수를 가질 것이다. 수평면에 대한 스트럿의 각도는 바람직하게는 45도이지만, 하부 레벨과 상부 레벨 사이의 스트럿 시스템의 총 개수에 적합게 구성되는데 필요한 편차를 가질 것이다.
본 발명은 새로운 레벨의 규격화된 프레임워크 타워 요소를 추가함으로써 높게 구성될 수 있다는 점에서 가변적인 수심을 위해 규격화된 윈드 터빈 기초를 다룬다. 그 결과는 매우 합리적이고 비용 효율적인 대량 생산이다. 또한, 이 방식은 터빈 크기 및 종류와 관련하여 규격화되지만, 구성 방식에 작은 영향을 주면서 수심이 달라질 수 있다. 대량 생산과 조합된 이러한 규격화는 미래의 대규모 윈드 파크 개발과 관련하여 매우 높은 비용 효율성 및 융통성을 가능하게 한다.

Claims (8)

  1. 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초(1)로서,
    하부 기초(5)와,
    하부 기초(5) 상에 제공된 프레임워크 타워(10)로서, 적어도 3개의 평행한 관형 레그(12)와, 레그(12)들 사이에 제공되고 레그(12)들에 연결되는 스트럿 노드(20) 및 레그 노드(21)를 가진 스트럿(16)들의 프레임워크 시스템(15)을 구비하는, 프레임워크 타워(10)와,
    프레임워크 타워의 상부 영역 상에 제공되는 이행 구조물(25)을 포함하는 윈드 터빈 기초(1)에 있어서,
    프레임워크 타워(10)는 적어도 하나의 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)로 구성되고, 적어도 3개의 평행한 관형 레그(12)들 사이의 중심 거리가 일정하고, 레그(16)의 직경이 일정하며, 스트럿 노드(20)와 레그 노드(21)는 규격화된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  2. 제1항에 있어서, 프레임워크 타워(10)는 제1 및 제2 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)를 각각 포함하고, 제2 프레임워크 타워 요소는 제1 프레임워크 타워 요소의 상부에 제공되는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관형 레그(12)는 특정 영역에 대해 변화하는 벽 두께에 의해 강도와 관련하여 적합하게 구성되는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스트럿(16)은 특정 영역에 대해 변화하는 벽 두께에 의해 강도와 관련하여 적합하게 구성되는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 스트럿 노드(20)와 레그 노드(21)는 유사하고 규격화된 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 스트럿 노드(20)는 X-노드 형상을 갖고, 레그 노드(20)는 K-노드 형상을 가지며, K-노드 형상은 X-노드 형상의 1/2을 구성하는 것을 특징으로 하는
    윈드 터빈 기초.
  7. 하부 기초(5), 스트럿 노드(20)와 레그 노드(21)를 갖는 스트럿(16)들의 프레임워크 타워(15), 및 이행 구조물(25)을 포함하는 가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초(10)를 구성하는 방법에 있어서,
    프레임워크 타워(10)는 하부 기초(5) 상에 제공되고, 이행 구조물(25)은 프레임워크 타워의 상부 영역 상에 제공되며, 프레임워크 타워(10)가 적어도 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)로서 제공되고, 적어도 3개의 평행한 관형 레그(12)들 사이의 중심 거리가 일정하게 유지되고, 스트럿(16)의 직경이 일정하게 유지되며, 스트럿 노드(20)와 레그 노드(21)가 규격화된 형상으로서 제공되는 것을 특징으로 하는
    가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초를 구성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 프레임워크 타워(10)는 제1 및 제2 규격화된 프레임워크 타워 요소(13, 14)로 각각 이루어지고, 제2 프레임워크 타워 요소(14)는 제1 프레임워크 타워 요소(13)의 상부에 제공되는 것을 특징으로 하는
    가변적인 수심을 위한 윈드 터빈 기초를 구성하는 방법.
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